滑动电接触表面粗糙度与接触电阻特性

2021-03-24王大语王智勇雒贤华郭凤仪

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2021年1期

王大语，王智勇，雒贤华，郭凤仪

（1. 辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105；2.温州大学电气与电子工程学院，浙江温州 325035）

0 引言

电气化铁路中，列车通过受电弓滑板与接触导线的滑动接触获得电能，滑板与接触导线之间的电接触性能将直接关系到列车的安全稳定运行，而接触电阻是反映电接触性能的关键指标之一，故接触电阻的影响因素及其建模一直备受国内外学者关注.

至今，国内外研究人员对粗糙表面接触电阻问题的研究已取得一些成果.文献[1]建立了三维分形的接触电阻模型，研究了分形参数对粗糙表面形貌的影响；文献[2]分析了接触载荷和分形参数对实际接触面积、接触电阻、电流密度的影响，表明增大接触载荷和减小表面粗糙度可以防止电蚀发生；文献[3]研究了粗糙度量级与分布形态对电枢与轨道接触状态的影响，研究表明接触面越粗糙，电枢材料熔化越严重，接触状态越差；文献[4]构建了一个随机粗糙表面，对接触界面凸峰接触情况、应力分布进行分析，结果表明随着法向压力增大，凸峰接触数目增大，接触面积变大；文献[5]提出一种表面粗糙度对含金涂层聚合物颗粒触头接触电阻影响的模型，表明若要准确计算接触电阻，需充分考虑接触面粗糙度；文献[6]提出一种多场、多尺度的理论，得出机械载荷和电流作用下粗糙接触面的电阻率和热导率，并通过实验和仿真得出接触电阻与原有结果相比较，证明了该理论的可行性；文献[7]对密封式继电器触点进行形貌和失效分析，根据触点表面接触关系，建立了接触电阻模型；文献[8]提出一种融合触点表面微观粗糙度参数与宏观性能参数的方法，并以接触电阻为桥梁证明此方法的可行性；文献[9]考虑石墨表面的氧化烧蚀，基于分形理论，建立了铜电极与石墨焊接池之间的接触电阻模型，研究表明烧蚀作用会使接触电阻增大.目前的研究大部分都是单独研究速度、压力、电流对表面粗糙度或接触电阻的影响，还未有将粗糙度、接触电阻两者之间的关系联系到一起的研究，探究粗糙度对接触电阻的影响可以从微观领域揭示接触电阻变化的机理，对今后受电弓滑板的制备、接触导线的选型以及弓网之间最优接触压力的确定具有一定的指导意义.

近年来课题组一直从事弓网滑动电接触的研究工作[10-12]，已取得较为深入的研究成果.在此基础上，本文利用自制滑动电接触实验机开展载流摩擦实验，研究压力、速度、电流以及运行时间对摩擦副材料表面粗糙度的影响，并对接触电阻与摩擦副表面材料粗糙度之间的关系进行分析.

1 实验方案及现象

1.1 实验方案

利用自行研制的滑动电接触实验机[10]，开展不同接触压力、滑动速度和接触电流条件下的载流摩擦实验.保证其他实验条件不变时，分别在接触压力60～100 N、滑动速度50～100 km/h、接触电流50～200 A、滑动时间600～2 400 s 的条件下进行实验.

实验使用接触导线材料为铜，截面积为120 mm2，硬度HB值为96.2. 滑板材料为浸金属碳，化学成分和性能参数见表1、表2.

表1 滑板材料化学成分质量分数Tab.1 mass fraction of chemical composition of slide material

表2 滑板材料性能参数Tab.2 performance parameters of sliding plate materials

实验过程中使用热成像仪采集滑板表面温度信息.实验后使用电子显微镜采集滑板表面形貌图像，并使用表面粗糙度测量仪测量浸金属碳滑板表面轮廓的算数平均差Ra，Ra为取样长度内轮廓偏距绝对值的算数平均值，是粗糙度最主要的评定参数.每次实验后取样5 次，求出5 次Ra的平均值.

1.2 实验现象

接触压力为70 N，滑动速度为70 km/h，给定电流150 A，此时接触电阻波动曲线见图1.由图1可知，实验过程中，接触电阻一直在随时间变化.

