接觸面受流摩擦?xí)r的磨損行為研究

接觸面受流摩擦?xí)r的磨損行為研究

1對(duì)接觸網(wǎng)的影響由于電子機(jī)車通過在電子表格-儀表和接觸線之間的滑動(dòng)接觸而獲得能源，。電力機(jī)車能否獲得足夠的牽引力并可靠運(yùn)行,取決于受電弓能否從接觸網(wǎng)系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的電流。而影響電力機(jī)車受流穩(wěn)定性的因素很多,比如現(xiàn)場溫度、濕度、滑板導(dǎo)線的材料、電力機(jī)車的運(yùn)行速度、電流大小等。隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展,電力機(jī)車的速度不斷得到提高,高速的電力機(jī)車對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流能力提出更高的要求。目前普通電力機(jī)車從電網(wǎng)采集的電流在400A左右,高速電力機(jī)車將提高到800A,甚至更大。較大的電流將導(dǎo)致滑板局部高溫、磨耗嚴(yán)重,甚至發(fā)生接觸導(dǎo)線熔斷、斷線現(xiàn)象,因此對(duì)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)提出了更高的要求。論文針對(duì)滑板與導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重的問題,利用研制的高性能滑動(dòng)電接觸試驗(yàn)機(jī),對(duì)不同電流下,銅基粉末冶金滑板、浸銅碳滑板兩種材料與銅錫導(dǎo)線進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn),并對(duì)滑動(dòng)電接觸磨損性能進(jìn)行分析研究。2試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理為了對(duì)高速滑動(dòng)電接觸下磨耗性能進(jìn)行研究,作者自行開發(fā)研制了高性能滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)機(jī)械原理如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)機(jī)可調(diào)速度范圍大,能夠?qū)崿F(xiàn)接觸導(dǎo)線和滑板之間的運(yùn)行速度在0~283km/h之間可調(diào);所加載電流最大可達(dá)800A;而導(dǎo)線與滑板之間的靜態(tài)接觸壓力可以通過改變砝碼桶中的砝碼來實(shí)現(xiàn),使其在0~100N之間改變。實(shí)驗(yàn)機(jī)利用定滑輪與砝碼的耦合模擬機(jī)車彈性受流系統(tǒng),從而對(duì)動(dòng)態(tài)接觸壓力下的摩擦磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)研究;同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)磨損率、摩擦系數(shù)、接觸電阻等參數(shù)的測(cè)量,并對(duì)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)以備日后數(shù)據(jù)處理。其中磨損率采用失重法測(cè)量;接觸面溫度通過?，擜R872D型非接觸紅外測(cè)溫儀等時(shí)間間隔測(cè)量;接觸電阻通過公式R=U/I計(jì)算得出,U和I分別是滑板與導(dǎo)線之間的接觸電壓與接觸電流,可通過電壓、電流互感器實(shí)時(shí)測(cè)量。