接触面受流摩擦时的磨损行为研究

接触面受流摩擦时的磨损行为研究

1对接触网的影响由于电子机车通过在电子表格-仪表和接触线之间的滑动接触而获得能源，。电力机车能否获得足够的牵引力并可靠运行,取决于受电弓能否从接触网系统获得稳定的电流。而影响电力机车受流稳定性的因素很多,比如现场温度、湿度、滑板导线的材料、电力机车的运行速度、电流大小等。随着电气化铁路的快速发展,电力机车的速度不断得到提高,高速的电力机车对弓网系统的受流能力提出更高的要求。目前普通电力机车从电网采集的电流在400A左右,高速电力机车将提高到800A,甚至更大。较大的电流将导致滑板局部高温、磨耗严重,甚至发生接触导线熔断、断线现象,因此对接触网供电系统提出了更高的要求。论文针对滑板与导线磨耗严重的问题,利用研制的高性能滑动电接触试验机,对不同电流下,铜基粉末冶金滑板、浸铜碳滑板两种材料与铜锡导线进行摩擦实验,并对滑动电接触磨损性能进行分析研究。2试验过程和数据处理为了对高速滑动电接触下磨耗性能进行研究,作者自行开发研制了高性能滑动电接触实验机机械原理如图1所示。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;所加载电流最大可达800A;而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,从而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、接触电阻等参数的测量,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;接触面温度通过希玛AR872D型非接触红外测温仪等时间间隔测量;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,可通过电压、电流互感器实时测量。而摩擦系数是通过对转盘转矩等参数进行数学计算得到,计算公式如下:式中Ft——摩擦力;Fr——加载力;实验中用到两种材料的滑板和截面积为120mm2的铜锡合金导线。两种材料的滑板分别为铜基粉末冶金滑板、浸铜碳滑板。滑板设计尺寸如图2所示,滑板与导线参数见表1。3滑动电接触特性分析图3、图4分别为浸铜碳滑板和铜基粉末冶金滑板与导线在接触压力50N、滑动速度30km/h、接触电流150A时的接触电阻。从图3、图4可以看出,在试验条件不变的情况下,接触电阻不是恒定值,而是随着时间的延长在不断地波动。在每一个载流摩擦试验过程中,接触电阻都经历了一个从较大的初始值迅速降低的过程,而后围绕一个中值上下波动。为了进一步分析滑动电接触特性,作者通过浸铜碳滑板、铜基粉末冶金滑板两种材料的滑板与铜锡导线的对磨实验。对接触压力50N,滑动速度30km/h,载流分别为150A、200A、250A、300A、350A时的平均接触电阻和滑板温升、磨损情况进行分析研究。3.1电流的影响不同接触电流下滑板与导线的接触电阻变化趋势如图5所示。从图5可以看出铜基粉末冶金滑板在接触电流150A时,滑板与导线之间的接触电阻很小,为0.0021Ω。随着电流的增加接触电阻增大,接触电流为350A时,接触电阻达到0.0045Ω,增加了2倍多,近似线性变化。这可能是由于电流的增大,增强了电弧烧蚀,弧根部的凸峰增大,且磨损过程中,滑板温度的升高使磨粒黏着增强,实际的接触点减少,接触电阻增大。浸铜碳滑板与导线的接触电阻变化趋势与铜基材料相同,接触电流150A时的接触电阻平均值为0.0058Ω;接触电流350A时,接触电阻增加到0.0066Ω。