不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响

何泉鑫，曾子毅，陈光雄，任文娟，2，赵鹏鹏，董丙杰

(1.西南交通大学摩擦学研究所，四川成都 610031；2.四川建筑职业技术学院，四川成都 610031)

受电弓是列车受流的重要元器件，在列车实际运行过程中，由于轨道不平顺、列车晃动等原因，弓网间会产生剧烈的振动，使得弓网间的接触状态恶化，影响弓网间的受流质量[1]。弓网间的受流质量直接影响了列车运行安全，因此研究受电弓-接触网间的载流摩擦磨损行为是很有必要的。

与常规摩擦磨损研究不同，载流摩擦磨损是受电弓和浸金属碳滑板在加载电流条件下的摩擦行为，具备电流大、速度快、温度高等特点[2]。浸金属碳滑板具有良好的导电性和耐磨性，广泛应用在高铁和地铁上，但其价格昂贵[3]。浸金属碳滑板使用寿命的长短直接影响了实际运营成本。因此，对弓网间载流磨损性能的探究有着重要意义。

近年来，诸多学者通过自主设计的模拟试验台开展了载流摩擦磨损的试验研究。雒贤华[4]研究了不同粗糙度碳滑板的载流摩擦磨损性能，试验结果表明，粗糙度越大的碳滑板磨损量越高，并且不同粗糙度的碳滑板在运行30 min后的摩擦因数趋于相同。HU等[5]研究了纯铜接触线和铜银合金接触线与3种材料(铝、铜、纯碳)滑板的磨损情况，试验结果表明，3种摩擦副均存在严重的材料转移，其中铝材料最严重，铜材料次之，纯碳材料最少。CHEN等[6]利用销盘试验机研究了不锈钢/铜基烧结合金材料摩擦副的载流摩擦磨损性能，试验结果表明，铜基烧结合金材料的磨损量和摩擦因数随电流的增大而增大，磨损形式主要是氧化磨损和黏着磨损。然而，目前几乎所有试验都是围绕正常型面的接触线进行研究。

滑板磨耗的上升往往伴随着接触线的异常磨损，而接触线的异常磨损又会加剧弓网间的不平稳。接触线的异常磨损使得接触线无法保持正常的廓形，在磨损过程中会产生不同的横截面形状，而接触线形貌的改变可能会影响弓网间的接触关系。为此，研究不同形貌接触线与浸金属碳滑板间的载流摩擦磨损性能，对于弓网载流摩擦磨损机制的研究以及减少列车运营成本都有重要意义。本文作者利用地铁现役的浸金属碳滑板和铜银合金接触线，在环-块式高速载流摩擦磨损试验机上，研究3种不同型面的铜银合金接触线对载流摩擦磨损性能的影响，比较了不同接触线型面下浸金属碳滑板的摩擦因数、磨损量和温升等。

1 试验部分

1.1 试验设备

采用环-块式高速载流摩擦磨损试验机进行试验。试验台主要由底座、主电机、往复滑动装置、旋转盘、伺服电机等构成，设备示意图如图1(a)所示。旋转盘上镶嵌铜银合金接触线，旋转盘半径为550 mm，旋转盘的速度在30～300 km/h内连续可调节。尺寸为125 mm×35 mm×25 mm的长方体滑板安装在夹紧装置内，通过滑轮装置给摩擦副施加法向力，法向力的加载范围为10～90 N。伺服电机带动升降台做周期性上下运动，模拟实际受电弓-接触网之间的‘之’字形相对运动，升降台的往复频率设置为0.25 Hz，拉出值为±55 mm。

图1 试验机及摩擦副示意Fig.1 Schematic of test machine and friction pair：(a)schematic of current-carrying friction and wear test machine； (b)schematic of contact wire/strip friction pair

试验采用KGBF-12-150 kW/180 V直流电供电，电流输出范围为0～600 A，输出电压0～180 V。利用精度为0.001 g的电子天平测得每组试验前后滑板的质量来计算磨耗量。采用FLUKE Tix640型红外测温仪测得滑块和接触线50 min后(稳定运行阶段)的温度。用Quattor扫描电镜(SEM)来观察浸金属碳滑板磨损后的表面形貌。此外，利用数据采集系统测得接触摩擦副之间的压降U、回路电流I、摩擦力Ff等数据，采集系统的采样频率为1 kHz。

