基于摩擦副的碳滑板受流磨损过程实验研究

基于摩擦副的碳滑板受流磨损过程实验研究

1滑动导电管理电力车辆通过通过电子弓滑板（以下简称滑动）和导线之间的滑动接触来获得能量。接触系统的传输质量直接决定了机车是否能够获得足够的牵引力，并安全运行。随着电气化铁路向高速重载方向发展,对滑板与导线的导电性、强度和耐磨性提出更高的要求。一方面要有良好的电导率,以减少电流在传导过程中产生较高的热损耗和电压降;另一方面,要有较高的强度、耐磨、耐腐蚀性能,以延长滑板与接触导线的使用寿命。论文根据电力机车弓网供电系统的实际工作特点,利用高性能滑动电接触实验机对浸铜碳滑板与铜锡导线进行对磨实验,研究其载流情况下的磨损过程,并对受流情况进行分析。2动态接触压力试验高性能滑动电接触实验机真实模拟了弓网系统中接触导线和滑板之间的“之”字形运动形式,同时实现对整个滑动电接触过程进行实时检测。该实验机可调速度范围大,能够实现接触导线和滑板之间的运行速度在0~283km/h之间可调;加载电流最大可达800A;导线与滑板之间的静态接触压力可以通过改变砝码桶中的砝码来实现,使其在0~100N之间改变。实验机利用定滑轮与砝码的耦合模拟机车弹性受流系统,进而可以对动态接触压力下的摩擦磨损性能进行试验研究;同时还实现了对磨损率、摩擦系数、接触电阻等数据的测量,并对这些实验数据实时存储以备日后数据处理。其中磨损率采用失重法测量,摩擦系数通过对转盘转矩等参数进行数学计算得到,并通过基于Labview的监测界面实时显示,计算公式为式中tF——摩擦力;Fr——加载力;NB——摩擦副对数;Tt——摩擦转矩;接触电阻通过公式R=U/I计算得出;U和I分别是滑板与导线之间的接触电压与接触电流,可通过电流、电压检测电路对其进行采集,同时经过单片机进行数据处理,最后上传到上位机显示。实验中用到浸铜碳滑板和120mm2的铜锡合金导线,其参数见表1(温度为20℃)。3结果分析3.1摩擦波动行为随摩擦系数的变化规律。对于转速图1为接触压力50N、滑动速度30km/h、接触电流350A下摩擦系数随时间的变化曲线,从图1可以看出摩擦系数的波动规律:(1)在整个实验过程中摩擦系数不是恒定值,而是呈湍流状波动;(2)摩擦系数都经历一个从初始值迅速增大的跑合期,然后进入到中值基本不变的相对稳定期;(3)摩擦系数进入相对稳定状态后的随机波动行为呈显著的正态分布特征。图2为接触压力50N、滑动速度30km/h、接触电流150A下接触电流随时间的变化曲线。图2的变化曲线呈现了与图1基本相同的规律。本文把这种曲线变化过程分为两个阶段:跑合期和相对稳定期,把开始运行到波动中值并保持相对稳定值的±8%的误差带所需要的最短时间定为跑合期,随后围绕中值波动时期即为相对稳定期。3.2滑动速度对磨耗率的影响图3为接触压力50N、滑动速度40km/h,不同接触电流下磨耗率随时间变化曲线图。由图3可以看出:在跑合期,磨耗率随时间的增加而迅速降低;随时间的推移,在相对稳定期磨耗率值逐渐趋于稳定。这里磨耗率到达相对稳定期的总时间定为T(即跑合期)。且由图3得出表2。用T150A、T250A、T350A分别代表接触电流150A、250A、350A时达到相对稳定期所需要的最短时间(即跑合期)。由图3、表2得出T150A<T250A<T350A,并且看出不同电流值下,达到相对稳定期的时间不同,随着电流的增加,达到相对稳定期需要的时间也在增加。从跑合期与相对稳定期的平均磨耗率数据可知,跑合期对整个试验过程影响很大,如何降低跑合期的滑板磨耗率,缩短跑合期的时间,是减小滑板平均磨耗量、提高受流质量的关键。为接近现实电力机车受流数值,论文选择接触电流350A为恒定不变条件,分别讨论不同速度、不同压力下跑合期时间与磨耗率变化情况。图4为接触电流350A、滑动速度40km/h、不同接触压力下,磨耗率随时间的变化曲线,同时得出表3。用T40N、T60N、T80N分别代表接触压力40N、60N、80N时达到相对稳定期所需要的最短时间。由图4、表3可知:随着接触压力的增大磨耗率呈现一个先减小后增大的趋势。此时跑合期T60N<T80N<T40N,故在接触电流350A、滑动速度40km/h、接触压力60N时,达到相对稳定期所用的时间最短,且磨耗率最低。图5为接触电流350A、接触压力60N、不同滑动速度下磨耗率随时间的变化曲线图,得出表4。用T40km/h、T60km/h、T80km/h分别代表滑动速度40km/h、60km/h、80km/h时达到相对稳定期所需要的最短时间。由图5、表4可以看出:跑合期T40km/h>T60km/h>T80km/h,说明滑动速度越快,跑合期所需要的时间越短,磨损过程越容易进入相对稳定期这可以用黏着摩擦理论解释,由于接触点的金属处于塑性流动状态,由于电流的作用,在摩擦中接触点产生瞬时高温,因而使两金属产生黏着,黏着结点具有很强的黏着力。