分析原因:随着电流的增大,由于滑板内碳润滑剂的存在,在接触表面形成一种膜,导致接触电阻缓慢上升。通过对图3、图4比较可知,浸铜碳滑板与导线的接触电阻随着时间的延续波动较小。同时由图5的两条曲线可以看出,浸铜碳滑板与导线的接触电阻变化趋势较缓。说明随着电流的增大,浸铜碳滑板的受流稳定性要比铜基粉末冶金材料的受流稳定性好。3.2电流对铜基粉末45和5.25磨耗实验是在室温14℃下进行的,因此滑板温升是通过接触面温度减去室温得到。图6、图7为滑板在不同接触电流下温升随时间的变化曲线,由图可知:(1)相同接触电流情况下,两种材料的滑板温度随着时间的延长都在上升,且上升速率不同。(2)同一时刻,随着电流的增加滑板温度上升,大于200A时浸铜碳滑板的温升幅度大于铜基粉末冶金滑板的温升幅度。(3)在同一时刻,随着接触电流的增大铜基粉末冶金滑板温升幅度逐渐减小,说明接触电流的增大对铜基粉末冶金滑板的温升影响不大。而浸铜碳滑板在150A、200A、250A时温升曲线近似等间距平行;接触电流300A之后,在同一时刻,电流对浸铜碳滑板的温升影响作用逐渐减小;但是同一电流下随着时间的延长,温升较大。载流磨损过程中,影响滑板温升的主要因素有:摩擦热、焦耳热、电弧热、热传导。由理论分析中表2的理论计算结果可知,两种滑板材料产生的摩擦热几乎相等,电流对它的影响不大。由图5可以看出铜基粉末冶金滑板与导线的接触电阻小于浸铜碳滑板与导线的接触电阻,故相同接触电流情况下前者产生的焦耳热要小于后者产生的焦耳热。铜基粉末冶金滑板、浸铜碳滑板分别与铜锡导线发生对磨实验时,前者接触面间有刺眼的弧光,而后者接触面产生的弧光较弱,表明电弧热对前者的温升影响作用相对较大,这可能是由于浸铜碳滑板中的碳润滑剂对电弧的形成产生一定抑制作用的结果。对于两种材料的热导率,铜基粉末冶金滑板的热导率是浸铜碳滑板热导率的13倍,可见,前者的热传导性能明显好于后者,即铜基粉末冶金滑板的散热性能非常好。因此在两种滑板接触面产生的热量近似相等的条件下,铜基粉末冶金滑板的温升较慢,即表现为图6、图7中所示在相同电流条件下,铜基粉末冶金滑板的温升曲线较高。3.3铜基粉末4-1图8显示了浸铜碳滑板与铜基粉末冶金滑板材料的磨耗率变化曲线。由图8可知:(1)两种材料的滑板磨耗率随着电流的增大而增大,增幅不同;(2)接触电流相同时,铜基粉末冶金滑板的磨耗率远远大于浸铜碳滑板的磨耗率;(3)浸铜碳滑板的磨损率随着电流的增大上升比较缓慢,而铜基粉末冶金滑板在150~250A之间变化率较高,250A之后开始平缓。实验过程中,铜基粉末冶金滑板摩擦副接触面出现刺眼的弧光,宏观上看接触表面上出现大量的飞溅颗粒。因为电弧本身的温度能够达到3500~4000K,故瞬间产生的热量非常大,接触表面的弧根部位容易被烧蚀甚至熔化,然而从图7可以看出滑板接触面温度并不高,该温度低于材料氧化起始温度(580℃),因此滑板温升不是引起其受流磨耗量较高的主要原因,而是由于电弧瞬间侵蚀引起摩擦表面严重破坏以及蜡基润滑剂的失效,导致铜基粉末冶金滑板出现了严重磨粒磨损与黏着磨损,使载流磨损增大。浸铜碳滑板摩擦副受流磨损过程中接触面产生的电弧比较微弱,故电弧热产生的滑板温升较小。由于浸铜碳滑板的开口气孔率为8%,浸渍的铜元素一方面增加了碳滑板的强度;另一方面降低了碳滑板材料内部的氧含量。随着电流的增大,滑板温度快速上升,但尚未达到碳的氧化温度(600℃),故氧化速度较慢,由于碳的润滑和耐电弧性能,使浸铜碳滑板的耐受流磨损性能提高,磨耗率上升缓慢。4浸铜碳4滑板板的温升滑板与导线的接触面上存在着微小的接触点。