受电弓滑板材料的载流摩擦磨损特性

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高速电气化铁路中电力机车靠受电弓滑板与接触网导线的滑动接触来获取动力，二者构成列车的弓网系统。受电弓滑板/接触线摩擦副的工况极其复杂，具有周期性随机变载荷、强电流、高电压、高速滑动、移动拉虎环境条件复杂多变等特点，构成了-对在复杂环境条件下的机械与电气耦合的特殊摩擦副，二者的磨耗过程是-个非常复杂的物理化学过程口 ]。随着列车的高速化，弓网间的受流越来越大，弓网系统的摩擦磨损问题也愈加严重，对其耐磨性及其他性能的要求也越来越高，载流摩擦磨损越来越复杂，高速下的受流将出现更多问题。受电弓滑板和接触网导线之间的摩擦接触状态直接影响到机车的运行速度和牵引力，同时摩擦副间的摩擦磨损性能决定了机车连续运行的时间和接触网导线的使用寿命。因此，研究强电流下滑板与接触网导线的摩擦磨损特性，确定最佳工作条件，具有重要的现实意义。

1 实验设备及材料1.1 实验设备为了使载流摩擦磨损实验数据更加准确、可靠，对原自行研制的滑动电接触实验机(专利号：CN200920012471.9)进行改进。改进前后实验机的机械结构原理如图 1所示，实物国家自然科学基金(50977040)；辽宁省 自然科学基金(201102086)姜国强：男，1977年生，博士，讲师，主要从事受电弓滑板材料的载流摩擦磨损特性研究### 163.com· 92 · 材料导报 B：研究篇 2013年4月(下)第27卷第4期照片如图 2所示 。

(a)改进前(h)改进后图 1 滑动电接触实验机结构原理图Fig，.1 M echanical principle diagram of sliding electricalcontact testing equipment图 2 改进后的滑动电接触实验机实物图Fig.2 The imporved sliding electrical contacttesting instrument实验机的机械部分主要南机架、主传动轴、转动盘、移动台底座、横向移动台、2个纵向移动台和附加阻尼装置等组成∮触导线安装在直径为 1 m 的转动盘上，转动盘由22 kW交流电机驱动；由1台3.7 kw 的电机通过曲柄带动固定 2组滑板的横向移动台。2台电机均采用变频控制，当它们按-定的转速比运行时即可模拟受电弓滑板与接触网导线之间的之”字形运行轨迹∮触导线与滑板之间的接触压力可通过改变纵向移动台的砝码质量加以调节。

改进后，带动圆盘旋转的主传动轴由之前单端支撑的悬臂梁形式改为两端支撑，可使高速旋转过程中圆盘所在位置轴的挠度大为减小，提高了实验机的稳定性和精度。转动盘采用钢板焊接件结构并增加了透孑L的数量，虽然较原来的铸铝圆盘质量有所增加，但转动盘整体的密度更加均匀，提高了动平衡性能和机械强度。横向与纵向移动台之间由原来的镜面燕尾槽型导轨移动方式改为滑竿与滑套配合的双滑竿滑动移动方式，提高了纵向移动台在高速运转过程中的跟随性，保证滑板与导线可靠接触。利用上位机 LABVIEW软件平台，能够对整个滑动电接触过程中的接触电流、电压、转矩、摩擦因数等参数进行实时检测口 。

该实验机的主要技术指标为：(1)实验电流的可调范围为 0-800 A；(2)滑动速度的可调范围为 0-350 km/h；(3)摩擦副间接触压力的可调范围为 0200 N；(4)滑动速度为200 km/h时，机身振动的振幅不超过 0.2 mi1。另外，实验机能够自动记录、保存实验数据。

1.2 实验材料实验中用到的浸铜碳滑板、铜基粉末冶金滑板和 120mm。的铜锡合金导线 20℃时的参数如表 1所示，其尺寸和实物图如图 3所示。

表 1 滑板与导线的参数Table 1 Parameters of the slide plate and wire. 俯视图 250IlIl1 。

是 三 ： 45o ：：：：：：：：：： ： -： 。： 10milI l 180mm l：[二匕二二二二二二二275 MIll 主视 图图 3 实验材料尺寸及实物图Fig.3 Th e experimental materials2 实验方案主要研究强载流条件下，铜基粉末冶金滑板和浸铜碳滑受电弓滑板材料的栽流摩擦磨损特性/姜国强等 · 93 ·板两种滑板材料与接触网导线摩擦副间的摩擦磨损特性(实验方案见表 2)。

