劉新龍, 周朝偉, 王冬云, 周新建, 胡明捷, 關(guān) 欣,張武略, 鄭伊亭, 高明生, 楊文斌, 肖 乾

(1. 華東交通大學(xué) 智能交通裝備全壽命技術(shù)創(chuàng)新中心, 江西 南昌 330013;2. 浙江師范大學(xué) 浙江省城市軌道交通智能運(yùn)維技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 金華 321004)

弓網(wǎng)系統(tǒng)是列車重要的引流裝置，它主要是由受電弓碳滑板/接觸線構(gòu)成的一對(duì)摩擦副組成[1](圖1)，也是直接暴露在大氣環(huán)境中的關(guān)鍵部件之一，極易受到外部環(huán)境的影響. 良好的弓網(wǎng)匹配是保證列車快速、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素. 列車運(yùn)行過(guò)程中，由于接觸線硬點(diǎn)、滑板磨耗不均、輪軌不平順以及橫風(fēng)作用拉出值變化[2]等因素，會(huì)對(duì)弓網(wǎng)之間的接觸壓力產(chǎn)生負(fù)面影響，引起受電弓和接觸線分離，弓網(wǎng)離線瞬間，當(dāng)碳滑板和接觸線之間的電壓高于臨界起弧電壓時(shí)，必然會(huì)引發(fā)離線電弧[3]，這種電弧會(huì)產(chǎn)生能量極高的電弧能量，直接導(dǎo)致碳滑板和接觸線表面發(fā)生熔焊、汽化和濺射等異常損傷[4-6]，嚴(yán)重加速了碳滑板的損傷，折損其服役壽命. 弓網(wǎng)電弧同時(shí)也會(huì)對(duì)接觸線產(chǎn)生破壞，使接觸線表面發(fā)生燒蝕，表面變得坑坑洼洼，甚至直接導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線.

Fig. 1 SEM and EDS analysis of carbon skateboard and contact wire圖1 碳滑板和接觸線表面的SEM照片和EDS表征

針對(duì)弓網(wǎng)電弧的研究，陳光雄等[7-8]的研究發(fā)現(xiàn)，碳滑板和接觸線之間的離線距離較小時(shí)，主要發(fā)生氧化和黏著磨損，離線距離較大時(shí)，主要發(fā)生電弧燒蝕，在較低電流時(shí)，主要磨損機(jī)制為機(jī)械磨損. 而在大電流或者高速工況下運(yùn)行時(shí)，電弧燒蝕是其主要的磨損形式. 楊紅娟等[9-10]通過(guò)高速載流磨損試驗(yàn)機(jī)，探討并研究了不同工況下的電弧放電對(duì)分層磨損的作用機(jī)理. 梅桂明等[11-12]探討了碳滑板的分層磨損和電弧形成機(jī)理，并指出電弧燒蝕加速了碳滑板的磨損量. 郝靜等[13]的研究發(fā)現(xiàn)碳滑板和接觸線的熔池半徑隨著電流的增加而增大. 劉恩鵬等[14]對(duì)重慶6號(hào)線列車受電弓碳滑板進(jìn)行分析，確認(rèn)導(dǎo)致碳滑板V型異常磨耗的原因是弓網(wǎng)拉弧導(dǎo)致溫升引起電氣磨耗加劇所致.于曉英等[15]使用紅外熱成像儀及基于光學(xué)方法，對(duì)弓網(wǎng)電弧進(jìn)行檢測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)電弧的能量場(chǎng)以及燃弧時(shí)長(zhǎng)與電弧溫度呈正相關(guān)，隨著弓網(wǎng)電弧強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng),電弧溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì). 黃樹(shù)智等[16]對(duì)剛性接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)后期弓網(wǎng)異常磨耗產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出弓網(wǎng)之間在磨合期會(huì)產(chǎn)生大量的拉弧現(xiàn)象，服役壽命末期的碳滑板表面質(zhì)量逐漸惡化，加速了弓網(wǎng)間的異常磨耗. 江麗[17]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓降低，電弧重燃次數(shù)增加，電壓與弓網(wǎng)間隙距離呈指數(shù)增長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系. 在低電壓情況下的大電流是引發(fā)弓網(wǎng)離線電弧發(fā)生重燃的主要影響因素. 碳滑板和接觸線的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)和接觸電阻是評(píng)估其服役特性的主要參數(shù)[18]，當(dāng)弓網(wǎng)接觸狀態(tài)不佳時(shí)，接觸電阻會(huì)急劇增大，在接觸區(qū)域引發(fā)嚴(yán)重的過(guò)熱現(xiàn)象[19-20]. 目前的研究極少探討不同電流強(qiáng)度電弧侵蝕之后碳滑板與接觸線的載流磨損機(jī)理演變規(guī)律，本文中通過(guò)設(shè)計(jì)不同強(qiáng)度的電流，對(duì)碳滑板進(jìn)行電弧侵蝕. 接著再進(jìn)行載流磨損試驗(yàn)，分析電弧沖擊對(duì)碳滑板的損傷和性能衰減機(jī)理.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及制備