当电力机车从电网获取电流时,这些接触点不仅支撑载荷,而且承受摩擦功和电流流过接触电阻所引起的热流。电流收缩及机械载荷的高度集中会产生高密度的焦耳热,随着热量的积累,接触点温度升高,滑板材料性能改变,当其不能继续支撑接触载荷时,接触点遭受破坏,直到形成一个新的接触点重新支撑载荷为止,这样终而复始构成了滑动电接触情况下的磨损行为。载流条件下,接触面间氧化物的存在改变了摩擦副的接触方式,由金属对金属的接触变为金属—一氧化物—金属的接触,而氧化物的导电性比金属差,这就导致了接触电阻的增强。接触电阻是表征接触表面电特性的参数,对于点状接触的粗糙表面,接触电阻可用下式计算式中Rc——接触电阻;Rs——两接触面的收缩电阻;R——单位面积的表面膜电阻。两种材料的硬度相差不大,故与铜锡导线的实际接触面积可以看作近似相等,即实际电接触凸体半径近似相等。且浸铜碳滑板材料在摩擦过程中接触面会产生一层碳润滑膜,碳的电阻率要大于铜的电阻率,即浸铜碳滑板的电阻率远大于铜基粉末冶金滑板的电阻率,表明前者的收缩电阻以及表面膜电阻明显大于后者的收缩接触电阻与表面膜电阻。亦即浸铜碳滑板的接触电阻大于铜基粉末冶金滑板的接触电阻,实验结果与之吻合。在电流作用下,接触面的温度很高,特别是在大电流作用下,有时甚至达到400℃以上。接触面温度的上升是由接触面内部释放的热引起的。接触表面的热由三部分构成,即相对滑动时产生的摩擦热、接触电阻产生的焦耳热、接触中断时产生的电弧热。磨损表面单位线长度上产生的热量可以由下式表示式中Qf——摩擦热;Qr——电阻热;它们可以分别由以下公式计算式中μ——摩擦系数;ε——总滑动时间中接触断开所占比例,1-ε为总滑动时间中导线与滑板接触时间所占比例;S——相对滑动的距离;电力机车在行进过程中由于受流装置弹性系统的存在,会导致滑板离线,当接触压力合适时会减少离线现象。受流情况下,滑板离线瞬间电流急剧减小,导线就因自感感应出高压,产生连续的强电火花,增加电弧烧蚀。感应电动势可由下式计算得出电路中断时,电流i→0,故Ri→0,UaE,这意味着接触突然中断时,会产生一个远远高于原电压的感应电动势。Shunichi通过一个测量装置测出小电流情况下接触中断时产生的感应电动势,当E=100V,Ua=156V,而且感应电动势随接触线滑板间接触条件不同而不同。为了对引起滑板温升的热能所占比例进行分析,论文利用式(4)~式(7),经过计算得出了摩擦热、焦耳热、电弧热的能量表格,这里p=50N,浸铜碳滑板的ε=5%,v=8.3m/s,铜基粉末冶金滑板的ε=10%,而U和Ua因电流不同而不同,数据见表2。研究表明,当滑板与接触导线发生相对滑动时,接触面内部就会产生摩擦热,它与电流关系不大。引起滑板温升的三种影响因素随着电流的增加,热能所占比例也在发生变化。接触电流在0~250A时,造成浸铜碳滑板温升的主要因素为摩擦热与焦耳热,大于250A时则以焦耳热与电弧热为主;接触电流0~200A时,摩擦热与焦耳热是造成铜基粉末冶金滑板温升的主要因素,大于200A时则以焦耳热、电弧热为主。5不同电流条件下浸铜碳4-5热点(1)相同接触压力、接触电流情况下铜基粉末冶金滑板的接触电阻小于浸铜碳滑板的接触电阻;相同接触压力、不同接触电流情况下,后者的接触电阻变化率小于前者的接触电阻变化率。同时得出浸铜碳滑板的受流稳定性较好。(2)相同载流下,两种材料的滑板温度随着时间上升,且速率不同;同一时刻,随着电流的增大,浸铜碳滑板的温升幅度大于铜基粉末冶金滑板的温升幅度,但后者的温升幅度逐渐减小。理论分析得出:小电流时,造成两种滑板材料温升的主要因素为摩擦热与焦耳热;当电流增大到一定值,引起滑板温升的主要原因发生变化,