黃之元 陳光雄 夏晨光
(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031)
弓網(wǎng)系統(tǒng)是軌道交通中重要的電力牽引系統(tǒng),而受電弓與接觸線則是組成地鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)的重要部件。受電弓與接觸線的磨損直接決定了弓網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)成本,也成為影響軌道交通發(fā)展的重要因素[1-2]。
在實際工況中,組裝式碳滑板通常會因為振動等原因而在拼接處產(chǎn)生接縫縫隙,兩塊滑板間也有可能會產(chǎn)生錯位,形成一高一低的高度差。國內(nèi)外學(xué)者針對接觸副間法向力、速度、溫度、電場等因素均進(jìn)行過弓網(wǎng)系統(tǒng)磨損的研究[3-7],但是目前的研究基本集中于一體式碳滑板,也很少針對接觸線的犁削磨損進(jìn)行研究。本文作者通過試驗研究現(xiàn)有地鐵系統(tǒng)中組裝式浸金屬碳滑板接縫對接觸線犁削磨損的影響,分析接觸線犁削磨損現(xiàn)象的根本原因,為地鐵剛性接觸網(wǎng)滑板選型提供理論基礎(chǔ)。
試驗在高速載流摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行,試驗機(jī)包括載流摩擦磨損試驗主機(jī)、直流恒流電源、控制臺以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。試驗主機(jī)由底座、轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動電機(jī)、伺服電機(jī)、夾具等組成,見圖1。
圖1 載流摩擦磨損試驗機(jī)和接觸副
試驗機(jī)轉(zhuǎn)盤直徑為1 100 mm,銅銀合金接觸線鑲嵌在轉(zhuǎn)盤圓周中的卡槽內(nèi)。碳滑板通過夾具固定,并通過彈簧與伺服電動缸連接。伺服電機(jī)和滑板夾具以及傳感器組合成的模塊在恒轉(zhuǎn)矩變頻電機(jī)帶動下,實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)盤的上下往復(fù)運動(±55 mm),來模擬實際工況下的拉出值,頻率范圍為0.3~3.0 Hz。試驗臺能夠模擬20~400 km/h范圍內(nèi)的弓網(wǎng)滑動速度。直流試驗電源分為兩組:高壓750~1 500 V時,直流輸出電流I≤100 A;低壓0~180 V時,直流輸出電流I≤700 A。
試驗材料為浸金屬碳滑板以及銅銀合金接觸線?;逯秀~的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%~54%,錫及其他金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%,剩余為碳?;褰涌p設(shè)計為斜向處于中央,高度差設(shè)計為上低下高。兩塊碳滑板拼接起來總長為120 mm,單塊寬33 mm,高23 mm,接縫傾斜角度22.5°。接觸線銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%左右,銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08%~0.12%。試驗材料均取自于地鐵實際工況下正在使用的受電弓滑板與接觸線,圖2為滑板實物裝夾圖。
圖2 滑板裝夾實物
表1 接縫間隙因素組試驗參數(shù)
表2 高度差因素組試驗參數(shù)
首先針對接縫間隙試驗組試驗結(jié)果進(jìn)行分析。在電流I=0、法向力F=20 N、速度v=60 km/h、接縫寬度h1=0.5 mm、高度差h2=0不載流試驗結(jié)束后,通過觀察發(fā)現(xiàn)接觸線出現(xiàn)了如圖3所示的兩處劃傷情況。不載流試驗沒有電氣損耗,只有機(jī)械損耗?;鍖ΨQ拼接,接縫位于中心,滑板接縫縫隙使得碳滑板接縫邊緣與接觸線發(fā)生剮蹭,從而刮傷了接觸線,且劃痕均位于接觸線中心。刮痕較淺,沒有在接觸線上留下較深的溝槽,也沒有拉絲現(xiàn)象。
