1、2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.013文献引用:刘达毅，范杰，董丙杰，等刚性接触网中浸金属碳滑板在不同法向载荷下的载流摩擦磨损性能J 润滑与密封，2023，48(2):8994Cite as:LIU Dayi，FAN Jie，DONG Bingjie，et alFriction and wear performance of metalimpregnated carbon strips against a rigid ca
2、tenaryunder different normal force J Lubrication Engineering，2023，48(2):8994*基金项目:国家自然科学基金项目(52175189)收稿日期:20211120;修回日期:20211215作者简介:刘达毅(1997)，男，硕士研究生，研究方向为弓网载流摩擦磨损。Email:ldy_ncus 。通信作者:陈光雄(1962)，男，博士，教授，研究方向为摩擦学、车辆系统动力学。Email:chen_guangx 。刚性接触网中浸金属碳滑板在不同法向载荷下的载流摩擦磨损性能*刘达毅范杰董丙杰李先航陈光雄(西南交通大学摩擦学研究所四川
3、成都 610031)摘要:为了更好地模拟浸金属碳滑板的实际应用工况，设置试验滑动距离为 1 000 km，使用环块式载流摩擦磨损试验机模拟地铁列车在刚性接触网系统中的运行条件，研究浸金属碳滑板在不同法向载荷作用下的载流摩擦磨损性能。试验结果表明:随着法向载荷的增大，摩擦因数不断增大，电弧能量下降，载流效率不断升高，滑板的温度以及磨损率都呈现出下降的趋势;随着滑动距离的增加，滑板的磨损率逐渐降低最后趋于稳定。SEM 电镜观察结果表明:法向载荷较低时，浸金属碳滑板表面产生了较多烧蚀坑和裂纹，其磨损形式主要表现为电弧烧蚀以及片状剥落;随着法向载荷增大，滑板表面出现划痕和磨屑，磨粒磨损现象较为明显。研
4、究表明:适当增大法向载荷可以有效抑制电弧的烧蚀作用，减少滑板表面的裂纹和烧蚀坑，从而降低滑板的磨损。关键词:浸金属碳滑板;法向载荷;电弧能量;载流效率;磨损机制中图分类号:TH117.1Friction and Wear Performance of Metalimpregnated CarbonStrips Against a igid Catenary under Different Normal ForceLIU DayiFAN JieDONG BingjieLI XianhangCHEN Guangxiong(Tribology esearch Institute，Southwest
5、Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract:In order to better simulate the actual application conditions of metalimpregnated carbon strip，the test slid-ing distance was set at 1 000 km，the blockonring highspeed friction and wear tester was used to simulate the operatingconditions of t
6、he subway train in the rigid catenary system to study the currentcarrying friction and wear performance ofmetalimpregnated carbon strips against a rigid catenary under different normal forceThe results show that as the normalforce increases，the average friction coefficient and currentcarrying effici
7、ency increase，the arc energy decreases，and thetemperature and wear rate of the metalimpregnated carbon strip show a downward trendWith the increase of the slidingdistance，the wear rate of the strips decreases first and then trends to be stableThe results of SEM observation on the stripscars show tha
8、t when the normal force is low，there are more ablation pits and cracks on the strip surfaces，and the wearmechanism of the strips is dominated by arc ablation and layered spallingwhen the normal force is high，scratches and weardebris appear on the surface of the strips，and the abrasive wear is more o
