滑動電接觸表面微觀形貌影響因素分析

李俁辰，王智勇，郭鳳儀，韓聰信

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

0 引言

電氣化鐵路中，弓網(wǎng)接觸的關(guān)系是列車安全、高效運行的關(guān)鍵，其中接觸表面的接觸狀態(tài)是衡量接觸性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.在實際接觸中，由于接觸表面粗糙不平，即使在較大的接觸壓力下，接觸內(nèi)表面也只有極少數(shù)的點（小面）發(fā)生真正的接觸.當(dāng)粗糙表面通過不同的電流時，由于所受到的接觸壓力、滑動速度和運行時間不同，粗糙表面的變化有所不同，因此，對滑動電接觸粗糙表面的研究具有非常重要的理論與工程應(yīng)用意義.

目前國內(nèi)外對滑動電接觸表面的微觀研究取得一些成果.文獻(xiàn)[1]研究了電極顯微結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)隨著峰值電流和傳遞電荷量的增大，電極燒蝕范圍逐漸增大，燒蝕坑面積和深度增大，表面熔融化、熔融液滴鋪展和表面微突起現(xiàn)象越顯著.文獻(xiàn)[2]對W-Ni-Fe和W-Cu電極分別在100 kA級脈沖電流下測試了10 000次，發(fā)現(xiàn)W-Ni-Fe電極表面粗糙度增加到了3 μm，而W-Cu電極表面粗糙度也出現(xiàn)了不同程度地增加.文獻(xiàn)[3]通過能譜儀結(jié)合顯微圖像分析了不同燒蝕特征的元素分布情況.文獻(xiàn)[4]運用掃描電子顯微鏡，分析了銅鎢合金燒蝕形貌對應(yīng)的元素組分，發(fā)現(xiàn)電極表面明亮區(qū)域為凸起，主要成分是鎢；灰暗區(qū)域為析出的鎢沒有覆蓋的區(qū)域，主要成分為銅.文獻(xiàn)[5]研究表明，在高速和大電流情況下電極材料會影響摩擦副的電性能，并且適當(dāng)?shù)膲毫τ欣诟倪M(jìn)電接觸性能.文獻(xiàn)[6]分析了粗糙工程表面的典型實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在納米和微米尺度上粗糙表面的高度分布不符合高斯分布.目前對滑動電接觸微觀表面研究主要集中在單獨的接觸電流、接觸壓力等因素對表面粗糙度的影響，而鮮有文獻(xiàn)結(jié)合多條件共同對滑動電接觸表面特征進(jìn)行分析和研究.

近年來課題組一直從事弓網(wǎng)滑動電接觸的研究工作[7-10]，已獲得比較深入的研究成果.在此基礎(chǔ)之上，本文利用自制滑動電接觸實驗機開展載流摩擦實驗，研究不同的接觸壓力、接觸電流、滑動速度和運行時間對摩擦副表面粗糙度的影響，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了理論分析.

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)見圖1.高性能滑動電接觸實驗機真實地模擬了弓網(wǎng)系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線和滑板之間的“之”字形運動形式，同時可以實現(xiàn)對整個滑動電接觸過程中多種實驗參數(shù)的實時檢測.該實驗機可以使接觸導(dǎo)線和滑板之間的滑動速度在 0～283 km/h可調(diào)、最大加載電流最大可達(dá)800 A[7].

圖1 高性能滑動電接觸實驗機Fig.1 high-performance sliding electrical contact testing machine

1.2 實驗方案與器材

利用自制的滑動電接觸實驗機，在保證其他條件不變時，分別在接觸電流100～200 A、接觸壓力60～80 N、運行時間10～30 min、滑動速度70～110 km/h的條件下進(jìn)行載流實驗.

實驗材料為浸金屬碳滑板和純銅導(dǎo)線.在室溫20 ℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時浸金屬碳滑板.滑板物理參數(shù)見表1，化學(xué)成分參數(shù)見表2.實驗使用JD520型粗糙度儀與4XC-TV型金相顯微鏡觀測微觀形貌.

表1 滑板物理性能參數(shù)Tab.1 physical performance parameters of slide

表2 滑板材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 chemical composition of slide material

2 典型測量與粗糙參數(shù)定義

2.1 典型測量結(jié)果

圖2為實驗中所用滑板粗糙度原始輪廓曲線.

