不锈钢与地铁集电靴用浸金属碳材料的摩擦磨损性能研究.docx
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不锈钢与地铁集电靴用浸金属碳材料的摩擦磨损性能研究
从电气化列车诞生的那一刻起,电气化列车取流系统就是众多学者专家研究探索的“宠儿”。
与架空接触网相比,“第三轨”供电系统具有使用寿命长、运营可靠、维修量少、便于管理、电能损耗小和美观等优点,被越来越多的设计单位和用户采用[1-2]。
然而,集电靴/“第三轨”摩擦副的工况条件十分恶劣,在地铁高速前行时,外部是雨雪、冰雹、横风、飞鸟等多变环境,内部是接触摩擦处的高电压、强电流、摩擦热、电弧烧蚀等[3-5]。
国内外学者关于载流磨损的研究大都集中在弓/网系统受电弓滑板和接触线间的载流质量[6-7]、接触电阻[8]、材料种类[9]、离线电弧[10]、振动[11]、环境[12-13]、纤维取向[14]和磨屑[15]等方面的影响,而有关地铁集电靴和接触轨的载流摩擦学试验研究相对较少。
集电靴在接触轨上滑动运行获取电流,接触力、电流和滑动速度的大小直接影响集电靴和接触轨的磨耗,进而影响列车取流效率和稳定运行[16]。
因此,研究载荷、电流、滑动速度对地铁集电靴和接触轨材料磨耗的影响有重要实用价值。
本文利用高速载流摩擦磨损试验机模拟集电靴/接触轨的接触状态,研究了电流、滑动速度和加载力对浸金属碳销与不锈钢盘试样载流摩擦磨损性能的影响,对减缓集电靴和接触轨的磨耗、延长接触副的使用寿命、提高地铁运营接触副材料的更换周期具有重要的现实意义。
1. 实验材料及方法
1.1 试验设备
图1所示为试验使用盘-销式高速载流摩擦磨损试验机。
试验机由主机、交流恒流电源、电控柜、计算机、打印机5大部分组成。
试验时电控柜控制伺服电机运转,通过弹簧和载荷传感器向左顶加力轴,使得销试样向左顶盘试样实现加载,为销-盘摩擦副提供加载力;销试样与盘试样接触后,与可变电阻、电流计、交流恒流电源形成闭合回路,为销-盘摩擦副提供电流;盘试样在主电机带动下转动,为销在盘试样上摩擦提供滑动速度。
在加力轴两侧设置拉压力传感器,可实时测量加力轴扭矩;加力轴尾端设置高精度位移传感器,可测量销试样的磨损量;销试样上设置热电偶传感器,可测量摩擦副的温度。
计算机实时监测并采集试验中的速度、电流、加载力、摩擦系数、接触副温升、扭矩、磨损量等数据。
图 1 盘-销式高速载流摩擦磨损试验机原理图
Figure 1. Schematicdiagramofpin-on-diskhighspeedfrictionandweartester
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1.2 材料与试验参数
盘试样材料选用地铁广泛使用的钢铝复合轨不锈钢,将其加工成ϕ258mm×16mm的圆盘;集电靴使用地铁上常用的浸金属碳材料,将其加工成ϕ16mm×36mm的销试样。
不锈钢圆盘与浸金属碳销试样材料化学组分如表1所示。
为确保摩擦副接触良好,试验前分别用60#、360#砂纸打磨不锈钢盘与浸金属碳销试样。
试验选取参数如下:
加载力Fn =50、70、90和110N,滑动速度v =50、75、100和125km/h,试验电流I =0、100、150和200A,试验时间T =1800s。
表 1 接触副材料化学成分(质量分数)
Table 1. Chemicalcompositionofcontactcouple %
接触副材料
主要成分
其他成分
浸金属碳
61.4%C、37.7%Cu
S、Si、O
不锈钢
20.6%Cr、5.3%Ni、74.0%Fe
Mn、Si
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2. 结果与分析
2.1 实验参数对摩擦系数的影响
图2所示为不锈钢盘件与浸金属碳销试样间摩擦系数与滑动速度、电流的变化关系。
如图所示,接触副摩擦系数随着滑动速度的增加而增加。
不通电摩擦系数整体较大,载流后摩擦系数随电流的增加而逐渐降低。
无电流时,不同滑动速度下摩擦系数都比较大,均在0.195~0.220之间波动;当电流通过时,摩擦系数在0.16~0.20之间波动,且摩擦系数随滑动速度的增加稍有增加,随着电流的增大而显著减小。
无电流时,接触副在滑动过程中产生的摩擦热和电流热都引起接触面温度的升高。
在载流条件下,接触处温度较高,局部温度达到250~600℃[17],高温下浸金属碳材料熔融,渗出熔融金属在摩擦表面随着滑动挤压形成金属氧化膜,氧化膜的润滑作用导致了摩擦系数的减小[18]。
摩擦系数随滑动速度增大而稍微增加原因是:
一方面,滑动速度增加,接触材料的磨损量逐渐增加,摩擦表面粗糙度变大,接触面微凸体阻力变大,导致摩擦系数增加[19];另一方面,滑动速度增加,销-盘接触副出现颤振,振动造成接触处材料黏着,从而导致摩擦系数增加。
图 2 摩擦系数与滑动速度和电流的变化关系
Figure 2. Variationsoffrictioncoefficientwithslidingspeedandelectriccurrent
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图3显示了不锈钢盘件与浸金属碳销试样间摩擦系数与加载力的变化趋势。
从图3可以看出,随着加载力的增加,摩擦系数呈上升趋势,当加载力为110N时,上升趋势趋于平缓。
加载力增大使得摩擦副间的磨屑对接触副表面刮蹭加剧,表面接触特性被破坏导致摩擦系数上升。