9、bviousIt can be concluded that properly increas-ing the normal force can effectively restrain the arc ablation，reduce the surface cracks and ablation pits of the strip，andthus reduce the wear of the stripKeywords:metalimpregnated carbon strip;normal pressure;arc energy;currentcarrying efficiency;wea
10、r mechanism近年来，我国城市轨道交通发展迅猛，受电弓/接触网系统作为地铁列车主要的受流部件被广泛应用于各地铁线路上，弓网系统的运行状况直接关系着地铁运营的安全1。地铁线路中的接触网系统主要为柔性接触网、刚性接触网以及第三轨式接触网，其中刚性接触网具备零部件少、维护成本低等优点，被广泛应用于地铁隧道路段内2。由于刚性接触网不具备弹性，因此在列车运行过程中，弓网系统之间的振动冲击较大，随着运行时间的增加，受电弓与接触线之间的匹配关系逐渐恶化3，接触线逐渐出现硬点等问题。硬点的出现会进一步加剧振动，导致弓网离线产生电弧，在机械冲击和电弧烧蚀的共同作用下，滑板和接触线的磨损问题日益严重。目前
11、，已有许多学者对接触网系统的结构类型、动力学性能、建设和维护标准等方面进行了研究46，但是针对刚性接触网系统中受电弓碳滑板和接触线磨损问题的研究较少。浸金属碳滑板材料具有优良的导电率，但其成本也较高7，因此，对浸金属碳滑板的载流摩擦磨损性能进行研究，探究降低浸金属碳滑板磨损的措施，对降低地铁运营成本具有较强的现实意义。近年来，有些学者通过试验模拟高速列车的运行工况，对浸金属碳滑板的载流摩擦磨损性能进行了相关研究。杨红娟等89 研究了振动对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响，研究结果显示，振动加速度与电弧能量存在显著的相关性，振动加速度越大，滑板的电弧烧蚀现象越明显。胡道春等10 探究了不同电弧
12、能量下浸金属碳滑板材料的磨损机制，试验结果表明，浸金属碳滑板的磨损主要是由电弧烧蚀导致的，磨损机制表现为金属材料的熔融喷溅。在目前的研究中，试验滑动距离一般为 100 200 km1113，然而在实际情况下，浸金属碳滑板的服役时间一般为 3 4 个月，运行里程可达 100 000 km。为了使试验更加贴近浸金属碳滑板的实际运用场景，本文作者将每组试验滑动距离设置为 1 000 km，并使用高速载流摩擦磨损试验台模拟地铁列车在刚性接触网系统中的运行条件，研究浸金属碳滑板在不同法向载荷作用下的载流摩擦磨损性能。1试验1.1试验设备图 1 示出的是高速载流摩擦磨损试验机的结构，试验机主要包括转盘、升
13、降台、变频电机、支架、底座、交/直流电源。转动圆盘直径为 1 100 mm，转速在 20400 km/h 间连续可调。铜银接触线镶嵌于转盘的外沿，浸金属碳滑板通过夹具固定在升降台上，可随升降台做上下往复运动(55 mm)，往复运动的频率为 0.15 Hz，以此模拟接触线的“之”字形运动。试验机通过滑轮机构施加法向载荷，通过增减砝码可调整法向载荷的大小，试验电压为 08 V，试验供电系统可提供 0800 A 的直流电源。图 2 所示为试验使用的数据采集系统，数据采集系统主要包括电流传感器、电压传感器、切向力传感器、数据采集装置、红外热像仪和计算机。在试验过程中，电流、电压等信号通过采集系统传输到
14、计算机，信号的采样频率为 1 kHz。试验中采用 FLUKETix640 型红外热像仪测量滑板的温度场，每隔 5 min记录一次温度数据，试验前后使用精度为 0.001 g 的分析天平测量滑板的质量。图 1试验机结构Fig.1The structure of test system图 2数据采集系统Fig.2Data collection system1.2试验材料和试验参数试验使用的浸金属碳滑板为地铁线路常用型号，其化学元素含量如表 1 所示。试验前将滑板加工成130 mm34 mm25 mm 的试样，以便装夹。试验中使用的铜银合金接触线中包含约 99%的铜，剩余元素为银和其他微量元素。表
15、1浸金属碳滑板的化学成分Table 1Chemical compositions of metalimpregnated strip化学元素质量分数/%碳720铜278锡、铁、硅等02为了模拟地铁列车在刚性接触网系统中的运行条件，以广州地铁 3 号线为例，受电弓和接触线之间的接触力设定值大约为 120 N14，在四滑板受电弓中，平均每根滑板需要承载约 30 N 接触力，地铁列车时09润滑与密封第 48 卷速一般介于 40100 km/h。基于以上讨论，设计了表2 所示的试验参数。表 2试验参数Table 2Test parameters试验参数数值法向载荷 Fn/N15、25、35、45滑动速
16、度 v/(kmh1)80电流 I/A300往复频率 f/Hz015拉出值 A/mm551.3电弧能量和载流效率的计算在试验过程中，滑板和接触线表面并非完全接触，而是存在着若干个接触斑点15。接触斑点中只有导电斑点承载着电流的导通，当摩擦副之间离线时，导电斑点温度瞬间升高，使得材料融化甚至气化，形成火花和燃弧。电弧能量可以表征摩擦副之间的离线放电情况，其计算公式如下:e=UIdtt(1)式中:e 为单位时间内电弧的放电能量;U 为弓网摩擦副之间的电压;I 为滑板与接触线之间流通的实际电流;t 为试验时间。载流效率可以反映弓网之间的受流质量，载流效率越高，意味着流经弓网摩擦副之间的电流越稳定，电能的损失越小。载流效率的计算公式如下:=IIs100%(2)式中:I 为流经弓网摩擦副的电流平均值;Is为试验中设置的额定电流;为载流效率。2试验结果与讨论2.1法向载荷对摩擦因数的影响摩擦因数是研究弓网摩擦副摩擦特性的重要参数，图 3 显示了当电流为 300 A、滑动速度为 80km/h时摩擦因数随法向载荷增大的变化。可以明显看出，摩擦因数随着法向载荷的增大呈现出不断增大的趋势。摩擦副之间的摩擦因