圖2 原始輪廓Fig.2 original contour

圖3為磨損前、磨損后滑板的顯微圖片.由圖3可以看出，磨損后滑板表面的磨痕更多、更密，出現(xiàn)了大塊的、不規(guī)則的斑塊，表面形貌發(fā)生了明顯的變化.

圖3 滑板在400倍下磨損前后的顯微圖片F(xiàn)ig.3 micrographs of the skateboard before and after wear

2.2 粗糙表面參數(shù)定義

微觀形貌觀測能夠直觀地反映許多信息.一般地，表面輪廓曲線被用來描述表面的粗糙程度，得到一些統(tǒng)計意義上的平均值，包括輪廓算術(shù)平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz和均方根粗糙度Rq，Ra、Rz和Rq分別按式（1）～式（3）計算.

將表面輪廓曲線中高度大于等于2 μm的點稱為峰值點，小于等于-2 μm的點為低谷點.峰值點個數(shù)占總點數(shù)的百分比為Xf，低谷點個數(shù)占總點數(shù)的百分比為Xd.Xf和Xd分別按式（4）和式（5）計算.

式（1）～式（5）中，Ra為輪廓算術(shù)平均偏差，μm；l為取樣長度，mm；yi為輪廓最大高度；Rz為輪廓最大高度，μm；Zpi為輪廓最大高度正值，μm；Zvi為輪廓最大高度負(fù)值，μm；Rq為均方根粗糙度，μm；zn為輪廓最大高度或最小高度，μm；n為取樣長度內(nèi)輪廓最大或最小高度的總點數(shù)；f為峰值點數(shù)的平均值；s為總點數(shù)；d為低谷點數(shù)的平均值.

3 實驗結(jié)果及理論分析

3.1 不同運行時間的實驗結(jié)果與分析

接觸壓力70 N、滑動速度70 km/h、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數(shù)Ra、Rz和Rq隨運行時間的變化趨勢見圖4.

圖4 粗糙表面高度與運行時間的關(guān)系Fig.4 relation between rough surface height and running time

由圖4可知，隨著運行時間的增長，Ra、Rz和Rq為增加趨勢.當(dāng)接觸時間10～20 min時，Rz明顯增加而后緩慢增加，Ra則表現(xiàn)為緩慢增加趨勢，Rq在運行10 min后也明顯增加，到達(dá)20 min后開始增加緩慢.這是因為，開始運行時，由于時間過短，滑板與接觸導(dǎo)線尚未磨合所以粗糙度變化比較明顯，隨著運行時間的增加，當(dāng)經(jīng)過磨合期以后，粗糙度變化逐漸穩(wěn)定.

由表3可見，隨著運行時間不斷增加，Xf的占比也呈現(xiàn)增加趨勢，并且在運行10 min后增加的幅度明顯.Xd變化情況與Xf變化一致，都為增加趨勢.造成這種大幅度增加的原因是，隨著運行時間的增加，滑板表面磨損的部分在相對較高的溫度和空氣動力等原因下，磨損掉的粉塵又重新附著在滑板表面并形成不規(guī)則的斑塊，進(jìn)而導(dǎo)致滑板粗糙度增加.

表3 Xf和Xd與運行時間的關(guān)系Tab.3 relationship between Xf , Xd and running time

3.2 不同接觸電流的實驗結(jié)果與分析

接觸壓力70 N、滑動速度70 km/h、運行時間10 min條件下，粗糙度參數(shù)Ra、Rz和Rq隨接觸電流的變化趨勢見圖5.由圖5可知，電流從100 A增加到150 A過程中，Rz明顯下降，而增加到200 A時，Rz又略微增加，Ra變化趨勢與Rz一致，都為先減小后增加，但變化幅度不大.電流從100 A增加到150 A過程中，Rq呈現(xiàn)明顯減小趨勢，增加到200 A時又有微小增加.

圖5 粗糙表面高度與接觸電流的關(guān)系Fig.5 relation between rough surface height and contact current

由表4可見，隨著接觸電流的不斷增加到150 A時，Xf出現(xiàn)大幅度的減少，相比較而言，Xd的變化比較緩慢并且呈現(xiàn)減少趨勢.由于電流的介入，產(chǎn)生的電弧熱和電阻熱使接觸表面溫度升高，摩擦副的抗塑變能力減弱，微凸峰之間的相互阻礙作用減小，接觸點的剪切抗力降低，接觸面積增大，使摩擦表面接觸更加緊密.這是因為隨著接觸電流增加，溫度升高，大電流會使接觸表面的軟化加劇，局部較大的電流密度足以摧毀氧化物和磨損碎屑層，使磨損加劇、接觸表面惡化嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致表面更加粗糙[8].從Xf和Xd變化的幅度看出，隨著接觸電流的增加，滑板表面的磨損變的逐漸均勻.

