接触特性对浸金属碳／不锈钢载流摩擦磨损性能的影响

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Influence of Contact Characters on Friction and W ear Behaviorsof Stainless Steel/Copper-impregnated MetallizedCarbon Couple under Electrical CurrentDing Tao Chen Guangxiong Li Yumei(1.Hubei Engineering University，Xiaogan Hubei 432000，China；2.Tribology Research Institute，National Traction and Power Laboratory，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)Abstract：Effect of contact characters on friction and wear behaviors of copper-impregnated metallized/stainless steelcarbon was studied on an improved pin-on-disc tester under electric current.The resuh indicates that the contact stiffnessand the contact force signifcantly affect the coeficient of friction，wear rate and roughness of surface of contact pairs.Ap-propriate contact stifness and contact force Can effectively reduce friction，SO as to reduce wear of contact materials.Abra-sive wear is the main weal"mechanism for the materials in good contact characteristics，and arC erosion and metals fusingare the main wear mechanisms for the materials in poor contact characteristics。

Keywords：friction coefficient；wear rate；contact stiffness；normal force；roughness随着高速电气化铁路的迅猛发展，影响列车速度提高的瓶颈因素就是弓/网关系。弓网关系的好坏由弓网间的受流质量决定 。受流质量主要受列车高速运行时受电弓滑板/接触线间的振动影响，振动过大则造成受电接触副离线及受电弓滑板损伤，或接触网断线，而造成事故 。研究显示：列车高速运行产生的弓网振动，不仅影响弓网系统的稳定受流，而且产生的弓网拉猾造成接触线和受电弓滑板的严重损坏 。为保证列车的平稳运行和保障弓网系统接触副材料的磨损寿命，必须保证良好的弓网接触特性。这就既要保证受电弓和接触网间良好接触刚度，基金项目：国家科技支撑计划资助项目 (2009BAG12A01-1906-1)；湖北工程学院科技项目 (Z2012008)。

收稿日期：2012-08-14作者简介：丁涛 (1982-)，男，博士，讲师，目前主要从事载流磨损的研究.E-mail：dingtao347###126，com。

又要保证受电弓和接触网间的接触压力，因此适当的接触特性在保障良好的弓网关系时显得尤为重要。本文作者研究弓网接触刚度和接触压力对受电弓滑板和接触导线的摩擦磨损性能的影响。

1 试验部分试验选取受电弓材料浸金属碳为销、不锈钢材料为盘组成摩擦副。销试样被加工成直径为 i0 mm，长度为24 cm的圆柱体，粗糙度控制在Ra0.15 m以内。盘试样加工成直径为235 mm，厚度为5 cm的圆盘。销试样的化学成分为 61.4%C，37.7% Cu；盘试样的化学成分为70.12% Fe，17.27% Cr，10.34%Ni，0.87% Si，0.77% Mn，0.6% Ti。

试验采用自行设计的销 -盘摩擦磨损试验机，其特点是：采用维持平衡的双臂销座以确保销 -盘之间受力均匀，在销座上安装了防振动的弹性装置以抑制销-盘之间的振动。其试验装置简图如图1所示。

润滑与密封 第38卷1.盘试样 2.销试样 3.弹簧 4.不锈钢套筒 5.可调电阻 6.数据采集系统 7.直流电源 8.安培计 9.铰接销 l0.导轨 11.定滑轮 l2.砝码l3.绝缘粱 l4.绝缘盘 15，转动轴 l6.直流电机图1 载流摩擦磨损试验机简图Fig 1 Scheme of the friction and wear tester with electric curent试验选取刚性和接触刚度 k2 000、12 000、19 000、35 000和 46 000 N/m 5种参数 ；法向载荷F 40、80、120、160和 200 N；电流强度 ，10、30和50 A，转动速度 30、50和 70 km/h。试验开始前不锈钢盘试样依次用60 、400 、800 和1 200 的砂纸打磨 ，销试样用 1 200 砂纸打磨 ，以保证销 -盘试样良好接触；用丙酮分别清洗销、盘试样接触表面，整个试验设定销 -盘对磨时间 t1 h。

2 试验结果与讨论2.1 摩擦因数图2显示出了摩擦因数随接触刚度和接触压力的变化关系。从图2(a)可以看出，随着接触刚度的增加摩擦因数先减畜增加，当接触刚度k19 000N/m时，摩擦因数最小，仅为0.090。这是因为接触刚度太大或者太小时，接触副振动剧烈，放电强度增大，材料磨损增加，接触表面磨屑积累增多，造成了摩擦因数增大 ；而在 k19 000 N/m时，接触副振动较弱，几乎没有放电，导致材料磨损较轻，接触面磨屑积累最少，因此摩擦因数最校从图2(b)可以看出，随着接触压力的增加摩擦因数逐渐减小，当F 160 N时，摩擦因数最小，此后摩擦因数趋于稳定。造成摩擦因数减小的原因是：随着接触压力的增加，表面接触微凸体增多，摩擦副的接触面积增大，摩擦热、焦耳热和电弧热使接触表面温度升高，当温度达到-定值时表层金属氧化，形成-层具有润滑作用的氧化膜，使得摩擦因数变小；与此同时，随着磨损的进行 ，浸金属碳材料中的碳颗粒不断地在摩擦副表面沉积，并在接触处形成具有润滑作用的碳膜，也使得摩擦因数降低。F 超过 160 N以后，润滑膜形成基本趋向稳定 ，所以摩擦因数趋于稳定。