表2 摩擦磨损实验方案Table 2 Testing plans of friction and wear实验内容 接触压力/N滑动速度/(km/h) 载流/A摩擦特性主要分析两种滑板材料摩擦副间摩擦因数和接触电阻在-定接触压力、滑动速度和接触电流条件下随时间的变化规律，以及在-定接触压力和滑动速度条件下随电流的变化规律。实验中摩擦因数是通过测量转矩等参数计算得到的，其计算公式如下：- - ： !： - !! F NB·F ·r NI5·F ·r (1) NB·F ·r 式中：F 为滑板与导线间的摩擦力，F 为滑板与导线间的法向接触压力，N 为摩擦副对数，r为转盘半径，T 为摩擦转矩，T为主轴电机的负载转矩； 为主轴电机的空载转矩 。

磨损特性主要分析两种滑板材料摩擦副间磨耗率在 -定接触压力、滑动速度和接触电流条件下随时问的变化规律，以及在-定接触压力和滑动速度条件下随电流的变化规律。受电弓滑板 的磨耗量采用失重法测量，通过精度为0.01 g的 LT1002电子天平称量得到。磨耗率以滑板相对于接触导线滑动 1×10 km的质量损失来表示，单位为 g/10 km，取 2个滑板的平均值。

在-定接触压力和滑动速度下，利用 SSX 550扫描电子显微镜分析两种滑板材料摩擦副在载流为 100 A、200 A、300A条件下的微观形弥析，揭示摩擦磨损机理。

3 结果及分析3.1 摩擦特性图4为接触压力 5O N、滑动速度 80 km/h、载流 350 A下浸铜碳滑板与铜锡合金导线对磨时摩擦因数随时间的变化曲线。由图 4可以看出摩擦因数的变化规律为：(1)实验过程中摩擦因数不是恒定值，而是呈湍流状波动；(2)摩擦因数经历-个从初始值迅速增大的过渡期，然后进入到相对稳定期；(3)摩擦因数进入相对稳定状态后的随机波动行为呈显著的正态分布特征lg 。铜基粉末冶金滑板也具有类似的特性 ，在此不再赘述 。

图5为接触压力 50 N、滑动速度 8O km/h、接触电流 150A时浸铜碳滑板和铜基粉末冶金滑板与导线间的接触电阻变化情况。由图5可以看出，在实验条件不变的情况下，接触电阻不是恒定值，而是随时间波动。实验过程中，接触电阻都经历了-个从较大的初始值迅速降低的过程，而后围绕- 个中值上下波动。

3.1.1 载流对摩擦因数的影响图 6为接触压力 5O N、滑动速度 80 km/h时，浸铜碳滑板、铜基粉末冶金滑板与铜锡导线对磨时摩擦因数随电流的变化曲线。由图 6中可以看出，浸铜碳滑板与铜锡合金导线问的载流摩擦因数比铜基粉末冶金滑板的大，随着两滑板载流的增加，滑动摩擦副间的摩擦因数逐渐增大，但增大的趋势和幅度不同〓铜碳滑板在实验范围内摩擦因数约增大23 ，而且随着电流的增加，其摩擦因数增大的幅度逐渐变缓，并趋于稳定；而铜基粉末冶金滑板在实验范围内摩擦因数约增大57 。也有人得出铜基粉末冶金滑板随着电流的增加摩擦因数逐渐变小并趋于稳定的结论，但这是在载流较小的情况下摩擦副间电弧的作用还不明显时的现象。

圄辎岱33。5鋈25050图4 摩擦因数随时间的变化曲线Fig.4 Characteristic curve of friction coefficient versus time四御蕊辎时间/rain图5 浸铜碳滑板与铜基粉末冶金滑板的接触电阻变化曲线Hg.5 The contact resistanc curves of the two slides当电流较小时，电弧热和接触电阻热较小，摩擦面的温度较低，摩擦表面实际接触面积较小，摩擦阻力主要来源于摩擦副接触表面微凸峰之间的相互阻碍即塑性变形力和犁沟力，因而摩擦阻力小，摩擦因数较小；当电流增大时，大量的电弧热和接触电阻热使摩擦表面的温度迅速升高，导致表面软化，氧化膜被撕裂、堆积，形成粘着磨损，摩擦副相对滑· 94· 材料导报 B：研究篇 2013年 4月(下)第 27卷第4期动时需要撕裂的粘着点增多，因此摩擦因数也会增加。

糕匿始斟l5O 175 200 225 250 275 300 325 350电流/A图6 摩擦因数随电流的变化曲线Fig.6 The curves of friction coefficient versus current3.1.2 栽流对接触电阻的影响图 7为接触压力5O N、滑动速度80 km/h条件下接触电阻随电流的变化曲线。由图7可以看出，浸铜碳滑板与铜锡合金导线问的接触电阻比铜基粉末冶金滑板的大得多，随着载流的增加，接触电阻逐渐增大〓铜碳滑板的接触电阻约增大 17 ，而且随着电流的增大，其接触电阻增大的幅度逐渐变缓并趋于稳定；而铜基粉末冶金滑板的接触电阻增大了1倍多，变化相当明显。

