高速受電弓浸金屬碳滑板載流摩擦磨損機制研究*

張 欣 周 寧 支興帥 李建興 鄭 偉 張衛(wèi)華

(1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室 四川成都 610031；2.蜀道投資集團有限責任公司 四川成都 610094；3.成自鐵路有限責任公司 四川成都 610094)

作為高速列車重要的組成部分之一，受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)依靠滑板和接觸線持續(xù)穩(wěn)定的滑動接觸為電氣化列車的高速運行提供強大的牽引動力[1]。當列車高速運行時，強烈的電流從接觸線流向受電弓滑板，這就要求滑板具有較高的導(dǎo)電性能和耐磨性能。浸金屬碳滑板由于具有優(yōu)異的機械強度、導(dǎo)電性能和耐磨性被廣泛應(yīng)用到電氣化鐵路受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)中。隨著我國高速電氣化列車的普及以及發(fā)展更高速電氣化列車的需求，對受電弓滑板的導(dǎo)電性能以及耐磨性能提出了更高的需求。

目前國內(nèi)外針對受電弓滑板的磨損性能的研究大多是通過載流摩擦磨損試驗臺進行模擬實驗研究[2-9]。通過滑板的載流摩擦磨損試驗，可以得到電流、電壓、滑動速度、接觸壓力以及溫度和燃弧等與滑板磨損率之間的關(guān)系[10-16]。另外也有學(xué)者根據(jù) Lim-Ashby的磨損圖中的熔融磨損模型來預(yù)測滑板的磨耗[17-18]。但由于高速列車受電弓滑板均是運行在高電壓、大電流以及高滑動速度的環(huán)境下，很難通過試驗臺模擬出相應(yīng)的運行工況。本文作者通過對某高速列車浸金屬碳滑板進行實車跟蹤監(jiān)測分析，展現(xiàn)了高速受電弓滑板的實際運行條件，并對磨損后的滑板進行摩擦表面微觀分析，揭示其在一定行駛里程后滑板表面的磨損機制，為降低滑板磨耗延長滑板在高速運行工況下的使用壽命以及更高速受電弓滑板選型提供了依據(jù)。

1 運行工況監(jiān)測

1.1 監(jiān)測設(shè)備與原理

如圖1所示，文中運用光纖監(jiān)測裝置以及集成式多目監(jiān)測設(shè)備并結(jié)合高速列車車載WTD監(jiān)測裝置對受電弓滑板在運行過程中的接觸力、振動、燃弧、環(huán)境溫度以及接觸網(wǎng)幾何參數(shù)(相對導(dǎo)高值、相對拉出值)、滑動速度、電流以及電壓等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測記錄。

圖1 高速受電弓運行狀態(tài)監(jiān)測

試驗采用帶溫度補償?shù)腇SSR5025型光纖應(yīng)變傳感器(測量誤差小于1%，質(zhì)量約10 g，尺寸為20 mm×5 mm×1 mm)，采集受電弓運行過程中碳滑板的應(yīng)變數(shù)據(jù)；采用基于光學(xué)MEMS技術(shù)的三軸加速度計(量程為±100g，頻響最高可達2 kHz，分辨率為0.01g)，采集受電弓運行中的弓頭加速度數(shù)據(jù)；采用高速雙目視覺攝像機(采樣頻率50 Hz)，采集弓網(wǎng)幾何參數(shù)(相對導(dǎo)高值、相對拉出值)；采用燃弧探測器(響應(yīng)靈敏度12.5 μW/cm2/5 m距離，響應(yīng)時間≤100 μs，采集頻率200 Hz～10 kHz)，采集運行過程中產(chǎn)生的燃弧數(shù)據(jù)(燃弧次數(shù)、燃弧強度、燃弧持續(xù)時間)。

受電弓運行時的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力,可通過滑板兩側(cè)應(yīng)變以及加速度數(shù)據(jù)計算得出[19]，見式(1)。

(1)

式中：F為弓網(wǎng)接觸力；Fw為滑板所受合外力；k為氣動力系數(shù)(按照經(jīng)驗公式取k=0.000 98)；v為車速；m為受電弓弓頭等效質(zhì)量；n為加速度傳感器個數(shù)；ai為第i個加速度傳感器所測加速度值。

通過上述設(shè)備以及測試系統(tǒng)實現(xiàn)對某8編組高速列車受電弓(運行最高速為300 km/h)浸金屬滑板在整個壽周期內(nèi)的運行狀態(tài)監(jiān)測。