随后在摩擦力作用下,黏着结点被剪切而产生滑动,当滑动速度增加时,黏着时间和摩擦系数的变化幅度都将减小,因而摩擦系数值和滑动过程趋于平稳。但80km/h时,稳定期的平均磨耗率最大。在一个完整的磨损过程中,接触导线磨损面高度达到5.7mm时会失效,滑板磨损厚度达到同样尺寸时失效,此时滑板的磨耗总量为24.8克。通过实验得出跑合期与相对稳定期的磨耗量与所运行弓架次数,见表5和表6。通过表5和表6可知,速度的提高使跑合期快速进入相对稳定期,虽然跑合期与总磨耗的比随着速度的增加而增大,但是相同时间内的磨耗率/(每弓架次)被降低,接触导线与滑板的使用寿命得到延长。3.3接触电流相对稳定性系数由上可知在接触电流350A时,通过适当调整接触压力、提高速度可以有效缩短跑合期时间,减小该阶段摩擦损耗;为了研究此时的受流质量,论文通过两个参数(载流效率和接触电流相对稳定系数)对摩擦副的受流质量进行分析。载流效率是指在受流摩擦条件下,摩擦副的载流能力,其值为摩擦副动态接触电流平均值与静态给定电流值之比为式中η——载流效率;——动态接触电流平均值;接触电流相对稳定性系数衡量了电流偏离平均值的程度,在检测接触电流过程中可能存在通过摩擦副的接触电流平均值相同,但瞬时通过摩擦副的电流与平均值的偏离程度有大有小,偏离程度较小的电流,稳定性好。由以下公式得到接触电流相对稳定系数。式中σ——接触电流标准差;δ——接触电流相对稳定系数。用分别表示接触压力50N、60N时动态接触电流平均值;η50、η60分别表示接触压力为50N、60N时的载流效率;δ50、δ60分别表示接触压力为50N、60N时的接触电流相对稳定系数。图6为接触电流350A、滑动速度80km/h、接触压力60N时接触电流随时间的变化曲线;图7为接触电流350A、滑动速度80km/h、接触压力50N时接触电流随时间的变化曲线。由图6和图7可得η50=91.4%,η60=96%,δ50=11.3%,δ60=8.8%,故η50<η60,δ50>δ60。说明接触压力的增加使得载流效率得到提高,接触电流稳定性增强,同时说明摩擦副的受流质量得到改善。4理论分析图8为浸铜碳滑板原始面,图9和图10浸铜碳滑板的表面形貌均为接触电流350A、接触压力60N、滑动速度80km/h下获得的。4.1接触面间的作用图9为在跑合期的前4.5min获得的浸铜碳滑板表面形貌,可以看出磨损表面比较粗糙,表面布满浅色物质,磨损面中央有许多大而深的凹坑。分析原因如下:(1)滑板与导线对磨之前的原始面比较光滑,摩擦系数较小,有利于降低材料磨损,并减小摩擦能量损失。但由于在接触面之间施加了较大的接触电流、接触压力,并使滑板与导线在较高的速度下滑动摩擦,摩擦功与电流的综合作用,使接触面产生的热量迅速增多,靠近接触面的微量元素(润滑剂)快速析出,基体碳层裸露出来,接触表面比较粗糙,同时由于振动接触表面产生了宏观电弧,宏观电弧含有极高的能量,对滑板材料的烧蚀能力很强,导致滑板产生严重的烧蚀。(2)由于电弧热与摩擦热的双重作用,一些低熔点的金属向滑板表面迁移,同时还有铜的存在,使表面呈现布满浅色物质。(3)导线初始面存在一层金属膜,这层膜被滑板接触点撕裂,此时接触表面上会出现大量的飞溅颗粒,颗粒进入摩擦面,磨粒磨损增强,磨耗率增大。4.2碳螺钉材料的持续运行特性随着时间的推移,摩擦进入相对稳定期。图10为在滑板摩擦进入相对稳定期后13min获得的表面形貌,与图8滑板原始形貌相比较可以看出:表面粗糙度二者基本接近,同时还发现表面上均匀分布着少量的浅色物质,该物质成分以铜、锑、锡等元素为主。分析原因为:此时摩擦系数相对稳定,摩擦副间的实际接触面积增大,载流条件下有利于降低摩擦副间的电能损耗,提高受流质量,降低电流产生的热量,从而减缓润滑剂析出的速度,使接触面形成一种稳定的保护膜,以维持相对稳定期的摩擦环境降低磨耗率,提高受流质量;但这个时期仍然有微观电弧产生,这种电弧能量低,但对摩擦副材料也能产生烧蚀,由于真实接触面积的增大,接触点增多,微观电弧得到抑制,微电弧所产生的烧蚀也相对减少,而对于小片状磨屑在微热情况下发生软化,容易产生粘着磨损。由于碳润滑剂的存在,使接触面看起来比较光滑。作者认为,浸铜碳滑板材料摩擦面的这种碳层和铜等金属层均匀相间的分布状态,是一种稳定的摩擦状态,有利于提高材料的耐磨性,所谓的跑合期也就是摩擦面形成这样一种稳定摩擦状态的过程。一旦进入稳定摩擦状态,摩擦副的摩擦系数、磨耗率、接触电阻都会在一个中值附近振荡,达到相对稳定。5浸铜碳长丝环境质量和运行效果(1)论文把浸铜碳滑板与导线的受流磨损过程分为两个阶段:跑合期和相对稳定期。定义了运行到波动中值并保持相对稳定值的±8%的误差带所需要的最短时间为跑合期,随后即为相对稳定期。(2)浸铜碳滑板在跑合期磨损比较严重,通过调节接触压力,提高速度可以缩短跑合期的时间,使