圖3 接觸線劃痕
此后在接觸線上,包含劃痕位置在內(nèi),設(shè)立了多處觀察點。每組試驗之后均觀察接觸線劃痕的變化以及是否產(chǎn)生新的劃痕。接下來的試驗中產(chǎn)生了新的接觸線劃痕,總長度約550 mm,占接觸線周長的1/2,但是劃痕沒有進(jìn)一步加深,沒有出現(xiàn)溝槽和拉絲現(xiàn)象。載流試驗也未能造成劃痕的加深,可知接縫間隙對接觸線造成劃痕是機(jī)械磨耗,并非電氣磨耗(故不展示載流后圖片)。且滑板接縫縫隙因素對接觸線犁削的影響不大,并不是造成犁削磨損現(xiàn)象的主要原因。
圖4所示為法向力F=20 N,速度v=60 km/h,高度差h2=0時,滑板接縫間隙h1變化產(chǎn)生的碳滑板磨耗變化。從圖4(a)可知,在不載流試驗條件下,有接縫間隙滑板磨耗略小,因為1 mm的接縫使得滑板間縫隙無法與接觸線接觸,導(dǎo)致接觸的總面積變小,從而減小了磨耗量。從圖4(b)可知載流試驗條件下,有接縫間隙的磨耗量略大。原因是高速運動中,接縫處的不完全接觸造成了接觸副的“虛接”[10],產(chǎn)生更大的電氣磨耗。
圖4 磨耗量隨相對滑動距離變化的曲線
在試驗電流I=400 A、法向力F=70 N、速度v=30 km/h、接縫縫隙h1=1 mm和高度差h2=0.5 mm時,在接觸線上觀察到了較嚴(yán)重的接觸線劃痕溝槽,如圖5所示。
圖5 接觸線溝槽
溝槽均出現(xiàn)在接觸線的底部,此后在接觸線上,包含溝槽位置在內(nèi),設(shè)立了多處觀察點。每組試驗之后均觀察接觸線溝槽的變化,發(fā)現(xiàn)載流與不載流試驗都會產(chǎn)生溝槽,且變化程度基本一致。由此斷定接觸線溝槽是機(jī)械磨耗造成的(故不展示其他圖片)。原因為下高上低的滑塊結(jié)構(gòu)使得每次滑塊上下往復(fù)運動時,都會使滑塊下半部分接縫邊緣與接觸線最下方進(jìn)行非常劇烈的機(jī)械磨耗。溝槽的形貌與地鐵實際工況中接觸線拉絲現(xiàn)象幾乎相同,見圖6。由此確定接觸線拉絲現(xiàn)象的原因是滑板接縫高低差所致。
圖6 實際工況下接觸線犁削溝槽
圖7示出了高度差h2=0.5 mm不變,各組試驗?zāi)ズ牧侩S法向力變化的曲線??芍?,載流時的磨耗量Δm要比不載流時大1~3個數(shù)量級。這是因為無電流時,摩擦副以機(jī)械磨損為主,磨損形式主要是黏著磨損,因此摩擦副材料的損傷較小,所以滑板的磨損量也很小[11]。從圖7(a)可看出不載流時,相同法向力下接縫間隙h1=1 mm時的滑板磨耗量總體比接縫間隙h1=0.5 mm時小。即便法向力變大,接縫間隙為1 mm時的磨耗量依舊與0.5 mm時的磨耗量相差不大。說明不載流情況下,接縫間隙較大時,磨耗更低,這是因為較大的接縫縫隙使得滑板與接觸線接觸部分變小。法向壓力F=80 N是機(jī)械磨耗的分界點,該點處不載流的平均磨耗量最大,最容易造成犁削磨損。而接縫0.5 mm的平均磨耗量大于接縫1 mm,說明接縫0.5 mm更容易刮傷接觸線。實際工況中隨著工作時間的延長,接縫總會變得越來越寬,建議選擇80 N以上的法向力來緩解磨耗。
圖7 磨耗量隨法向力變化的曲線
從圖7(b)可看出,載流400 A下,F(xiàn)=90 N時磨耗表現(xiàn)最佳,比F為70 N與80 N小一個數(shù)量級。原因是接觸壓力減小,導(dǎo)致摩擦副之間的離線也增加,所以產(chǎn)生離線電弧的頻率也逐漸增大。在滑板離線過程中,電弧放電造成的侵蝕作用會使摩擦副材料熔化、氣化和噴濺,使滑板的磨損量大大增高,并且伴有材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。而大接觸壓力會使滑塊表面燒蝕的材料一直遺留在滑板上,不能全部飛濺出,從而形成氧化膜[12],進(jìn)而減小摩擦因數(shù),使得滑板比不載流時摩擦因數(shù)更低[13]。圖7(b)中2條曲線走向一致,說明載流時相同的工況下法向力變化對磨耗量的影響不明顯。載流時表現(xiàn)最好的是接縫0.5 mm、高低差0.5 mm、法向力90 N試驗組。總體規(guī)律為:法向力越大[14-15],碳滑板越趨近于平整無縫,磨耗量越小。理論上,材料一樣時,一體式碳滑板的摩擦磨損性能要略好于組裝式碳滑板。