摇趟l5o l75 200 225 250 275 300 325 350电流/A图 7 接触电阻随电流的变化曲线Fig.7 The curves of contact resistance versus current对于弓网系统点状接触的粗糙表面，滑板与接触线之间的接触电阻可用式(2)计算”。 。

R - (2)式中：R 为接触电阻，p 、p。为滑板与接触线间的电阻率，F为滑板与接触线间的法向接触压力，H为滑板与接触线中较软材料的接触硬度， 为导电斑点的数目。随着电流的增加，电弧烧蚀增强，弧根部的凸峰增大，滑板温度的升高使磨粒粘着增强，导电斑点减少，因此接触电阻也会随着电流的增加而增大∮触电阻的增大使得摩擦副间的焦耳热增加，摩擦表面的温升主要由摩擦热、焦耳热和电弧热所引起，焦耳热增加导致摩擦表面的温升迅速增加，再加上电弧烧蚀作用。摩擦表面的状况进-步恶化，这也是摩擦因数增大的-个原因。由于铜基粉末冶金滑板的抗电弧侵蚀能力相对于浸铜碳滑板来说弱-些，在强电流和剧烈的电弧烧蚀作用下其摩擦因数和接触电阻都有明显增大 。 。

3.2 磨损特性3.2.1 磨耗率随时间的变化情况图8为接触压力 50 N、滑动速度 150 km/h、接触电流150 A条件下，浸铜碳滑板和铜基粉末冶金滑板与铜锡导线对磨时磨耗率的变化曲线。由图 8可以看出，与摩擦因数和接触电阻类似，两种滑板在载流磨损初期，也就是在过渡期，磨耗率增幅都较大；经过磨合后，磨耗率趋于稳定，进入相对稳定期，此阶段磨耗率基本恒定且数值较小，使滑板 自身以及对导线的磨损降到最低。比较图8还可发现，铜基粉末冶金滑板的磨耗率比浸铜碳滑板的要大得多，但它们的变化规律基本相同。

吕宝料时 间/rain图8 磨耗率随时间的变化曲线Fig.8 The cnlwes of the wear rate versus time3.2.2 载流对磨耗率的影响图9为接触压力 5O N、滑动速度 150 km/h时两种滑板材料与铜锡导线对磨时磨耗率随电流的变化曲线。由图 9可以看出，两种材料的滑板磨耗率随着载流的增大而增大，但增幅不同。载流相同时，铜基粉末冶金滑板的磨耗率远远大于浸铜碳滑板，浸铜碳滑板的磨耗率随着电流的增大上升比较缓慢，而铜基粉末冶金滑板磨耗率的变化率较高。

g2讲墩l50 l 75 200 225 250 275 300 325 350电流/A图9 磨耗率随电流的变化曲线Fig.9 The cnrVes of the wear rate versus current铜基粉末冶金滑板载流摩擦接触面因电弧的作用而出现大量的飞溅颗粒。由电弧瞬间侵蚀引起摩擦表面严重破坏以及润滑剂的失效，导致铜基粉末冶金滑板出现了严重的磨粒磨损与粘着磨损；而浸铜碳滑板载流摩擦磨损过程中接触面产生的电弧比较微弱，电弧热导致的滑板温升较小，随∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O∞ 如 如 ∞ 如 ∞ 如 加 如· 96 · 材料导报 B：研究篇 2013年 4月(下)第27卷第4期chine[D].Huludao：Liaoning Technical University，2010贾巍.滑动电接触磨耗机理研究与实验机性能改进[D].葫芦岛：辽宁工程技术大学 ，20105 Jiang Guoqiang，Guo Fengyi，Wang Zhiyong，et a1.Designand development of high performance sliding electrical con-tact testing machine I-J].J Machine Des，2010，27(1)：31姜国强，郭凤仪，王智勇，等.高性能滑动电接触实验机的设计与研制口].机械设计，2010，27(1)：316 Li Peng.Development of high speed electric-tribometer andresearches on tribo-electric behaviors of strip materials rD11。

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气凝胶”是半固体状态的凝胶经干燥、去除溶剂后的产物，外表呈固体状，内部含有众多孔隙，充斥着空气，因而密度极校浙江大学高分子科学与工程学系高超教授的课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了最轻材料”的纪录。此前的世界纪录保持者”是由德国科学家在 2012年底制造的-种名为石墨气凝胶”的材料，密度为0.18 mg/cm。。

据介绍，全碳气凝胶”还是吸油能力最强的材料之-。现有的吸油产品-般只能吸收自身质量 1O倍左右的有机溶剂，而全碳气凝胶”的吸收量可高达自身质量的900倍。