1.2 试验材料和试验参数

试验使用的浸金属碳滑板为上海地铁某线路正在服役的MY7A2型号，其元素含量如表1所示。试验采用的铜银合金接触线铜、银的质量分数分别为99.74%、0.08%。

表1 浸金属碳滑板成分

以上海地铁某线路实际运行工况为参考，选取地铁稳定运行时的速度60 km/h为试验速度，四滑板受电弓平均每块滑板30 N的受力值[7]作为法向力进行模拟试验。试验所采用的3种形貌的接触线分别为常规接触线、麻点接触线(麻点数量约占整个型面的20%)、斜切接触线(倾斜角度为5°)。3种接触线形貌如图2所示。试验接触线形貌均是以地铁线路服役的接触线正常运营后测得的形貌为基础进行设计的。每组试验的滑动里程为60 km，每组参数重复进行多次，每组试验结果取3次相近数据的平均值，试验详细参数如表2所示。

图2 不同形貌接触线实物图和侧视简图Fig.2 Physical drawing and side view diagram of the contact wires for different topography：(a)conventional topography contact wire；(b)contact wire with pitted morphology； (c)contact wire with slanted topography

表2 试验参数Tab.2 Test parameters

1.3 试验参数的计算

在试验过程中，接触副的摩擦力不断在变化，为了反映其表面的接触状况，引入摩擦因数，其计算公式如下：

(1)

式中：K为样本的总个数；FNi为实时采集的摩擦力数据；Fn为加载的法向力；μ为平均摩擦因数。

磨损量是衡量载流摩擦磨损性能的重要参数，其计算公式如下：

Δm=m1-m2

(2)

式中：m1为试验前滑板的质量；m2为试验后滑板的质量；Δm为试验前后滑板的质量差值，即磨损量。

列车运行中弓网间的振动会引起滑板和接触线的分离，在电流作用下会发生电弧放电现象。电弧能量的大小在一定程度上可以衡量滑板与接触网在运行过程中的接触情况，其计算公式如下：

(3)

式中：e为运行过程中的平均电弧能量；U为接触线和滑板之间的压降；I为线路实际通过的电流；t为每组试验的时间。

2 试验结果与讨论

2.1 不同形貌接触线对摩擦因数的影响

摩擦因数是衡量载流摩擦磨损性能的重要参数之一。图3显示了不同形貌接触线在速度为60 km/h、法向力为30 N的情况下摩擦因数随电流的变化曲线。可以看出，斜切接触线的摩擦因数始终最高，麻点接触线的摩擦因数次之，常规接触线的摩擦因数最低。

由于常规接触线的表面平整、完好，在对摩过程中接触良好，所以摩擦因数相对较低。麻点接触线相对于常规接触线，表面多了一些烧蚀坑，在接触线与滑板运行过程中，接触线上烧蚀坑底部相对于滑板产生了离线，进而发生电弧，增加了放电发生的频率，从而恶化了接触线与滑板的接触[8]，故麻点接触线接触副的摩擦因数高于常规接触线。斜切接触线的接触面是一个5°的斜面，相当于在接触线与浸金属碳滑板的某些位置直接制造了两者离线的接触状态，接触线与滑板的接触面积与麻点接触线相比更小。在试验过程中，由于斜面的存在滑板与接触线的接触面积减小，并且接触线的斜面始终与滑板保持离线的状态，在电流的作用下产生持续的电弧，造成接触线与滑板磨损的加剧。因此，与麻点接触线相比斜切接触线工况下的摩擦因数更高。

从图3还可以看出，麻点、斜切接触线工况下的摩擦因数随着电流的增加呈现上升的趋势，这是因为随着电流的增加，麻点接触线上的烧蚀坑和倾斜接触线上的斜度使得接触副间的放电更加剧烈，在电弧的作用下接触线表面变得粗糙，接触时的犁削分量和微凸体的变形量也会增加[9-10]，所以2种工况下的摩擦因数与电流大小成正比。由于麻点接触线相对于斜切接触线来说，放电频率更低，故麻点接触线的摩擦因数随电流的变化率会稍低一些。常规接触线下滑板的摩擦因数随电流的增加而减小，这是因为随着电流的增大，接触副的温度升高，使得材料发生软化[11]，接触线与滑板间接触面积增大，同时试验过程中氧化膜[12]的生成也减小了接触副间的摩擦因数。

图3 不同形貌接触线的摩擦因数随电流的变化Fig.3 Variation of friction coefficient of the contact wires of different morphologies with current

