弓网振幅对纯碳及浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响

２０１５年９月　

第４０卷第９期　润滑与密封　

ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｓｅｐ．２０１５　

Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．９　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０ｔ５０．２０１５．０９．００５　

弓网振幅对纯碳及浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响　

陈伟陈光雄李红周培勇　

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所　四川成都６１００３１）　

摘要：应用环一块式摩擦磨损试验机研究不同弓网振动幅值下纯碳／铜合金和浸金属碳／铜合金２种摩擦副的载流摩　

擦磨损行为。试验结果表明：弓网之间在不间断地发生近似正弦规律的振动。２种摩擦副的电弧功率都随着振动幅值的　

增大呈现先增大后减小的趋势，纯碳滑块更容易发生起弧现象，电弧功率更大；２种摩擦副的摩擦因数都随着振动幅值　

的增大而减小，浸金属碳有更好的耐磨性。使用扫描电镜对滑块的磨损形貌进行观察，结果表明：在一定范围内，随着　

振动幅值的增大，电弧对纯碳和浸金属碳２种滑块材料的烧蚀程度均加剧；纯碳滑块电弧侵蚀的表现形式为烧蚀坑和热　

应力裂纹，浸金属碳滑块电弧侵蚀的表现形式为犁沟、材料剥离和烧蚀麻点。　

关键词：振动幅值；摩擦；磨损；电弧　

中图分类号：ＴＨ１　１７　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５４—０１５０（２０１５）０９—０２５—０５　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｏｎ　Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　

Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｐｕｒｅ　Ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅｔａｌ—ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ　

Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｒｉｐｓ　ｗｉｔｈ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　

Ｃｈｅｎ　Ｗｅｉ　Ｃｈｅｎ　Ｇ　ｕａｎｇｘｉｏｎｇ　Ｌｉ　Ｈｏｎｇ　Ｚｈｏｕ　Ｐｅｉｙｏｎｇ　

（Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｃｔｉｏｎ　Ｐｏｗｅｒ，Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｓ，ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｃａｒｂｏｎ／ｃｏｐｐｅｒ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｗｉｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ—　

ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ／ｃｏｐｐｅｒ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｗｉｒｅ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｏｎ　ａ　ｒｉｎｇ－・ｏｎ－－ｂｌｏｃｋ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｗｅａｒ　ｔｅｓｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆ－　

ｆｅｒｅｎｔ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅｓ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ａｎ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ　ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｉｐ　Ｏｃｃｕｒｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ—　

ｌｙ．Ｔｈｅ　ａｒｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｓ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　

ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｒｉｐ　ｅａｓｉｌｙ　ｃｒｅａｔｅｓ　ａｒｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ａｒｃ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　

ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｕｐｌｅｓ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ，ａｎｄ　ｍｅｔａｌ－ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ　

ｃａｒｂｏｎ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｈａｎ　ｐｕｒｅ　ｃａｒｂｏｎ．ＳＥＭ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｉｐｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ａｒｃ　ｅｒｏｓｉｏｎｓ　

ｏｆ　ｐｕｒｅ　ｃａｒｂｏｎ　ａｎｄ　ｍｅｔａｌ－ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ａｒｅ　ａｇｇｒａｖａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｗｉｔｈｉｎ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒａｎｇｅ．Ｅｒｏ—　

ｓｉｏｎ　ｐｉｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｒａｃｋｉｎｇｓ　ａｒｅ　ｔｗｏ　ｍａｉｎ　ａｒｃ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｒｅ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｒｉｐ．Ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｆｕｒ－　

ｒｏｗｓ，ｐｉｔｔｉｎｇｓ　ａｎｄ　ｓｐａｌｌｉｎｇ　ｌａｙｅｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ－ｉｍｐｒｅｇｎａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｒｉｐ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ；ｗｅａｒ；ａｒｃ　

目前，电气化牵引已经成为最广泛的铁路牵引方　

式。在实际应用中，由于自然因素和材料因素，弓网　

发生振动产生接触不连续的现象是不可避免的。与此　

同时．由于弓网离线造成的材料磨损和电弧烧蚀现象　

也愈发严重。国内外研究发现，影响弓网载流摩擦磨　

基金项目：国家自然科学基金项目（Ｕ１２３４２０２）；四川省科　技支撑计划项目（２０１　１ＦＺ００５２）．　

收稿日期：２０１４－１０—１７　作者简介：陈伟（１９８８一），男，硕士研究生，研究方向为载流　

摩擦学．Ｅ．ｍａｉｌ：ｃｗ８５８１　１０９５５＠１６３．ｃｏｒｎ．　损的因素很多，如法向压力、速度、表面粗糙度、温　

度、电场等¨　］。现阶段关于弓网振动因素对载流摩　

擦磨损性能的研究相对比较少，而在振动发生时，振　

动幅值的大小对弓网的载流摩擦磨损性能至关重要。　

因此，本文作者采用目前铁路上使用最广泛的纯碳滑　

块、浸金属碳滑块和铜合金接触线为研究对象，研究　

不同振动幅值下２种滑块材料的载流摩擦磨损性能。　

１试验部分　

图１为环一块式载流摩擦磨损试验机的示意图。　

驱动电机１带动导杆４和转盘２高速旋转，可以提供　

０～４００　ｋｍ／ｈ的转动速度：加载法向力的伺服电机８　２０１５年第９期　陈伟等：弓网振幅对纯碳及浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响　２７　