而摩擦系數(shù)是通過對(duì)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得到,計(jì)算公式如下:式中Ft——摩擦力;Fr——加載力;實(shí)驗(yàn)中用到兩種材料的滑板和截面積為120mm2的銅錫合金導(dǎo)線。兩種材料的滑板分別為銅基粉末冶金滑板、浸銅碳滑板?；逶O(shè)計(jì)尺寸如圖2所示,滑板與導(dǎo)線參數(shù)見表1。3滑動(dòng)電接觸特性分析圖3、圖4分別為浸銅碳滑板和銅基粉末冶金滑板與導(dǎo)線在接觸壓力50N、滑動(dòng)速度30km/h、接觸電流150A時(shí)的接觸電阻。從圖3、圖4可以看出,在試驗(yàn)條件不變的情況下,接觸電阻不是恒定值,而是隨著時(shí)間的延長在不斷地波動(dòng)。在每一個(gè)載流摩擦試驗(yàn)過程中,接觸電阻都經(jīng)歷了一個(gè)從較大的初始值迅速降低的過程,而后圍繞一個(gè)中值上下波動(dòng)。為了進(jìn)一步分析滑動(dòng)電接觸特性,作者通過浸銅碳滑板、銅基粉末冶金滑板兩種材料的滑板與銅錫導(dǎo)線的對(duì)磨實(shí)驗(yàn)。對(duì)接觸壓力50N,滑動(dòng)速度30km/h,載流分別為150A、200A、250A、300A、350A時(shí)的平均接觸電阻和滑板溫升、磨損情況進(jìn)行分析研究。3.1電流的影響不同接觸電流下滑板與導(dǎo)線的接觸電阻變化趨勢(shì)如圖5所示。從圖5可以看出銅基粉末冶金滑板在接觸電流150A時(shí),滑板與導(dǎo)線之間的接觸電阻很小,為0.0021Ω。隨著電流的增加接觸電阻增大,接觸電流為350A時(shí),接觸電阻達(dá)到0.0045Ω,增加了2倍多,近似線性變化。這可能是由于電流的增大,增強(qiáng)了電弧燒蝕,弧根部的凸峰增大,且磨損過程中,滑板溫度的升高使磨粒黏著增強(qiáng),實(shí)際的接觸點(diǎn)減少,接觸電阻增大。浸銅碳滑板與導(dǎo)線的接觸電阻變化趨勢(shì)與銅基材料相同,接觸電流150A時(shí)的接觸電阻平均值為0.0058Ω;接觸電流350A時(shí),接觸電阻增加到0.0066Ω。分析原因:隨著電流的增大,由于滑板內(nèi)碳潤滑劑的存在,在接觸表面形成一種膜,導(dǎo)致接觸電阻緩慢上升。通過對(duì)圖3、圖4比較可知,浸銅碳滑板與導(dǎo)線的接觸電阻隨著時(shí)間的延續(xù)波動(dòng)較小。同時(shí)由圖5的兩條曲線可以看出,浸銅碳滑板與導(dǎo)線的接觸電阻變化趨勢(shì)較緩。說明隨著電流的增大,浸銅碳滑板的受流穩(wěn)定性要比銅基粉末冶金材料的受流穩(wěn)定性好。3.2電流對(duì)銅基粉末45和5.25磨耗實(shí)驗(yàn)是在室溫14℃下進(jìn)行的,因此滑板溫升是通過接觸面溫度減去室溫得到。圖6、圖7為滑板在不同接觸電流下溫升隨時(shí)間的變化曲線,由圖可知:(1)相同接觸電流情況下,兩種材料的滑板溫度隨著時(shí)間的延長都在上升,且上升速率不同。(2)同一時(shí)刻,隨著電流的增加滑板溫度上升,大于200A時(shí)浸銅碳滑板的溫升幅度大于銅基粉末冶金滑板的溫升幅度。(3)在同一時(shí)刻,隨著接觸電流的增大銅基粉末冶金滑板溫升幅度逐漸減小,說明接觸電流的增大對(duì)銅基粉末冶金滑板的溫升影響不大。而浸銅碳滑板在150A、200A、250A時(shí)溫升曲線近似等間距平行;接觸電流300A之后,在同一時(shí)刻,電流對(duì)浸銅碳滑板的溫升影響作用逐漸減小;但是同一電流下隨著時(shí)間的延長,溫升較大。載流磨損過程中,影響滑板溫升的主要因素有:摩擦熱、焦耳熱、電弧熱、熱傳導(dǎo)。由理論分析中表2的理論計(jì)算結(jié)果可知,兩種滑板材料產(chǎn)生的摩擦熱幾乎相等,電流對(duì)它的影響不大。由圖5可以看出銅基粉末冶金滑板與導(dǎo)線的接觸電阻小于浸銅碳滑板與導(dǎo)線的接觸電阻,故相同接觸電流情況下前者產(chǎn)生的焦耳熱要小于后者產(chǎn)生的焦耳熱。