李俁辰，王智勇，郭鳳儀，韓聰信

（1.遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.溫州大學 電氣與電子工程學院，浙江 溫州 325035）

0 引言

電氣化鐵路中，弓網接觸的關系是列車安全、高效運行的關鍵，其中接觸表面的接觸狀態(tài)是衡量接觸性能好壞的重要標準之一.在實際接觸中，由于接觸表面粗糙不平，即使在較大的接觸壓力下，接觸內表面也只有極少數的點（小面）發(fā)生真正的接觸.當粗糙表面通過不同的電流時，由于所受到的接觸壓力、滑動速度和運行時間不同，粗糙表面的變化有所不同，因此，對滑動電接觸粗糙表面的研究具有非常重要的理論與工程應用意義.

目前國內外對滑動電接觸表面的微觀研究取得一些成果.文獻[1]研究了電極顯微結構表征，發(fā)現隨著峰值電流和傳遞電荷量的增大，電極燒蝕范圍逐漸增大，燒蝕坑面積和深度增大，表面熔融化、熔融液滴鋪展和表面微突起現象越顯著.文獻[2]對W-Ni-Fe和W-Cu電極分別在100 kA級脈沖電流下測試了10 000次，發(fā)現W-Ni-Fe電極表面粗糙度增加到了3 μm，而W-Cu電極表面粗糙度也出現了不同程度地增加.文獻[3]通過能譜儀結合顯微圖像分析了不同燒蝕特征的元素分布情況.文獻[4]運用掃描電子顯微鏡，分析了銅鎢合金燒蝕形貌對應的元素組分，發(fā)現電極表面明亮區(qū)域為凸起，主要成分是鎢；灰暗區(qū)域為析出的鎢沒有覆蓋的區(qū)域，主要成分為銅.文獻[5]研究表明，在高速和大電流情況下電極材料會影響摩擦副的電性能，并且適當的壓力有利于改進電接觸性能.文獻[6]分析了粗糙工程表面的典型實驗數據，發(fā)現在納米和微米尺度上粗糙表面的高度分布不符合高斯分布.目前對滑動電接觸微觀表面研究主要集中在單獨的接觸電流、接觸壓力等因素對表面粗糙度的影響，而鮮有文獻結合多條件共同對滑動電接觸表面特征進行分析和研究.

近年來課題組一直從事弓網滑動電接觸的研究工作[7-10]，已獲得比較深入的研究成果.在此基礎之上，本文利用自制滑動電接觸實驗機開展載流摩擦實驗，研究不同的接觸壓力、接觸電流、滑動速度和運行時間對摩擦副表面粗糙度的影響，并對實驗結果進行了理論分析.

1 實驗設計

1.1 實驗系統

實驗系統見圖1.高性能滑動電接觸實驗機真實地模擬了弓網系統中接觸導線和滑板之間的“之”字形運動形式，同時可以實現對整個滑動電接觸過程中多種實驗參數的實時檢測.該實驗機可以使接觸導線和滑板之間的滑動速度在 0～283 km/h可調、最大加載電流最大可達800 A[7].

圖1 高性能滑動電接觸實驗機Fig.1 high-performance sliding electrical contact testing machine

1.2 實驗方案與器材

利用自制的滑動電接觸實驗機，在保證其他條件不變時，分別在接觸電流100～200 A、接觸壓力60～80 N、運行時間10～30 min、滑動速度70～110 km/h的條件下進行載流實驗.

實驗材料為浸金屬碳滑板和純銅導線.在室溫20 ℃、標準大氣壓時浸金屬碳滑板.滑板物理參數見表1，化學成分參數見表2.實驗使用JD520型粗糙度儀與4XC-TV型金相顯微鏡觀測微觀形貌.

表1 滑板物理性能參數Tab.1 physical performance parameters of slide

表2 滑板材料化學成分質量分數Tab.2 chemical composition of slide material

2 典型測量與粗糙參數定義

2.1 典型測量結果

圖2為實驗中所用滑板粗糙度原始輪廓曲線.