2.2 不同形貌接触线对电弧能量的影响

在速度为60 km/h、法向力为30 N的情况下不同形貌接触线的电弧能量随电流的变化如图4所示。可以看出，3种形貌接触线的电弧能量都随电流的增大而增大，其中倾斜形貌的接触线放电强度最高，麻点形貌接触线次之，正常形貌接触线放电强度最低。电流的增加会引起放电强度的加剧，导致电弧能量的增大。在接触压力不变的情况下，与正常形貌接触线相比斜切接触线、麻点接触线与滑板接触面积的减小[13]也增加了运行的不稳定性。

图4 不同形貌接触线下电弧能量随电流变化Fig.4 Variation of arc energy of the contact wires of different morphologies with current

在非正常形貌接触线中，斜切接触线由于斜面的存在与滑板在某些位置始终处于离线的状态，载流运行时的持续放电是造成斜切接触线电弧能量最大的主要原因。而麻点接触线表面上存在烧蚀和凹坑，每个烧蚀坑底部与滑板之间也存在离线接触的情况，这会产生许多很小的放电。与正常形貌接触线相比，有麻点时的放电强度更大。故麻点接触线的累计电弧能量高于正常形貌接触线。

2.3 不同形貌接触线对滑板磨耗量的影响

图5所示为不同形貌接触线下浸金属碳滑板在速度为60 km/h、法向力为30 N的工况下磨损量随电流的变化曲线。可以看出，3种接触线形貌下浸金属碳滑板的磨损量均随电流的增大而增大。从已有的研究[14-15]来看，浸金属碳滑板的磨损主要是由电弧烧蚀和机械磨损引起的，并且电弧烧蚀占主导作用。这是因为随着电流的增大，离线产生的电弧会更加强烈，滑板表面的烧蚀现象更为严重，滑板磨损加剧。

从图5中还可以看出，在电流较低时，常规接触线下的滑板磨耗量略低于麻点接触线，在电流到达300 A时，它们的差距骤增。这是因为低电流时，麻点接触线上烧蚀坑的放电频率较低，而且接触副相对运动速度较快，电弧刚刚产生就被熄灭，因此两者差距较小。大电流时，麻点接触线烧蚀坑与滑板间的电场强度变大，任何细微的振动冲击都有可能导致电弧放电的产生，使滑板磨耗增大。斜切接触线下滑板的磨耗量始终高于常规接触线和麻点接触线，这是因为，斜切接触线与滑板的接触面积减小，并且无论是否存在冲击，接触线斜面与滑板始终处于离线状态，使得电弧频繁产生，并且电弧强度随电流的增加而增大，所以与斜切接触线组成摩擦副的滑板磨耗量始终高于其他2种。

图5 与不同形貌接触线对摩时滑板磨损量随电流的变化Fig.5 Variation of the wear amount of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

2.4 不同形貌接触线下浸金属碳滑板的温升

温度是衡量滑板磨损量的重要因素，摩擦副的热量由机械摩擦热、电弧热、焦耳热组成[16]，并且电弧热和焦耳热是热量产生的主要来源。图6给出了速度60 km/h、法向为30 N工况下不同形貌接触线下滑板温度与电流的关系。图6中，3种形貌接触线作用下的滑板温度均随电流的增加而升高，其中倾斜接触线作用下的滑板温度最高，麻点接触线次之，正常接触线作用下的滑板温度最低。

图6 与不同形貌接触线对摩时滑板温升随电流的变化Fig.6 Ariation of the temperature rise of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

载流条件下，由于机械磨损产生的热量很低，可忽略不计，故文中主要讨论电弧热和焦耳热。焦耳热的公式为

Q=I2·R·t

(4)

式中：Q为焦耳热；I为加载的电流；R为接触电阻；t为试验运行的总时间。

从相关的试验可以得出，试验中接触电阻的值很小，并且变化范围不大[17]。此外，文中滑动距离与滑动速度恒定，各工况下的试验运行总时间t相同。从公式(4)中可以看出，电流增大时，回路中的焦耳热会增加，产生的电弧能量也越大，加之滑板吸收电弧产生的能量，使得温度随电流的增大而升高。从公式(4)中还可以得到，在电流大小不变时，不同形貌接触线作用下产生的焦耳热近似相等，因此3种形貌接触线温升的差异主要是电弧热的不同。根据前面的分析可以知道，斜切接触线产生的电弧能量最大，对应的温升也最高，常规接触线产生的电弧能量最小，对应的温升也最小。