銅基粉末冶金滑板、浸銅碳滑板分別與銅錫導(dǎo)線發(fā)生對(duì)磨實(shí)驗(yàn)時(shí),前者接觸面間有刺眼的弧光,而后者接觸面產(chǎn)生的弧光較弱,表明電弧熱對(duì)前者的溫升影響作用相對(duì)較大,這可能是由于浸銅碳滑板中的碳潤滑劑對(duì)電弧的形成產(chǎn)生一定抑制作用的結(jié)果。對(duì)于兩種材料的熱導(dǎo)率,銅基粉末冶金滑板的熱導(dǎo)率是浸銅碳滑板熱導(dǎo)率的13倍,可見,前者的熱傳導(dǎo)性能明顯好于后者,即銅基粉末冶金滑板的散熱性能非常好。因此在兩種滑板接觸面產(chǎn)生的熱量近似相等的條件下,銅基粉末冶金滑板的溫升較慢,即表現(xiàn)為圖6、圖7中所示在相同電流條件下,銅基粉末冶金滑板的溫升曲線較高。3.3銅基粉末4-1圖8顯示了浸銅碳滑板與銅基粉末冶金滑板材料的磨耗率變化曲線。由圖8可知:(1)兩種材料的滑板磨耗率隨著電流的增大而增大,增幅不同;(2)接觸電流相同時(shí),銅基粉末冶金滑板的磨耗率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于浸銅碳滑板的磨耗率;(3)浸銅碳滑板的磨損率隨著電流的增大上升比較緩慢,而銅基粉末冶金滑板在150~250A之間變化率較高,250A之后開始平緩。實(shí)驗(yàn)過程中,銅基粉末冶金滑板摩擦副接觸面出現(xiàn)刺眼的弧光,宏觀上看接觸表面上出現(xiàn)大量的飛濺顆粒。因?yàn)殡娀”旧淼臏囟饶軌蜻_(dá)到3500~4000K,故瞬間產(chǎn)生的熱量非常大,接觸表面的弧根部位容易被燒蝕甚至熔化,然而從圖7可以看出滑板接觸面溫度并不高,該溫度低于材料氧化起始溫度(580℃),因此滑板溫升不是引起其受流磨耗量較高的主要原因,而是由于電弧瞬間侵蝕引起摩擦表面嚴(yán)重破壞以及蠟基潤滑劑的失效,導(dǎo)致銅基粉末冶金滑板出現(xiàn)了嚴(yán)重磨粒磨損與黏著磨損,使載流磨損增大。浸銅碳滑板摩擦副受流磨損過程中接觸面產(chǎn)生的電弧比較微弱,故電弧熱產(chǎn)生的滑板溫升較小。由于浸銅碳滑板的開口氣孔率為8%,浸漬的銅元素一方面增加了碳滑板的強(qiáng)度;另一方面降低了碳滑板材料內(nèi)部的氧含量。隨著電流的增大,滑板溫度快速上升,但尚未達(dá)到碳的氧化溫度(600℃),故氧化速度較慢,由于碳的潤滑和耐電弧性能,使浸銅碳滑板的耐受流磨損性能提高,磨耗率上升緩慢。4浸銅碳4滑板板的溫升滑板與導(dǎo)線的接觸面上存在著微小的接觸點(diǎn)。當(dāng)電力機(jī)車從電網(wǎng)獲取電流時(shí),這些接觸點(diǎn)不僅支撐載荷,而且承受摩擦功和電流流過接觸電阻所引起的熱流。電流收縮及機(jī)械載荷的高度集中會(huì)產(chǎn)生高密度的焦耳熱,隨著熱量的積累,接觸點(diǎn)溫度升高,滑板材料性能改變,當(dāng)其不能繼續(xù)支撐接觸載荷時(shí),接觸點(diǎn)遭受破壞,直到形成一個(gè)新的接觸點(diǎn)重新支撐載荷為止,這樣終而復(fù)始構(gòu)成了滑動(dòng)電接觸情況下的磨損行為。載流條件下,接觸面間氧化物的存在改變了摩擦副的接觸方式,由金屬對(duì)金屬的接觸變?yōu)榻饘佟谎趸铩饘俚慕佑|,而氧化物的導(dǎo)電性比金屬差,這就導(dǎo)致了接觸電阻的增強(qiáng)。接觸電阻是表征接觸表面電特性的參數(shù),對(duì)于點(diǎn)狀接觸的粗糙表面,接觸電阻可用下式計(jì)算式中Rc——接觸電阻;Rs——兩接觸面的收縮電阻;R——單位面積的表面膜電阻。兩種材料的硬度相差不大,故與銅錫導(dǎo)線的實(shí)際接觸面積可以看作近似相等,即實(shí)際電接觸凸體半徑近似相等。且浸銅碳滑板材料在摩擦過程中接觸面會(huì)產(chǎn)生一層碳潤滑膜,碳的電阻率要大于銅的電阻率,即浸銅碳滑板的電阻率遠(yuǎn)大于銅基粉末冶金滑板的電阻率,表明前者的收縮電阻以及表面膜電阻明顯大于后者的收縮接觸電阻與表面膜電阻。