圖2 原始輪廓Fig.2 original contour

圖3為磨損前、磨損后滑板的顯微圖片.由圖3可以看出，磨損后滑板表面的磨痕更多、更密，出現了大塊的、不規(guī)則的斑塊，表面形貌發(fā)生了明顯的變化.

圖3 滑板在400倍下磨損前后的顯微圖片Fig.3 micrographs of the skateboard before and after wear

2.2 粗糙表面參數定義

微觀形貌觀測能夠直觀地反映許多信息.一般地，表面輪廓曲線被用來描述表面的粗糙程度，得到一些統計意義上的平均值，包括輪廓算術平均偏差Ra、輪廓最大高度Rz和均方根粗糙度Rq，Ra、Rz和Rq分別按式（1）～式（3）計算.

將表面輪廓曲線中高度大于等于2 μm的點稱為峰值點，小于等于-2 μm的點為低谷點.峰值點個數占總點數的百分比為Xf，低谷點個數占總點數的百分比為Xd.Xf和Xd分別按式（4）和式（5）計算.

式（1）～式（5）中，Ra為輪廓算術平均偏差，μm；l為取樣長度，mm；yi為輪廓最大高度；Rz為輪廓最大高度，μm；Zpi為輪廓最大高度正值，μm；Zvi為輪廓最大高度負值，μm；Rq為均方根粗糙度，μm；zn為輪廓最大高度或最小高度，μm；n為取樣長度內輪廓最大或最小高度的總點數；f為峰值點數的平均值；s為總點數；d為低谷點數的平均值.

3 實驗結果及理論分析

3.1 不同運行時間的實驗結果與分析

接觸壓力70 N、滑動速度70 km/h、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數Ra、Rz和Rq隨運行時間的變化趨勢見圖4.

圖4 粗糙表面高度與運行時間的關系Fig.4 relation between rough surface height and running time

由圖4可知，隨著運行時間的增長，Ra、Rz和Rq為增加趨勢.當接觸時間10～20 min時，Rz明顯增加而后緩慢增加，Ra則表現為緩慢增加趨勢，Rq在運行10 min后也明顯增加，到達20 min后開始增加緩慢.這是因為，開始運行時，由于時間過短，滑板與接觸導線尚未磨合所以粗糙度變化比較明顯，隨著運行時間的增加，當經過磨合期以后，粗糙度變化逐漸穩(wěn)定.

由表3可見，隨著運行時間不斷增加，Xf的占比也呈現增加趨勢，并且在運行10 min后增加的幅度明顯.Xd變化情況與Xf變化一致，都為增加趨勢.造成這種大幅度增加的原因是，隨著運行時間的增加，滑板表面磨損的部分在相對較高的溫度和空氣動力等原因下，磨損掉的粉塵又重新附著在滑板表面并形成不規(guī)則的斑塊，進而導致滑板粗糙度增加.

表3 Xf和Xd與運行時間的關系Tab.3 relationship between Xf , Xd and running time

3.2 不同接觸電流的實驗結果與分析

接觸壓力70 N、滑動速度70 km/h、運行時間10 min條件下，粗糙度參數Ra、Rz和Rq隨接觸電流的變化趨勢見圖5.由圖5可知，電流從100 A增加到150 A過程中，Rz明顯下降，而增加到200 A時，Rz又略微增加，Ra變化趨勢與Rz一致，都為先減小后增加，但變化幅度不大.電流從100 A增加到150 A過程中，Rq呈現明顯減小趨勢，增加到200 A時又有微小增加.

圖5 粗糙表面高度與接觸電流的關系Fig.5 relation between rough surface height and contact current

由表4可見，隨著接觸電流的不斷增加到150 A時，Xf出現大幅度的減少，相比較而言，Xd的變化比較緩慢并且呈現減少趨勢.由于電流的介入，產生的電弧熱和電阻熱使接觸表面溫度升高，摩擦副的抗塑變能力減弱，微凸峰之間的相互阻礙作用減小，接觸點的剪切抗力降低，接觸面積增大，使摩擦表面接觸更加緊密.這是因為隨著接觸電流增加，溫度升高，大電流會使接觸表面的軟化加劇，局部較大的電流密度足以摧毀氧化物和磨損碎屑層，使磨損加劇、接觸表面惡化嚴重，進而導致表面更加粗糙[8].從Xf和Xd變化的幅度看出，隨著接觸電流的增加，滑板表面的磨損變的逐漸均勻.