本研究中碳滑板材料采用由東南某公司生產(chǎn)的浸銅碳滑板. 接觸線采用Cr-Zr-Cu合金接觸線，接觸副材料的主要成分及物理性能列于表1和表2中. 碳滑板和接觸線加工成小試樣，樣品的掃描電鏡(SEM)照片和能譜(EDS)分析如圖1所示，碳滑板表面的C和Cu成分緊密貼合，分布均勻. 為了消除初始表面粗糙度的影響，對(duì)碳滑板樣品的接觸表面進(jìn)行拋光處理，接觸線表面分別用400#、800#、1000#和1500#的金剛石砂紙進(jìn)行表面打磨，除去表面不規(guī)則顆粒和氧化層.試驗(yàn)環(huán)境為室溫環(huán)境，工況為干摩擦.

表2 浸銅滑板和接觸線的主要物理性能Table 2 Physical properties of carbon skateboard and contact wire

1.2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行載流磨損試驗(yàn)之前，所有碳滑板樣品表面需經(jīng)過(guò)電弧侵蝕處理，一共需要制備4種電流下(30、40、60和80 A)的電弧侵蝕樣品，每種工況至少制備3個(gè)樣品，并且有1組不經(jīng)任何電弧侵蝕處理的碳滑板樣品作為對(duì)比分析.

碳滑板表面電弧侵蝕處理的方法如下：將碳滑板和接觸線安裝在試驗(yàn)設(shè)備上下夾具上，使其處于良好的接觸狀態(tài)[圖2(a)]，接著分別施加不同的接觸副電流(30、40、60和80 A)；調(diào)整碳滑板和接觸線的接觸間隙，使碳滑板和接觸線逐漸脫離接觸，此時(shí)接觸載荷逐漸降為0 N，同時(shí)電弧開(kāi)始燃燒，界面溫度迅速上升至1 200 ℃以上，碳滑板隨著電流的增加迅速被燒紅，如圖2(b)所示；隨后開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)，使電弧在碳滑板整個(gè)接觸區(qū)域進(jìn)行燒蝕，當(dāng)燃弧時(shí)間達(dá)到60 s時(shí)，立刻關(guān)閉電源和試驗(yàn)機(jī)，表面電弧侵蝕的樣品已制備.

Fig. 2 Preparation method of electric arc erosion to the surface of carbon skateboard and the erosive samples圖2 碳滑板表面電弧侵蝕的制備方法以及制備好的樣品

采用SEM對(duì)碳滑板樣品電弧燒蝕損傷表面進(jìn)行初步表征，并使用EDS對(duì)表面進(jìn)行面掃測(cè)試，結(jié)果如圖3所示. 經(jīng)過(guò)電弧侵蝕之后，碳滑板表面出現(xiàn)大量的離散顆粒和黑色侵蝕坑. 強(qiáng)烈的電弧能量導(dǎo)致銅顆粒從基體中析出，并熔焊在一起形成不規(guī)則的球狀顆粒[21-23]，沿著碳滑板電弧侵蝕區(qū)域堆積了大量的瘤狀物[圖3(a)和(d)黃色虛線以下、圖3(g)和(j)黃色虛線以上區(qū)域]，從EDS結(jié)果可知瘤狀物為銅的氧化物. 由SEM照片可知，在驟熱驟冷作用下形成的擴(kuò)展裂紋，不平整的暗黑色區(qū)域主要為C元素分布. 隨著電弧侵蝕電流的增加，初始表面均勻的銅-石墨緊密結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，界面的Cu缺失更加嚴(yán)重. 碳滑板在經(jīng)過(guò)電弧侵蝕之后，表面生成較厚的疏松層和熔焊層. 當(dāng)電流達(dá)到80 A時(shí)，大量的球形瘤狀物在碳滑板邊沿處凝結(jié)[圖3(j)]，瘤狀物的直徑在10~90 μm左右.