∑Ａ　

ｄ＝　（１）　ｎ一　式中：ｄ为平均振动幅值（　ｍ）；Ａ　为第ｉ个振动峰　

值和振动波谷的差值（　ｍ）；ｎ为一个试验周期所计　

算样点的个数。　

２．２振动幅值和电弧功率的变化　

电弧功率为单位时间内弓网电弧释放的能量．　

即：　

Ｊ．　（　）　（￡）ｄｔ　

Ｐ＝——　（２）　

式中：Ｐ为电弧功率（Ｗ）；　（ｔ）为即时电压与击穿　

电压的差值（Ｖ）；ｉ（ｔ）为即时电流（Ａ）；　为试验　

时间（Ｓ）。　

图４所示为转动速度　＝１２０　ｋｍ／ｈ时．纯碳滑块　

和浸金属碳滑块的振动幅值和电弧功率随法向载荷的　

变化情况。　

莹　１　

ｔ　蓑：　

娄　一振动幅值（纯碳）　

喜　

稃　囊　

图４振动幅值和电弧功率随法向载荷的变化曲线　

Ｆｉｇ　４　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ａｎｄ　ａｒｅ　ｐｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ｎｏｒｍａｌ　ｌｏａｄ　

可以看出，２种材料的振动幅值随着法向载荷的　

增大均呈下降趋势，且在载荷较小时变化速度很快。　

由于转动速度一定，则弓网法向分离初速度相同，在　

滑块和接触线分离后。法向载荷决定着匀减速运动的　

加速度大小，因此随着法向载荷的增大，振动幅值逐　

渐变小。同时可以看到，电弧功率随着法向载荷的增　

大呈先缓慢上升后快速下降的趋势。原因是在法向载　

荷很大时，弓网发生微小幅值的振动，此时电火花放　

电出现较多，释放能量较小。随着法向载荷的减小，　

振动幅值增大．出现了更多的长弧放电和拉弧现象．　

造成了电弧能量的急剧上升。但是过大的振动幅值会　

使电弧的弧柱被拉长进而出现能量供应不足的情况，　产生电弧熄灭现象，此时振幅增大则电弧功率会缓慢　

降低。对比２种材料可以清晰地看到．在相同工况下　

纯碳滑块的振动幅值和电弧功率明显大于浸金属碳滑　

块，说明纯碳滑块更容易发生电弧放电现象。其中原　

因是纯碳滑块的材质疏松，在磨损过程中表面粗糙度　

更大。造成了振动幅值较大，产生了更多的电弧能　

量。同时纯碳滑块的机械强度相对浸金属碳滑块较　

小，在高速磨损时产生裂纹、掉块现象的频率较大．　

进一步加大了弓网之间的振动幅值。　

２．３振幅对摩擦学性能的影响　

图５示出了纯碳滑块和浸金属碳滑块在不同振动　

幅值下摩擦因数的变化情况。可以看出，２种材料的　

摩擦因数都随着振动幅值的增大逐渐减小。原因是随　

着振动幅值的增大，弓网电弧在一定范围内释放的能　

量会增大，强烈的电弧热量造成了摩擦副表面的温度　

急剧上升，引起了材料表面的熔融和氧化［９］。熔化后　

的材料氧化物会慢慢堆积在摩擦副表面形成一层氧化　

膜ｌ１。。。起到了润滑的作用。与此同时，随着振动幅　

值的增大，滑块和铜线的接触摩擦频率减小了，这也　

是导致摩擦因数减小的一个因素。从图５中还可以看　

出．在相同工况下浸金属碳滑块的摩擦因数要小于纯　

碳滑块，同时随着振动幅值的增大，浸金属碳的摩擦　

因数的减小速度比纯碳快。原因是纯碳滑块的结构疏　

松同时材质较软，在相同的法向载荷下．纯碳滑块和　

铜接触线的接触更紧．相应的切向剪应力更大。造成　

了摩擦因数较大。另外浸金属碳中含有铜和铝等金属　

元素，在电弧高温的作用下，滑块本身的金属元素开　

始熔化并在滑块表面形成一层氧化膜．引起了摩擦因　

数的快速降低。　

图５摩擦因数随振动幅值的变化　

Ｆｉｇ　５　Ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　

以单位法向载荷下单位位移的磨损量来表示材料　

的磨损率。即：　鲫　砷　

柏如