图1 接触电阻随时间变化Fig. 1 contact resistance variation with time

在接触压力、接触电流、滑动时间相同，滑动速度不同的实验条件下，采集实验后滑板表面扫描电镜图像见图2.

图2 不同速度下滑板表面形貌Fig.2 surface morphologies of slides at different speeds

在接触压力、滑动速度、滑动时间相同，接触电流不同的实验条件下，采集实验过程中滑板表面温度，见图3.

图3 不同电流条件下实验过程中滑板最高温度Fig.3 maximum temperature of the slides under different currents

2 实验结果

图4 为不同实验条件下，实验后粗糙度、接触电阻随接触压力、滑动速度、接触电流、滑动时间的变化.

由图4（a）可知，在其他实验条件一定时，接触压力越大，粗糙度的值越小，接触电阻值也越小.当给定的接触压力较小，在60～70 N 时，随着接触压力的增大，粗糙度与接触电阻的减小幅度较大.随着接触压力的持续增大，粗糙度与接触电阻的减小幅度也逐渐减小.

由图4（b）可知，其他实验条件一定时，随着滑动速度的不断提升，粗糙度与接触电阻逐渐增大，并且增大趋势较大.随着速度的进一步提高，粗糙度与接触电阻的增大幅度略有减小.

由图4（c）可知，其他实验条件一定时，实验给定的电流值越大，粗糙度越小，接触电阻的值越小.

由图4（d）可知，在接触压力、滑动速度、接触电流一定时，实验滑动时间越长，粗糙度越小，接触电阻越小.且随着滑动时间逐渐增大，粗糙度的变化越不明显，而当滑动时间大于1 800 s 时，接触电阻略有增大，随后趋于平稳.

图4 不同实验条件对粗糙度、接触电阻的影响Fig.4 influence of different experimental conditions on roughness and contact resistance

3 理论分析

3.1 不同实验条件对摩擦副粗糙度的影响

（1）接触压力对摩擦副粗糙度的影响

受电弓与接触网接触事实上是通过碳滑板与导线的接触面上的接触斑点相互接触，通过这些斑点来传导电流[13].当有外力作用在微观粗糙不平的接触面上时，会发生弹性形变和塑性形变，当作用在接触面上的压力较小时，接触斑点大多发生弹性形变，压力持续增大，则更多的接触斑点上会发生塑性形变.

当滑动速度不变的情况下，随着接触压力的增大，滑板与接触网导线相互摩擦，产生摩擦热，摩擦力与摩擦热的计算为

式（1）～式（2）中，f为动态滑动摩擦力，N；μ为摩擦系数；F为静态接触压力，N；W为摩擦力做的功，J；s为相对滑动距离，m.

普遍认为接触面的摩擦系数与粗糙度有关[14]，当粗糙度一定时，施加接触压力越大，弓网之间产生的摩擦力就越大，列车运行中作用在接触斑点上的横向剪切力也就越大，这会加剧材料的磨损；同时，在运行路程一定时，摩擦副表面的摩擦力越大，产生的摩擦热也就越多，摩擦热会导致材料发生软化，原本发生弹性形变的接触斑点更容易发生塑性形变，导致摩擦副表面的粗糙程度变小.因此，由图4（a）可以看出，随着接触压力的进一步增大，摩擦副表面越来越光滑，能从发生弹性形变转化为塑性形变的接触斑点越来越少，接触表面粗糙度变化幅度也就越来越小.

（2）滑动速度对摩擦副粗糙度的影响

当接触压力不变的情况下，滑动速度较低时，机械振动幅度较小，动态接触压力的变化并不明显，不会对材料的磨损造成较大影响，所以接触表面粗糙度的变化很小.

但是由图4（b）可知，当速度大于60 km/h 之后，粗糙度开始明显增大.这是因为在实际运行中，随着滑动速度的不断加快，弓网系统的机械振动幅度不断增大，会有离线的情况发生，产生电弧.滑动速度越快，离线时间越长，单次电弧持续时间也就越长；同时，速度越快会使离线率大幅上升，燃弧率的升高也会导致单位时间内电弧产生的总能量更大.观察图2（a）、图2（b）可知，滑动速度为60 km/h 时，电弧并未对接触面造成过多侵蚀，滑板表面磨损大多为机械磨损；当滑动速度为90 km/h时，可以看出电弧会对接触面造成了严重的侵蚀，材料因高温而蒸发、转移，出现了大量的侵蚀坑，从而导致接触面粗糙度发生明显变化.