1.2 受電弓運行工況

通過高速列車WTD記錄數(shù)據(jù)實現(xiàn)對列車行駛速度、受流電壓、電流的監(jiān)測。圖2所示為列車在某區(qū)間段行駛時的車速、電壓、電流情況?？梢钥闯?，高速列車受電弓滑板工作時受流電壓為27.5 kV左右，電流為0～500 A，滑動速度最高為300 km/h(試驗列車運行線路最高運行速度為300 km/h)；另外電壓以及電流在過分相(約每隔25 km)時會產(chǎn)生突降。

圖2 高速列車在某區(qū)間內(nèi)的行駛速度、受流電壓和電流

圖3和圖4展示的分別是所監(jiān)測受電弓在某區(qū)間內(nèi)接觸力變化曲線以及接觸力隨車速變化曲線。根據(jù)對該區(qū)間段的接觸力的統(tǒng)計，如圖5所示，車速在100 km/h時接觸力平均值為80.68 N，標準差為5.3 N,接觸力最大值達到95.11 N，接觸力最小值達到69.96 N；車速在200 km/h時接觸力平均值為110.67 N，標準差為14.31 N,接觸力最大值達到147.16 N，接觸力最小值達到55.67 N；車速在300 km/h時接觸力平均值為163.98 N，標準差為26.21 N,接觸力最大值達到297.86 N,接觸力最小值達到79.12 N。由此可見，隨著列車運行速度的提升，弓網(wǎng)接觸力的平均值在逐步增大，接觸力的波動也更劇烈，因而高速滑動接觸運行滑板的磨損也更嚴重。

圖3 某區(qū)間內(nèi)弓網(wǎng)接觸力以及車速變化曲線

圖4 某區(qū)間內(nèi)接觸力隨車速變化曲線

目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)均采用帶有拉出值的接觸網(wǎng)布置，以使得受電弓滑板磨損得更加均勻,避免滑板表面產(chǎn)生單點持續(xù)磨損。文中通過對雙目視覺攝像機所采集的弓網(wǎng)運行視頻處理得到列車運行線路的拉出值分布情況，并將拉出值分布按照8 mm一個區(qū)間劃分為100個小區(qū)間，如圖6所示。

圖6 運行線路總體拉出值分布

受電弓滑板的磨耗型面與拉出值的分布密切相關(guān)，一般拉出值分布概率大的區(qū)間在滑動相同距離后滑板對應(yīng)區(qū)間的磨耗深度也更深。圖7所示為磨耗后滑板各個區(qū)間的磨損深度，由此可見滑板的磨耗型面和線路拉出值分布基本一致。

圖7 浸金屬碳滑板各個區(qū)間內(nèi)的磨耗深度

為保證行車安全，文中線路試驗所跟蹤受電弓滑板的最大磨耗深度僅為5.16 mm，實際受電弓滑動運行21 775 km。圖8所示為磨耗后受電弓滑板表面照片?？芍?，磨耗后的滑板表面有很多肉眼可見的劃痕，但很少有犁溝的存在。

圖8 磨損后受電弓滑板表面照片

2 磨損表面試驗分析

試驗完成后，采用掃描電子顯微鏡(SEM,JOEL JSM-6610LV)對滑板表面的磨痕形貌進行分析，結(jié)合SEM配置的電子能譜(EDX)對磨損表面進行成分分析，并采用三維光學(xué)顯微鏡(Bruker，Contour GT-I)進行磨損區(qū)域的三維輪廓分析。