圖8示出了法向力F=80 N不變,不同接縫間隙以及高度差試驗組的滑板的磨損率。不載流試驗的磨損率相對載流試驗非常小。接觸線溝槽主要是機(jī)械磨耗,不載流試驗中接縫寬h1=1 mm、高度差h2=0.5 mm試驗組的磨損率最大,說明該工況最容易造成接觸線犁削磨損。單純的接縫縫隙會因為接觸面積變小而減小機(jī)械磨耗,而高度差會使接縫凸起形成“臺階”,滑板與接觸線間還伴隨著沖擊,在高速且長時間沖擊下接觸線會產(chǎn)生犁削磨損。
圖8 不同接縫間隙及高度差試驗組的磨損率
載流試驗中,h1=0.5 mm、h2=0.5 mm組的磨損率最高。電氣磨耗與機(jī)械磨耗的邏輯不同,小尺寸的接縫間隙以及“臺階”高度差難以影響弓網(wǎng)的平穩(wěn)接觸,不會產(chǎn)生較大離線,對大電流下的弓網(wǎng)間能量傳輸并不會產(chǎn)生很大的影響。h1=1 mm、h2=0試驗組的磨損率只略高于正常情況。h1=0.5 mm、h2=0.5 mm組正好能夠形成合適的“臺階”,使得每次弓網(wǎng)接觸都會輕微跳動形成微小離線,加大了短弧放電,增大了磨耗。h1=1 mm、h2=0.5 mm組中接縫是高度差的2倍,高度差因素被稀釋,無法形成臺階,等同于只有接縫間隙。因此,研究得到的總體規(guī)律為:高度差為主要誘因,在有高度差的情況下,接縫間隙會加大接觸副磨耗。
圖9所示為I=400 A、F=20 N試驗條件下滑塊表面SEM圖。其中圖9(a)為無接縫間隙無高差組,圖9(b)為只有接縫間隙無高差組,圖9(c)為有接縫間隙有高差組??梢钥闯?,有接縫間隙組的燒蝕裂紋和白色氧化區(qū)要略多于無接縫間隙組;高度差組的燒蝕裂紋最多,滑板表面被全部燒蝕。印證了高度差因素對滑板間電氣磨損的影響最大的結(jié)論。
圖9 I=400 A、F=20 N下碳滑塊表面磨損形貌
圖10示出了有無高度差情況下的滑板表面摩擦磨損特征。對比只有接縫間隙無高度差的滑板摩擦表面圖10(a)與有接縫間隙有高度差的滑板摩擦表面圖10(b)發(fā)現(xiàn),接縫間隙組存在較少的燒蝕坑,高度差組則有很多的燒蝕坑,且顏色更暗,說明深度更大;燒蝕坑附近存在剝離層及大型裂紋,高度差組裂紋更多更深;高度差組滑板表面還有接觸副間剮蹭留下的劃痕,該痕跡為機(jī)械犁溝,伴有塑性變形,正是這種接觸造成了接觸線的溝槽。圖11示出了接觸線的材料轉(zhuǎn)移,可看出接縫間隙組圖11(a)中有少量的銅轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,呈現(xiàn)為反光的細(xì)小銅顆粒,而高度差組圖11(b)的銅轉(zhuǎn)移現(xiàn)象較為嚴(yán)重,大型的銅顆粒在室溫下凝固之后分布在燒蝕坑中[16]。
圖10 I=400 A,F(xiàn)=20 N下碳滑塊表面磨損形貌特征
圖 11 I=400 A,F(xiàn)=20 N接觸線的材料轉(zhuǎn)移
上述研究結(jié)果表明,高度差因素對滑板的電氣磨耗和機(jī)械磨耗都有很大影響,且對接觸線的磨耗有極大影響。
(1)組裝式碳滑板的接縫間隙因素會在接觸線上留下劃痕,但是對接觸副磨耗接觸線犁削磨損影響小;接縫間隙0.5 mm比1 mm更容易刮傷接觸線,造成犁削磨損,說明不是接縫間隙越大滑板的磨耗也就越大。
(2)滑板間的高度差會嚴(yán)重刮傷接觸線,是接觸線犁削磨損的主要原因。存在滑板間高度差時滑板會出現(xiàn)機(jī)械劃痕,電氣磨耗和接觸線材料轉(zhuǎn)移也比較嚴(yán)重。
(3)80 N以上的法向力會顯著減小滑板的磨損率,這是因為法向力越大,碳滑板越趨近于平整無縫,因而磨耗量越小。