胡 艷，黃盼盼，馬 然

（江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

受電弓是列車受流的關(guān)鍵部件，列車通過受電弓滑板與架空接觸網(wǎng)間的滑動(dòng)電接觸處傳輸電能。隨著列車速度的不斷提高，受電弓承受的氣動(dòng)抬升力不斷增加，弓網(wǎng)間的振動(dòng)沖擊加劇，受電弓滑板的工作環(huán)境變得愈發(fā)苛刻[1-5]。

純碳滑板具有良好的電氣特性、優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能和滅弧作用，在我國(guó)高速鐵路受電弓上應(yīng)用廣泛。鑒于線路實(shí)測(cè)存在試驗(yàn)組織、報(bào)批、運(yùn)行管理等諸多困難，目前有關(guān)弓網(wǎng)載流摩擦磨損的研究基本均在載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[6-10]。通過開展受電弓滑板/接觸線的載流摩擦磨損試驗(yàn)，可獲取摩擦系數(shù)、磨損率、載流效率等諸多參數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)合磨損表面的微觀形貌分析、EDS 分析等手段，有助于揭示受電弓滑板磨損機(jī)理，為研制新型受電弓滑板材料提供有益借鑒[11-13]。

本文以我國(guó)高速鐵路普遍采用的純碳滑板受電弓為研究對(duì)象，利用環(huán)-塊式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究列車速度在160～350 km/h 區(qū)間時(shí)，速度變化對(duì)受電弓滑板摩擦磨損性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)見圖1。轉(zhuǎn)盤直徑為1 100 mm，變頻電機(jī)在變頻器的控制下使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在0～2 100 r/min內(nèi)連續(xù)可調(diào)，用以模擬弓網(wǎng)間相對(duì)滑動(dòng)速度；轉(zhuǎn)盤與碳滑板間法相接觸力在10～300 N 范圍連續(xù)可調(diào)，用以模擬弓網(wǎng)間法相接觸力；碳滑板座拉出值在0～60 mm、頻率在0.3～3.0 Hz 間連續(xù)可調(diào)，用以模擬架空接觸線的“之”字形分布。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)見圖2。電流互感器采用HS05-500、0.1A-C，電壓傳感器采用LV25-P，相關(guān)信號(hào)通過TopView 信號(hào)采集器采集，采樣頻率為1 000 Hz。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

轉(zhuǎn)盤上鑲嵌Cu-Ag 合金接觸線；滑板座內(nèi)鑲嵌碳滑板，碳滑板取自高鐵受電弓并切割為 120 mm×34 mm×25 mm 的立方體（見圖3）。接觸線與受電弓滑板均為我國(guó)高速鐵路正使用的材料。

圖3 受電弓碳滑塊

接觸線與碳滑板間通過的靜態(tài)電流為250 A，接觸壓力為70 N，碳滑板拉出值60 mm、頻率1 Hz。相對(duì)滑動(dòng)速度分別為160、200、250、300、350 km/h 進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同速度下磨損率、載流效率多參數(shù)的變化規(guī)律。借助光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）對(duì)碳滑板磨損表面的微觀形貌進(jìn)行分析。利用能譜分析儀分析磨損表面元素成分組成。每個(gè)工況前均使用600#砂紙對(duì)接觸線和碳滑板表面進(jìn)行打磨，并低速運(yùn)行一段時(shí)間（預(yù)磨），待碳滑板與接觸線接觸良好后再按工況設(shè)定的速度運(yùn)行，正式試驗(yàn)時(shí)碳滑板相對(duì)于接觸線行進(jìn)的里程為100 km。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種工況均運(yùn)行3 次，取3 次測(cè)量結(jié)果的平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 磨損率計(jì)算

測(cè)量試驗(yàn)前后碳滑板的質(zhì)量，并根據(jù)下式表征碳滑板的磨損率：

式中:ws為磨損率（mg/km），m1為磨損前的質(zhì)量（mg），m2為磨損后的質(zhì)量（mg），S為相對(duì)滑動(dòng)距離（km）。

2.2 電弧放電能量計(jì)算

接觸線和碳滑塊之間存在接觸電阻，電流流經(jīng)該接觸電阻將產(chǎn)生一個(gè)小的電壓降。本實(shí)驗(yàn)中接觸良好時(shí)的電壓降為0.965 V（最小動(dòng)態(tài)起弧電壓）。當(dāng)電壓降超過0.965 V 時(shí)即認(rèn)為出現(xiàn)了電弧放電現(xiàn)象。單位距離內(nèi)電弧放電能力用下式表征：

式中：E為單位時(shí)間的電弧能量，U為滑板與接觸線之間的實(shí)測(cè)電壓與最小動(dòng)態(tài)起弧電壓的差值，I為流經(jīng)滑板與接觸線摩擦副的電流，T為試驗(yàn)總時(shí)間。

2.3 載流效率計(jì)算

載流效率是表征弓網(wǎng)摩擦副動(dòng)態(tài)受流能力的重要指標(biāo)，載流效率越高，弓網(wǎng)摩擦副的受流能力越好。計(jì)算公式如下：