亦即浸銅碳滑板的接觸電阻大于銅基粉末冶金滑板的接觸電阻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之吻合。在電流作用下,接觸面的溫度很高,特別是在大電流作用下,有時(shí)甚至達(dá)到400℃以上。接觸面溫度的上升是由接觸面內(nèi)部釋放的熱引起的。接觸表面的熱由三部分構(gòu)成,即相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱、接觸電阻產(chǎn)生的焦耳熱、接觸中斷時(shí)產(chǎn)生的電弧熱。磨損表面單位線長度上產(chǎn)生的熱量可以由下式表示式中Qf——摩擦熱;Qr——電阻熱;它們可以分別由以下公式計(jì)算式中μ——摩擦系數(shù);ε——總滑動(dòng)時(shí)間中接觸斷開所占比例,1-ε為總滑動(dòng)時(shí)間中導(dǎo)線與滑板接觸時(shí)間所占比例;S——相對(duì)滑動(dòng)的距離;電力機(jī)車在行進(jìn)過程中由于受流裝置彈性系統(tǒng)的存在,會(huì)導(dǎo)致滑板離線,當(dāng)接觸壓力合適時(shí)會(huì)減少離線現(xiàn)象。受流情況下,滑板離線瞬間電流急劇減小,導(dǎo)線就因自感感應(yīng)出高壓,產(chǎn)生連續(xù)的強(qiáng)電火花,增加電弧燒蝕。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可由下式計(jì)算得出電路中斷時(shí),電流i→0,故Ri→0,UaE,這意味著接觸突然中斷時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原電壓的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。Shunichi通過一個(gè)測(cè)量裝置測(cè)出小電流情況下接觸中斷時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),當(dāng)E=100V,Ua=156V,而且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨接觸線滑板間接觸條件不同而不同。為了對(duì)引起滑板溫升的熱能所占比例進(jìn)行分析,論文利用式(4)~式(7),經(jīng)過計(jì)算得出了摩擦熱、焦耳熱、電弧熱的能量表格,這里p=50N,浸銅碳滑板的ε=5%,v=8.3m/s,銅基粉末冶金滑板的ε=10%,而U和Ua因電流不同而不同,數(shù)據(jù)見表2。研究表明,當(dāng)滑板與接觸導(dǎo)線發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),接觸面內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生摩擦熱,它與電流關(guān)系不大。引起滑板溫升的三種影響因素隨著電流的增加,熱能所占比例也在發(fā)生變化。接觸電流在0~250A時(shí),造成浸銅碳滑板溫升的主要因素為摩擦熱與焦耳熱,大于250A時(shí)則以焦耳熱與電弧熱為主;接觸電流0~200A時(shí),摩擦熱與焦耳熱是造成銅基粉末冶金滑板溫升的主要因素,大于200A時(shí)則以焦耳熱、電弧熱為主。5不同電流條件下浸銅碳4-5熱點(diǎn)(1)相同接觸壓力、接觸電流情況下銅基粉末冶金滑板的接觸電阻小于浸銅碳滑板的接觸電阻;相同接觸壓力、不同接觸電流情況下,后者的接觸電阻變化率小于前者的接觸電阻變化率。同時(shí)得出浸銅碳滑板的受流穩(wěn)定性較好。(2)相同載流下,兩種材料的滑板溫度隨著時(shí)間上升,且速率不同;同一時(shí)刻,隨著電流的增大,浸銅碳滑板的溫升幅度大于銅基粉末冶金滑板的溫升幅度,但后者的溫升幅度逐漸減小。理論分析得出:小電流時(shí),造成兩種滑板材料溫升的主要因素為摩擦熱與焦耳熱;當(dāng)電流增大到一定值,引起滑板溫升的主要原因發(fā)生變化,