如圖7和圖8所示，由于接觸線拉出值的存在，滑板左右表面的磨損特性是類似的，因而文中選取滑板一側(cè)表面和滑板正中間的區(qū)域進行表面分析。

2.1 滑板表面形貌分析

選取浸金屬碳滑板表面多個特征區(qū)域,采用掃描電子顯微鏡對其表面微觀形貌進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9中(a)—(d)為滑板左側(cè)表面區(qū)域的SEM照片，(e)—(f)為滑板中間光亮區(qū)域的SEM照片。圖9(a)所示為燃弧區(qū)域，中間有明顯的燃弧灼燒留下的表面熔融痕跡。圖9(b)所示為表面微裂紋，裂紋整體長度為800 μm且并未擴展過深，部分深度較淺的區(qū)域漸漸轉(zhuǎn)化為黏著坑，有被進一步磨損的趨勢。圖9(c)中滑板表面出現(xiàn)一條犁溝，犁溝的寬度僅約15 μm且同樣深度較淺，這說明滑板表面確實存在一定程度的磨粒磨損，但在磨損后的滑板表面上僅觀察到少量的磨粒磨損痕跡，因而磨粒磨損并非高速受電弓浸金屬碳滑板的主要磨損機制。圖9(d)所示滑板表面分布著最多的微觀形貌特征，表面黏著坑分布較為廣泛，因而基于微觀表面的典型特征，文中初步認為黏著磨損是高速受電弓滑板表面的主要磨損機制。圖9(e)和圖9(f)所示是滑板中間特別光亮的磨損區(qū)域，通過SEM照片可以看出，異常光亮的原因主要為該區(qū)域表面被大量的碳層覆蓋。

圖9 滑板左側(cè)表面區(qū)域((a)-(d))及滑板中間光亮區(qū)域((e)-(f))的SEM照片

2.2 滑板表面化學(xué)成分分析

圖10示出了滑板掃面電鏡照片以及對應(yīng)位置的EDX圖譜和主要元素的原子分數(shù)。在圖10(a)中，采樣點位于滑板中間光亮的碳晶層處，該處C元素原子分數(shù)達到82.13%，說明C是滑板中間光亮區(qū)域的主要成分；O元素原子分數(shù)為16.87%，O元素的原子占比較高說明該區(qū)域發(fā)生了一定的氧化反應(yīng)；Cu元素原子分數(shù)為0.3%，其余元素原子分數(shù)均小于0.3%。在圖10(b)中，采樣點位于滑板黏著坑處，該處C元素原子分數(shù)達到75.26%，O元素原子分數(shù)為20.59%，Cu元素原子分數(shù)為1.43%。在圖10(c)中，采樣點位于滑板表面裂縫處，該處C元素依然占據(jù)主要地位，原子分數(shù)為77.11%；而O元素原子分數(shù)為8.46%，說明由于空氣中氧元素的存在確實會引起氧化反應(yīng)而在滑板表面檢測到O元素的存在，但由于裂縫處未與接觸線發(fā)生實際接觸且該檢測位置不存在燃弧的痕跡，該處發(fā)生氧化反應(yīng)的概率較小，因而氧元素原子分數(shù)低于前2個測點；其次由于該種滑板為浸銅碳滑板，銅元素是以銅顆粒的形式存在于滑板中，該測點銅元素的原子分數(shù)較高(達到12.5%)，可能是由于該處銅顆粒較為集中所致。

圖10 滑板表面電鏡照片以及對應(yīng)位置EDX圖譜和元素原子分數(shù)

2.3 滑板表面三維輪廓分析

為進一步直觀地表征碳滑板表面的磨損程度，研究了碳滑板表面磨痕的三維輪廓，結(jié)果如圖11所示。可以觀察出高速滑動磨損后的滑板表面存在較多的黏著坑，這也從另一方面說明高速受電弓浸金屬碳滑板的主要磨損機制為黏著磨損。根據(jù)對滑板表面粗糙度的測量，表面磨痕輪廓的算術(shù)平均高度分別為3.69、2.961、3.09 μm，由此可見磨損后的滑板表面較為光滑，這說明滑板表面由碳材料作為主要物質(zhì)的潤滑膜對滑板起到一定的潤滑作用。

圖11 滑板磨損表面的三維輪廓

3 結(jié)論

(1)高速受電弓浸金屬碳滑板表面有大量劃痕，但僅有很少一部分滑板表面存在細小的犁溝;通過對滑板磨損表面的SEM照片、EDX表面分析以及三維輪廓分析可以發(fā)現(xiàn),高速受電弓浸金屬碳滑板的磨損表面存在大量的黏著坑以及部分犁溝和熔融坑，因而可以判斷黏著磨損是高速受電弓浸金屬碳滑板的主要磨損機制。

(2)高速受電弓浸金屬碳滑板最中間部分形成一層烏黑光亮的穩(wěn)定碳晶層，這可能是由于滑板在進出站以及車輛段滑動時接觸網(wǎng)未設(shè)置拉出，造成滑板中間磨耗較其他區(qū)域明顯異常。

(3)根據(jù)磨耗后滑板表面成分分析可以得出滑板表面氧元素含量占比較高，說明滑板表面發(fā)生了一定的氧化還原反應(yīng)。