表4 Xf和Xd與接觸電流的關系Tab.4 relationship between Xf and Xd and contact current

3.3 不同滑動速度的實驗結果與分析

接觸壓力70 N、運行時間10 min、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數Ra、Rz和Rq隨滑動速度的變化趨勢見圖6.由圖6可知，當滑動速度逐漸增加時，Rz也逐漸增加.當滑動速度增加到 110 km/h時，Rz變化幅度有略微增加，Ra變化趨勢與Rz相同，但變化幅度較小.

圖6 粗糙表面高度與滑動速度的關系Fig.6 relation between rough surface height and sliding speed

由表5可見，在滑動速度的影響下，Xf和Xd變化均不明顯，并且Xf的數值很小，進而判斷出磨損比較均勻.隨著滑動速度的增加，影響滑板粗糙表面的因素主要反映在以下方面：一是高速運行時離線次數有所增加；二是高速運行增加了滑板接觸面因滑動摩擦產生的熱量，導致滑板表面溫度有所上升，引起滑板表面狀況惡化.在相同的接觸壓力、接觸電流和運行時間條件下，滑動速度較低時，滑板所受的慣性力較小，實際接觸壓力變化不大，接觸斑點的數目和形貌變化較小，而滑動速度增加到110 km/h時，由于高速轉動，慣性力和空氣動力明顯增加，導致容易形成電弧.因此增加了滑板的磨損，使滑板表面的粗糙度增加.

表5 Xf和Xd與滑動速度的關系Tab.5 relationship between Xf and Xd and sliding speed

3.4 不同接觸壓力的實驗結果與分析

運行時間10 min、滑動速度70 km/h、接觸電流150 A條件下，粗糙度參數Ra、Rz和Rq隨接觸壓力的變化趨勢見圖7.由圖7可知，當接觸壓力逐漸增加時，Rz逐漸降低，Ra變化趨勢與Rz相同，但變化幅度更小，Rq雖然成減小趨勢但是減小的幅度由于過小，可以認為基本不變.

圖7 粗糙表面高度與接觸壓力的關系Fig.7 relationship between rough surface height and contact pressure

從表6可見，接觸壓力為60 N時，Xf為0，當接觸壓力逐漸變大時Xf出現，但數值非常小.相反，Xd的數值卻隨著接觸壓力的增加而減小.這是由于隨著接觸壓力的增加，導線和滑板離線現象減少.滑板的機械磨損隨著接觸壓力的增加而增加.滑板離線瞬間產生的電弧現象，電弧侵蝕也會使滑板表面變形、變質而增大機械磨損量.另外，隨著接觸壓力的增加，發(fā)生塑性形變的斑點增多，總的實際接觸面積擴大，兩接觸表面未接觸部分逐步互相靠近.隨著滑板和導線接觸的更加緊密，表面粗糙度下降.

表6 Xf和Xd與接觸壓力的關系Tab.6 relationship between Xf and Xd and contact pressure

4 結論

（1）開展了滑動電接觸載流實驗，研究了弓網摩擦副表面粗糙度隨接觸壓力、接觸電流、運行時間和滑動速度等因素的變化規(guī)律.

（2）從粗糙度參數特性看，運行時間越長、滑動速度越快，摩擦副表面粗糙度值越大；增大接觸電流，則摩擦副表面粗糙度值先減小后略微增加；接觸壓力越大，摩擦副表面粗糙度值越小.

（3）運行時間越長，接觸壓力越大，摩擦副表面磨損越不均勻，差異較大；接觸電流越大，滑動速度越大，摩擦副表面越均勻，差異較小.