图 3 摩擦系数随加载力的变化关系
Figure 3. Variationsoffrictioncoefficientwithloadingforce
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2.2 实验参数对磨损量的影响
图4所示为集电靴浸金属碳磨损量随滑动速度和电流的变化曲线。
如图所示,接触副间磨损量随滑动速度增加而增加。
无电流时,浸金属碳磨损量很小,均在0.12~0.14mm波动,随着滑动速度的增长缓慢增大。
载流条件下,浸金属碳磨损量随滑动速度的增加而明显增大,且磨损量整体随着电流的增加而显著增大,200A时磨损量高达0.266mm。
滑动速度越快,摩擦副间的相对滑动频率越高,接触面间的挤压、剪切增加从而导致接触副材料磨损加剧。
同时,电流产生的焦耳热和电弧热造成接触处温度升高,引起高温磨损,导致接触副磨损加剧。
此外,相同滑动速度下,电流越大电弧放电越严重,电弧能量越强,电弧对接触副材料的侵蚀作用造成接触副破坏加剧,故浸金属碳的磨损量不断增加。
图 4 磨损量随滑动速度和电流的变化
Figure 4. Variationsofabrasionlosswithslidingspeedandelectriccurrent
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图5所示为集电靴浸金属碳磨损量随加载力的变化曲线。
磨损量随着加载力的增加而增大,当加载力增加到一定值时(90~110N),磨损量曲线变得平缓,此后磨损量增量变小。
当载荷较小时,磨损量也较小,一般在0.15~0.16mm间波动;随着加载力和电流的增加,磨损量逐渐增大;当载荷趋于某一阈值时,电流的增加对材料磨损量的变化影响不大。
图 5 磨损量随加载力的变化
Figure 5. Variationsofabrasionlosswithloadingforce
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2.3 实验参数对磨损表面形貌的影响
图6所示为集电靴浸金属碳销试样磨损表面微观形貌。
无电流时,浸金属碳材料摩擦表面的浸渗金属和碳元素分布均匀,表面有明显的犁沟与磨屑,如图6(a)和图6(b)所示。
载流条件下,浸金属碳磨损表面主要表现为电弧烧蚀坑与剥落层,浸金属碳磨损表面犁沟有所减少,随着电流的增大,电弧侵蚀所引发的烧蚀坑与剥落现象越发严重,接触副材料磨损增加,如图6(c)和图6(d)所示。
其主要原因是:
载流过程中接触副在摩擦热、电弧热和焦耳热共同作用下,表面温度增加明显(试验中测得温度达到150℃以上),热磨损造成了表面损伤;与此同时,电流越高,电弧放电越强,电弧侵蚀也造成了接触副表面的损伤,损伤表面特性再次表明接触材料载流下磨损更重。
因此,在地铁集电靴接触轨载流摩擦磨损过程中,可以通过降低电弧放电和接触副温升的措施来延长集电靴的使用寿命。
图 6 不同电流条件下销试样磨损表面形貌:
(a),(b)I =0A;(c),(d)I =200A
Figure 6. Wearmorphologyofpinsamplesurfacesatdifferentelectriccurrents:
(a),(b) I =0A;(c),(d) I =200A
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2.4 实验参数对表面粗糙度的影响
图7所示为不同滑动速度和电流下浸金属碳表面粗糙度的变化。
如图所示,随着滑动速度和电流强度的增加,浸金属碳表面粗糙度不断增加,其磨损面接触质量逐渐恶化。
原因是随着滑动速度和电流强度增加,接触处放电加强,电弧侵蚀和热磨损增强,使得接触副磨损表面粗糙,接触性能恶化。
这也证实了摩擦表面接触性能随着电流和滑动速度的增加而恶化。
图8所示为浸金属碳磨损表面粗糙度随加载力的变化。
如图所示,随着加载力的增加,浸金属碳磨损表面粗糙度不断增加,且相同载荷下电流越高粗糙度越大。
其原因是加载力越大,磨屑里面的硬颗粒对摩擦面的划痕越深,从而导致粗糙度不断增加。
图 7 表面粗糙度随滑动速度和电流的变化
Figure 7. Changesofsurfaceroughnesswithslidingspeedandelectriccurrent
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图 8 表面粗糙度随加载力的变化
Figure 8. Changesofsurfaceroughnesswithloadingforce
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3. 结论
(1)载流摩擦过程中,接触副的摩擦系数随着加载力和滑动速度的增加而增加,随着电流的增加而减小。
(2)集电靴浸金属碳材料的磨损量随着加载力、滑动速度和电流的增加而增大。
当加载力在阈值90~100N时,磨损增量趋于平缓。
(3)集电靴浸金属碳材料磨损表面粗糙度随加载力、滑动速度和电流的增加而增加。
(4)加载电流时,集电靴浸金属碳磨损表面的犁沟减少,电弧侵蚀所引发的烧蚀坑与剥落现象表现得越来越严重,材料磨损量也增大。
为减小地铁集电靴材料的磨耗应当从控制温升与降低电弧着手,达到延长集电靴使用寿命的目的。
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