（3）接触电流对摩擦副粗糙度的影响

在接触压力和滑动速度一定时，随着电流增大，接触温度升高[15].

由图3（a）、图3（b）可以看出，当接触电流为50 A 时，滑板表面最高温度为35.2 ℃，当接触电流达到200 A 时，滑板表面最高温度为203 ℃，这表明接触电流越大，产生的焦耳热也就越多，接触面材料温度也就越高.随着温度的上升，材料会发生软化，相同的接触压力作用在接触面上时，接触斑点更容易发生磨损，使接触面更加光滑，粗糙度更小.

（4）滑动时间对摩擦副粗糙度的影响

在接触压力、滑动速度、接触电流大小都一定时，随着实验滑动时间的增加，接触斑点上累积的摩擦热、焦耳热逐渐上升，材料发生软化，接触斑点更容易被磨损，接触面变得更加光滑.结合图4（d）可知，当滑动时间超过1 200 s，粗糙度减小幅度逐渐减小，这是因为随着滑动时间的增加，能发生塑性形变的接触斑点越来越少，接触面的光滑程度不会发生太大的变化，故粗糙度变化幅度趋于平稳.

3.2 不同实验条件对摩擦副接触电阻的影响

（1）接触压力对摩擦副接触电阻的影响

由图4（a）可以看出，随着压力增大，接触电阻呈减小的趋势.当压力作用在接触面时，硬度大的接触斑点发生弹性形变，硬度小的发生塑性形变.随着压力增大，发生塑性形变的接触斑点越来越多[16].同时，压力增大导致表面粗糙度减小，这会让很多之前未发生接触的空隙产生接触，接触斑点总数增加，接触总面积增大，接触电阻变小.

当压力达到90 N 以上时，能再发生塑性形变的接触斑点已经很少，未发生实际接触的空隙也很少[17].因此接触斑点数量变化减小，接触面积增大的幅度变小，所以接触电阻变化率也将减小.

（2）滑动速度对摩擦副接触电阻的影响

在接触压力、接触电流一定时，速度的增大，会使弓网之间的机械振动加剧，滑板与导线之间接触状态变差，产生离线电弧，对接触面的材料造成侵蚀，侵蚀坑使接触面之间产生空隙，导致一部分接触斑点丧失，接触面积减小，接触电阻增大.

当滑动速度大于90 km/h 时，此时机械振动不再加剧，滑板表面粗糙度不会继续大幅度改变，接触斑点数目不再大幅变化，接触面积减小程度变小，因此接触电阻的变化率也减小.

（3）接触电流对摩擦副接触电阻的影响

从图4（c）中可以看出，接触电阻随接触电流的增大而减小.这是因为增大接触电流，会使接触面之间的焦耳热增加，温度的升高使材料更容易发生软化并利于更多的接触斑点发生塑性形变，降低了接触面的粗糙度，增大接触面积，使接触电阻减小.

同时，接触面材料温度的改变会导致其电阻率发生变化，温度越高电阻率就越大，接触电阻也就越大.但在实验中，因接触斑点软化促进塑性形变发生致使接触电阻变小的趋势大于因温度升高导致电阻率增大致使接触电阻变大的趋势[11]，故最终接触电阻程减小的趋势.二者之间相互作用，使接触电阻减小量并不是很大.

（4）滑动时间对摩擦副接触电阻的影响

在接触压力、滑动速度、接触电流一定时，滑动时间越长，接触电阻越小.滑板的载流磨损过程可以分为跑合期、相对稳定期两个阶段[12]，滑动时间小于1 200 s 时处于跑合期，这个阶段内磨耗率随时间的增加而降低，实际接触斑点数量增加，接触面积变大，接触电阻减小；1 200 s 后进入相对稳定期，磨耗率趋于稳定，接触面积变化较小，接触电阻变化也就较小.

持续运行时，弓网之间的产生的摩擦热、焦耳热越来越多，温度的上升导致滑板材料的电阻率增大，所以图4（d）中可以看到，当滑动时间大于1 800 s 后，接触电阻稍有升高的趋势.