Fig. 3 SEM micrographs and EDS analysis of tested carbon skateboard and contact wire by arc erosion:(a~c) 30 A; (d~f) 40 A; (g~i) 60 A; (j~l) 80 A圖3 電弧侵蝕后的碳滑板表面形貌的SEM照片以及EDS分析結(jié)果：(a~c) 30 A；(d~f) 40 A；(g~i) 60 A；(j~l) 80 A

經(jīng)過(guò)電弧侵蝕之后的碳滑板作為塊試樣，在往復(fù)式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上采用塊-圓柱接觸方式進(jìn)行碳滑板/接觸線的往復(fù)滑動(dòng)磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖4所示. 本試驗(yàn)主要是對(duì)比分析不同電流下的電弧侵蝕對(duì)碳滑板/接觸線載流摩擦磨損性能的影響，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)為固定參數(shù)，具體參數(shù)列于表3中. 載流磨損試驗(yàn)之后，采用SEM和白光干涉儀對(duì)碳滑板的磨損形貌進(jìn)行分析測(cè)試，結(jié)合動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)及接觸電阻，評(píng)估其服役性能差異. 為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)工況下的試驗(yàn)均重復(fù)至少3次并采用平均值.

表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Test parameters

Fig. 4 Friction test：(a) main body of tester; (b) data collection system; (c) sample sizes (1. skateboard fixture,2. wire fixture, 3. semiconductor cooling plate, 4. refrigeration fluid inlet and outlet)圖4 磨損試驗(yàn)設(shè)備：(a)試驗(yàn)機(jī)主體部分；(b)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；(c)碳滑板與接觸線尺寸(1.碳滑板夾具，2.接觸線夾具，3.支撐板)

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)和接觸電阻

圖5 (a~b)是5組摩擦副的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)和接觸電阻(ECR)演變圖. 可見(jiàn)，摩擦副的摩擦系數(shù)隨著電弧侵蝕電流增加而上升，從0.036一直上升到0.065，電弧侵蝕電流為80 A時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值(0.065)，當(dāng)電弧侵蝕電流高于40 A時(shí)，摩擦系數(shù)的波動(dòng)較為明顯，說(shuō)明強(qiáng)烈的電弧沖擊導(dǎo)致碳滑板接觸界面發(fā)生了惡劣的變化，接觸匹配質(zhì)量下降導(dǎo)致了接觸副的摩擦系數(shù)上升，5種工況下的摩擦系數(shù)總體演變趨勢(shì)較為平緩，沒(méi)有發(fā)生大幅度的上下波動(dòng). 從圖5(b)可見(jiàn)，無(wú)電弧侵蝕的碳滑板接觸副最大接觸電阻為6.2 mΩ，磨損過(guò)程中保持在5 mΩ左右波動(dòng). 侵蝕電流為30 A時(shí)，其接觸電阻為18 mΩ左右，高于40 A的接觸電阻. 隨著侵蝕電流達(dá)到60 A，其對(duì)應(yīng)的接觸電阻發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，其瞬時(shí)最大電阻為28.7 mΩ. 在80 A時(shí)最大接觸電阻達(dá)到了34 mΩ，且波動(dòng)幅值較大. 接觸電阻的劇烈波動(dòng)說(shuō)明強(qiáng)烈的電弧侵蝕破壞了碳滑板表面Cu/C的均勻組織結(jié)構(gòu). 接觸界面形成球形瘤狀物(圖3)隨著磨損的進(jìn)行逐漸剝落成第三體顆粒，直接導(dǎo)致了接觸電阻的上升和波動(dòng). 從圖5(c)所示的平均摩擦系數(shù)和接觸電阻可知，摩擦系數(shù)隨著電弧侵蝕電流的增加而逐漸上升. 接觸電阻的總體趨勢(shì)隨著侵蝕電流的增加而上升，然而在40 A時(shí)出現(xiàn)較低的平均接觸電阻值，碳滑板的初始表面粗糙度隨著侵蝕電流的上升而增加，接觸電阻的總體變化趨勢(shì)與侵蝕電流成正比. 然而，當(dāng)侵蝕電流為40 A時(shí)，存在1個(gè)表面粗糙度最佳值，在這個(gè)表面粗糙度下接觸電阻的總體變化較穩(wěn)定且處于較低值[20].