式中：η為載流效率，為動(dòng)態(tài)載流平均值，Is為靜態(tài)給定的電流值。

3 結(jié)果與討論

3.1 速度對(duì)各參數(shù)的影響

圖4(a)(b)(c)分別為碳滑板磨損率、電弧放電能量和載流效率隨弓網(wǎng)相對(duì)滑動(dòng)速度變化的曲線。由圖4(a)可知，無論是純機(jī)械磨損（I=0 A），還是載流磨損（I=250 A），碳滑塊的磨損率均隨其滑動(dòng)速度的增加而增大，且相對(duì)于純機(jī)械摩擦副，電流引入后碳滑板的磨損率明顯增加。這主要是由于電流引入后，引起受電弓滑板磨損的因素增加了電氣磨損，故同樣工況下碳滑塊在載流條件下的磨損率大于純機(jī)械磨損條件下的磨損率。此外，對(duì)比圖 4(a)中曲線的斜率可知，載流條件下碳滑板磨損率增長(zhǎng)的幅度明顯大于純機(jī)械磨損。這可能是由于載流情況下導(dǎo)致碳滑板溫升的熱源增加，除純機(jī)械磨損時(shí)的摩擦熱外，增加了焦耳熱和電弧熱的影響，碳滑板溫度升高，尤其是電弧放電現(xiàn)象將改變滑板表面的理化性質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致磨損率變化幅度明顯加劇。由圖 4(b)和(c)可知，弓網(wǎng)間的電弧放電能量隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增加而增加，載流效率隨相對(duì)滑動(dòng)速度的增加而減小。這主要是由于隨著列車速度的增加，弓網(wǎng)間的振動(dòng)沖擊加劇，弓網(wǎng)離線現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次增加，電弧放電頻次增加又進(jìn)一步加劇碳滑板表面的燒蝕，使弓網(wǎng)間接觸狀況進(jìn)一步惡化。

圖4 相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)載流摩擦磨損性能的影響

3.2 磨損形貌

限于篇幅，圖5 僅給出了相對(duì)滑動(dòng)速度為 160、200 和300 km/h 碳滑板的磨損形貌。碳滑板/接觸線配副相對(duì)滑動(dòng)速度為160 km/h 時(shí)，碳滑板表面沒有裂紋出現(xiàn)；當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到200 km/h 時(shí)，碳滑板表面出現(xiàn)裂紋并伴有電弧燒蝕現(xiàn)象；當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到300 km/h 后，碳滑板表面的熱裂紋、燒蝕區(qū)域和燒蝕程度明顯增多，滑板表面出現(xiàn)塊狀磨屑。這是由于隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加弓網(wǎng)間電弧放電頻次增多，進(jìn)而導(dǎo)致碳滑板燒蝕程度、燒蝕區(qū)域隨相對(duì)滑動(dòng)速度遞增。這也印證了前述的電弧放電能量隨列車速度的增加而增大的結(jié)論。同時(shí)，隨著速度的增加，接觸線與碳滑板間振動(dòng)沖擊加劇，加速了裂紋的萌生與擴(kuò)展，最終形成塊狀剝落加劇滑板的磨損。碳滑板磨損表面磨屑急劇增多也進(jìn)一步印證了圖 4(a)中載流條件下滑動(dòng)速度超過300 km/h 時(shí)滑板磨損率增幅加劇這一現(xiàn)象。

圖5 碳滑板磨損形貌

圖6 為碳滑板磨損前后的能譜分析（EDS）圖。由圖可知，碳滑板磨損前其表面沒有出現(xiàn) Cu 元素，碳滑板磨損后其表面出現(xiàn)了Cu 元素，說明Cu-Ag 合金接觸線中 Cu 元素發(fā)生了轉(zhuǎn)移。這是由于銅的熔點(diǎn)為 1 083 ℃（Cu-Ag 合金接觸線的熔點(diǎn)低于銅的熔點(diǎn)），而電弧放電的瞬間溫度可達(dá)幾千攝氏度，電弧放電將使接觸線局部軟化，在碳滑塊犁削的作用下將發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，故在碳滑板表面檢測(cè)到Cu 元素。

圖6 EDS 分析圖

4 結(jié)論

（1）碳滑板的磨損率、弓網(wǎng)間電弧放電能量均隨列車速度的增加而增加，且相對(duì)滑動(dòng)速度超過300 km/h后滑板的磨損率顯著增加；碳滑板/接觸線摩擦副的載流效率隨著列車速度的增大而減小。

（2）隨著列車速度（也即碳滑板相對(duì)滑動(dòng)速度）的增加，碳滑板磨損表面的燒蝕程度逐漸增大，熱裂紋在相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到200 km/h 時(shí)開始出現(xiàn)，且隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，裂紋的寬度、深度增大，磨屑增多。

（3）弓網(wǎng)相對(duì)滑動(dòng)過程中接觸線上少量 Cu 材料轉(zhuǎn)移到了碳滑板磨損表面。