表4 Xf和Xd與接觸電流的關(guān)系Tab.4 relationship between Xf and Xd and contact current

3.3 不同滑動速度的實驗結(jié)果與分析

接觸壓力70 N、運行時間10 min、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數(shù)Ra、Rz和Rq隨滑動速度的變化趨勢見圖6.由圖6可知，當(dāng)滑動速度逐漸增加時，Rz也逐漸增加.當(dāng)滑動速度增加到 110 km/h時，Rz變化幅度有略微增加，Ra變化趨勢與Rz相同，但變化幅度較小.

圖6 粗糙表面高度與滑動速度的關(guān)系Fig.6 relation between rough surface height and sliding speed

由表5可見，在滑動速度的影響下，Xf和Xd變化均不明顯，并且Xf的數(shù)值很小，進(jìn)而判斷出磨損比較均勻.隨著滑動速度的增加，影響滑板粗糙表面的因素主要反映在以下方面：一是高速運行時離線次數(shù)有所增加；二是高速運行增加了滑板接觸面因滑動摩擦產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致滑板表面溫度有所上升，引起滑板表面狀況惡化.在相同的接觸壓力、接觸電流和運行時間條件下，滑動速度較低時，滑板所受的慣性力較小，實際接觸壓力變化不大，接觸斑點的數(shù)目和形貌變化較小，而滑動速度增加到110 km/h時，由于高速轉(zhuǎn)動，慣性力和空氣動力明顯增加，導(dǎo)致容易形成電弧.因此增加了滑板的磨損，使滑板表面的粗糙度增加.

表5 Xf和Xd與滑動速度的關(guān)系Tab.5 relationship between Xf and Xd and sliding speed

3.4 不同接觸壓力的實驗結(jié)果與分析

運行時間10 min、滑動速度70 km/h、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數(shù)Ra、Rz和Rq隨接觸壓力的變化趨勢見圖7.由圖7可知，當(dāng)接觸壓力逐漸增加時，Rz逐漸降低，Ra變化趨勢與Rz相同，但變化幅度更小，Rq雖然成減小趨勢但是減小的幅度由于過小，可以認(rèn)為基本不變.

圖7 粗糙表面高度與接觸壓力的關(guān)系Fig.7 relationship between rough surface height and contact pressure

從表6可見，接觸壓力為60 N時，Xf為0，當(dāng)接觸壓力逐漸變大時Xf出現(xiàn)，但數(shù)值非常小.相反，Xd的數(shù)值卻隨著接觸壓力的增加而減小.這是由于隨著接觸壓力的增加，導(dǎo)線和滑板離線現(xiàn)象減少.滑板的機械磨損隨著接觸壓力的增加而增加.滑板離線瞬間產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象，電弧侵蝕也會使滑板表面變形、變質(zhì)而增大機械磨損量.另外，隨著接觸壓力的增加，發(fā)生塑性形變的斑點增多，總的實際接觸面積擴大，兩接觸表面未接觸部分逐步互相靠近.隨著滑板和導(dǎo)線接觸的更加緊密，表面粗糙度下降.

表6 Xf和Xd與接觸壓力的關(guān)系Tab.6 relationship between Xf and Xd and contact pressure

4 結(jié)論

（1）開展了滑動電接觸載流實驗，研究了弓網(wǎng)摩擦副表面粗糙度隨接觸壓力、接觸電流、運行時間和滑動速度等因素的變化規(guī)律.

（2）從粗糙度參數(shù)特性看，運行時間越長、滑動速度越快，摩擦副表面粗糙度值越大；增大接觸電流，則摩擦副表面粗糙度值先減小后略微增加；接觸壓力越大，摩擦副表面粗糙度值越小.

（3）運行時間越長，接觸壓力越大，摩擦副表面磨損越不均勻，差異較大；接觸電流越大，滑動速度越大，摩擦副表面越均勻，差異較小.