Fig. 5 Friction coefficient and ECR of all tested samples：(a) friction coefficient; (b) ECR, (c) average friction coefficient and ECR圖5 接觸副的摩擦系數(shù)和接觸電阻：(a)摩擦系數(shù)；(b)接觸電阻；(c)平均摩擦系數(shù)和接觸電阻

2.2 接觸區(qū)域的溫升效應(yīng)

圖6 所示為試驗(yàn)過(guò)程中，采用紅外熱成像儀捕捉的接觸界面的紅外成像，以及在載流磨損試驗(yàn)過(guò)程中接觸界面的溫升. 從圖6中可知，不同電流下的接觸區(qū)域溫升差異明顯，接觸區(qū)域的溫度主要集中在碳滑板和接觸線接觸區(qū)域. 無(wú)電弧侵蝕的碳滑板接觸副界面溫升是68.8 ℃. 在侵蝕電流為30 A工況下，其接觸區(qū)域的瞬時(shí)最大溫度為91 ℃，而在40 A時(shí)溫升略有下降，為73.4 ℃. 侵蝕電流為60 A時(shí)的界面溫度是108.4 ℃. 當(dāng)侵蝕電流為80 A對(duì)應(yīng)的是124.5 ℃. 可見(jiàn)接觸區(qū)域的溫升與前文所述的平均接觸電阻成正比.界面的溫升主要是由機(jī)械摩擦和焦耳熱產(chǎn)生的. 由于試驗(yàn)參數(shù)一致，5種工況下的機(jī)械摩擦熱基本相似，差異較大的是碳滑板/接觸線界面焦耳熱導(dǎo)致的界面溫升，焦耳熱與接觸電阻的平方值成正比，因此當(dāng)接觸電阻波動(dòng)劇烈且處于較高值時(shí)，接觸區(qū)域的界面溫升也會(huì)上升至較高值[24].

Fig. 6 Infrared thermal imaging and the temperature rise of the contact areas圖6 接觸區(qū)域的紅外熱成像及溫升

2.3 磨損形貌及磨損機(jī)理

圖7 (a~d)是4種侵蝕電流工況下，碳滑板磨損形貌的SEM照片. 可見(jiàn)，4種工況下都未能觀察到連續(xù)的磨痕，表面磨痕邊沿處殘留了大量球狀顆粒凝結(jié). 在磨損區(qū)域有明顯的犁溝，非磨痕區(qū)域有不規(guī)則的擴(kuò)展裂紋和未被磨平的熔焊層[如圖7(a)和(b)中放大圖所示]. 由EDS圖可知，灰白色區(qū)域主要是Cu的氧化物分布，暗黑色區(qū)域的元素主要是C元素. 大小不一的電弧侵蝕坑出現(xiàn)在非磨損區(qū)域[如圖7(b)所示黃色箭頭所示]，并且當(dāng)侵蝕電流增加時(shí)，電弧侵蝕坑更加密集.這是由于強(qiáng)烈的電弧能量沖擊導(dǎo)致碳滑板中的銅相大量析出并殘留下侵蝕坑. 另外，界面出現(xiàn)了不同程度的塊狀剝落，這是電弧侵蝕形成的疏松層和熔焊層與碳滑板基體的結(jié)合力較弱，在磨損的過(guò)程中容易發(fā)生塊狀剝落和脫離，并形成更多的離散顆粒[25-26]. 由以上結(jié)果可知，在4種電流工況下?lián)p傷界面均有明顯的犁溝，因此不同工況下主要的磨損機(jī)制為磨粒磨損和氧化磨損.

圖8 所示為碳滑板磨損區(qū)域的三維形貌和二維輪廓圖. 碳滑板磨痕區(qū)域外有許多不規(guī)則的坑洼區(qū)(如紅色箭頭所示)，這些是殘留的電弧燒蝕坑和剝落的熔焊層. 隨著侵蝕電流的增大，碳滑板的最大磨損深度呈非線性增加，其中40和60 A的最大磨損深度較為接近，分別是262.17和275.98 μm. 由圖8(d)可知，侵蝕電流為80 A的碳滑板磨損深度最大，為328.96 μm，幾乎是30 A的3倍，說(shuō)明電弧侵蝕能量破壞了碳滑板表面的Cu/C組織結(jié)構(gòu)，Cu/C之間的結(jié)合力降低，在磨損過(guò)程中易發(fā)生剝落.