2.5 不同形貌接触线下滑板磨损形貌分析

图7显示了3种不同形貌接触线与浸金属碳滑板在电流200 A、法向力30 N、速度60 km/h条件下滑板磨损前后表面形貌。可以看出，由于受到电流作用，滑板表面均出现了烧蚀坑和麻点，并且接触线与滑板之间存在相对运动，在滑板表面出现了划痕。

从图7(b)可见，麻点接触线下滑板表面出现了肉眼可见的麻点，是因为接触线上麻点与滑板之间产生短弧放电形成的。

从图7(c)可见，斜切接触线下滑板表面出现了较大的烧蚀坑，这说明滑板与接触线之间遭受了严重的电弧烧蚀。

图7 浸金属碳滑板磨损前后表面形貌Fig.7 The surface topography of metal-impregnated carbon strip before and after wear：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

图8显示了3种不同形貌接触线作用下浸金属碳滑板在500倍扫描电镜下的微观形貌。滑板的表面呈现不同的状况，包括裂纹、烧蚀坑和熔融物等。图中白色区域导电性差，为电子堆积所形成[18]。常规形貌接触线作用下滑板有较多的熔融物和少许的剥落块，没有大裂纹和凹坑产生(见图8(a))。这说明在运行过程中，滑板主要发生了氧化磨损，并且伴随着轻微的磨粒磨损。

麻点接触线下滑板表面出现了裂纹和烧蚀坑，表面出现了很多磨屑，在烧蚀坑和裂纹附近伴随有剥落层的出现(见图8(b))。说明滑板受到了严重的电弧侵蚀，使得滑板的材料软化并从表面剥离出来，且遭受了比较严重的磨粒磨损。

斜切接触线作用下滑板形貌最为恶劣，其表面出现了巨大的裂纹和犁沟，在烧蚀区出现了很多白色点状的熔融物(见图8(c))。这是因为斜切接触线作用下的摩擦副在持续不断地放电，电弧产生的持续高温使滑板表面材料与空气发生反应形成大量氧化物。

图8 浸金属碳滑板磨损后表面形貌(I=200 A，Fn=30 N，v=60 km/h)Fig.8 The wear surface topography of carbon strip(I=200 A，Fn=30 N，v=60 km/h)：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

综上所述，在相同试验工况下，斜切接触线由于与滑板接触面积的减小和离线的存在是3种不同形貌接触线中与滑板匹配性能最差的，其对应的滑板磨损也最为严重。因此，在实际运营中应尽量控制弓网间离线产生的频率，同时在接触线磨损变形严重时应及时更换。

图9显示了磨损前后滑板能谱分析结果。可以看出，磨损后滑板表面铜元素含量增大，说明铜银合金接触线中的铜元素发生了材料转移。由已有的文献可知，电弧放电瞬间温度高达几千摄氏度[19]，会使得接触线表面材料软化并且在相对运动作用下发生黏着磨损，高温也会发生氧化反应，故磨损后滑板表面氧元素和铜元素含量会增加。

3 结论

(1)在相同工况下，常规接触线下的摩擦副的摩擦因数最小，磨损量也最低；斜切接触线下的摩擦因数最高，磨损量也最高；麻点接触线下的摩擦因数和磨损量位于3种形貌接触线之间。

(2) 常规接触线因其表面完好，与浸金属碳滑板接触时放电概率低，故该工况下的电弧能量最低。麻点接触线的麻点易造成摩擦副的短弧放电，电弧能量高于常规接触线。斜切接触线下的摩擦副由于一直存在离线，电弧在运行过程中长期存在，故电弧能量最高。

(3) 滑板的温升主要是由焦耳热和电弧热共同引起的，在相同工况下，焦耳热大致相等。不同接触线形貌下滑板温升的变化主要取决于电弧热，故滑板温升与电弧能量成正相关。浸金属碳滑板温升从低到高的配副依次是常规形貌、麻点形貌、斜切形貌接触线。

(4) 不同形貌接触线配副下浸金属碳滑板的微观形貌有较大差异，常规接触线下浸金属碳滑板表面有较多熔融物，基本无裂纹和凹坑，主要是氧化磨损。麻点接触线下浸金属碳滑板产生了裂纹和较多的剥落层，有磨屑出现，磨损形式主要是电弧烧蚀和磨粒磨损。斜切接触线下浸金属碳滑板有大的裂纹和很深的犁沟出现，烧蚀区域出现了大量白色点状熔融物，磨损形式主要是电弧烧蚀。