Fig. 8 3D morphology and 2D profile of wear traces under different erosive current：(a) 30 A; (b) 40 A; (c) 60 A; (d) 80 A圖8 不同侵蝕電流下碳滑板磨損區(qū)域的三維形貌和二維輪廓圖：(a) 30 A；(b) 40 A；(c) 60 A；(d) 80 A

不同的侵蝕電流導(dǎo)致碳滑板表面出現(xiàn)大量的電弧侵蝕坑，且電弧的侵蝕能量與電流強(qiáng)度有關(guān)，電弧侵蝕導(dǎo)致接觸區(qū)域大量的銅顆粒液化并凝結(jié)是誘發(fā)磨粒磨損的主要原因. 在40 A時(shí)碳滑板/接觸線的摩擦系數(shù)和接觸電阻均出現(xiàn)了較低值，因此40 A對(duì)應(yīng)的碳滑板粗糙度是“粗糙度最佳值”. 當(dāng)侵蝕電流為30和40 A時(shí)，隨著載流磨損測(cè)試的進(jìn)行，接觸界面的侵蝕坑逐漸磨平，接觸界面的磨損區(qū)域平穩(wěn)；然而侵蝕電流為60和80 A時(shí)，由于電弧產(chǎn)生的侵蝕坑較深，磨損測(cè)試結(jié)束后，碳滑板接觸區(qū)域仍然殘留較多電弧侵蝕坑，在接觸區(qū)域有較多的接觸“凸峰”，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致界面持續(xù)產(chǎn)生磨屑. 綜上所述，電弧侵蝕之后的碳滑板表面凝結(jié)了大量的球狀顆粒，這主要是從基體材料析出的銅的氧化物[圖9(a)]，并在碳滑板表面形成不規(guī)則的熔焊層以及裂紋. 載流磨損測(cè)試開(kāi)始時(shí)，這些球狀物顆粒與接觸線接觸，此時(shí)界面的有效導(dǎo)電路徑(圖9黃色箭頭所示)較少，因此初始接觸電阻較高. 載流磨損試驗(yàn)過(guò)程中，球狀物逐漸被磨平并發(fā)生剝離[圖9(b)]，形成大量磨損顆粒. 隨著磨損試驗(yàn)的進(jìn)一步持續(xù)進(jìn)行，接觸區(qū)域的磨損顆粒逐漸增多，接觸線和碳滑板的接觸狀態(tài)持續(xù)惡化，因此接觸電阻發(fā)生劇烈的波動(dòng). 然而由于碳滑板表面不規(guī)則區(qū)域逐漸磨平，一定程度上增加了界面的電流通過(guò)路徑[圖9(c)]，因此磨損后期接觸電阻有一定的下降趨勢(shì).

Fig. 9 The wear mechanism during the current-carrying process：(a) copper substrate material precipitation process;(b) wear stripping process; (c) diagram of current path圖9 載流磨損過(guò)程中磨損機(jī)制分析：(a)銅基體材料析出；(b)磨損剝離過(guò)程；(c)電流路徑示意圖

3 結(jié)論

本文中探討了不同的電流下產(chǎn)生的電弧侵蝕對(duì)碳滑板表面載流磨損機(jī)理的影響，分析了不同的電流能量沖擊對(duì)碳滑板的損傷行為，比較了不同工況下的磨損機(jī)制和電弧的影響作用規(guī)律，結(jié)論如下：

a. 電弧侵蝕電流強(qiáng)度增加，碳滑板表面的Cu缺失更加嚴(yán)重，同時(shí)留下不規(guī)則電弧侵蝕坑、熔焊層和擴(kuò)展裂紋.

b. 經(jīng)電弧侵蝕之后，Cu從碳滑板表面大量析出并在碳滑板表面凝結(jié)成瘤狀物，Cu/C間的均勻結(jié)構(gòu)被破壞是導(dǎo)致摩擦系數(shù)和接觸電阻上升的主要原因.

c. 載流磨損過(guò)程中，碳滑板/接觸線界面主要發(fā)生了磨粒磨損和剝落，引起接觸電阻劇烈波動(dòng)；在磨損試驗(yàn)后期，界面的不規(guī)則凹凸區(qū)域逐漸被磨平，接觸電阻有一定的下降趨勢(shì).