Stiffnesskk/(X10。N·m 1(a)接触刚度的影响Normal force /N(b)接触压力的影响图2 摩擦因数随着接触特性的变化Fig 2 Variation of friction coeficient with contact characteristics(a)contact stifness；(b)contact force2.2 磨损率图3显示出了销试样磨损率随接触刚度和接触压力的变化。从图3 (a)可看出，刚性条件下销试样的磨损率比弹性时磨损率大得多；接触刚度太小( 2 000 N/m)或太大 ( 46 000 N/m)时，销试样磨损率都较高，且磨损率波动幅度很大，当k19 000 N/m时，销试样的磨损率最小，仅为 0.814g/h。从图 3(b)可看 出，接触压力 F 40 N时，销试样磨损率达到0.232 g/h，随着接触压力的增加磨损率逐渐减小，当F 160 N时，销试样磨损率仅为0.046 g/h∮触刚度太序太大时，销 -盘试样振动剧烈 ，接触处出现剧烈的电弧放电现象 ，此时磨损类型以电弧烧蚀 、氧化磨损和金属熔凝为主；而电弧烧蚀和氧化磨损是导致接触材料磨损加剧的主要原因 ，因此销试样磨损率较高；刚性时，销 -盘试样的振动最大、电弧放电最强，因此销试样磨损率最大。适当刚度 (k19 000 N/m)时，销 -盘之间的振动幅度最小，摩擦副结合最好，从而销 -盘之间产生离线更少，造成接触面问的放电现象最弱 ，因此销磨损率最低。低接触压力时，销 -盘试样由于表面不平顺发生脱离的概率增加，引起了电弧放电增加，电弧烧蚀和氧化磨损使得销试样磨损率较大。随着接触压力 的增加，摩擦副接触点结合得越来越紧密，销-盘试样分离机会减少，放电现象也明显减弱，此时销试样磨损率减少。高法向载荷时，销 -盘 n 惦0 0 0 0 0 O O 0 皇 州薯 0u口0 -!I42 润滑与密封 第 38卷图中显示随着接触刚度的增大，表面磨损状况先减轻后加重，适当的接触刚度时表面磨损最轻。从图5(a)可见，接触刚度 k2 000 N/m时，电弧烧蚀较为严重，表面有明显的麻点、烧蚀坑和金属氧化层，伴随着细小的犁沟和小片的磨屑。随着接触刚度的减小 ，磨损表面逐渐变得光滑 ，当 k：19 000 N/m时，表面磨损最轻，仅有轻微的滑痕、少许的电弧烧蚀和少量磨屑，如图5(b)所示。从图5(c)可见，刚性时磨损表面烧蚀更加严重，表面出现严重的电弧烧蚀坑和金属熔凝。因此，适当的接触刚度( 19 000 N/m)和接触压力 (F 160 N)时，磨损机制是以磨粒磨损为主；接触特性不好时，磨损机制主要是电弧烧蚀和金属熔凝。销试样的 SEM形貌也证明了适当的接触刚度和接触压力能有效地减少接触副振动，降低接触副离线放电的发生，从而降低电弧烧蚀和氧化磨损，使得销试样材料磨损较低。

因此 ，适当的接触刚度 ( 19 000 N/m)和接触压力 (F 160 N)能有效地减少受电弓滑板/接触线高速滑动过程中的振动和撞击，并降低接触副离线放电，从而降低电弧烧蚀和氧化磨损对接触副材料的损伤；对既有线路弓/网系统可以通过优化受电弓/接触线之间的接触刚性和接触压力，来降低弓/网接触间的离线放电和接触副材料磨损，从而达到延长受电弓滑板/接触线材料使用寿命的目的。

3 结论(1)接触刚度和接触压力显著地影响不锈钢/浸金属碳 的摩擦 因数。适 当的接触 刚度和接触压 力( 19 000 N/m和F 160 N)使得摩擦因数较低。

(2)适当的接触刚度 (k19 000 N/m)和接触压力 (F 160 N)能有效地降低接触副的放电强度和放电频率，导致销试样磨损最轻。适当的接触特性( ：19 000 N/m和F 160 N)时，磨粒磨损是主要的磨损机制；接触特性不好时，磨损机制主要是电弧烧蚀和金属熔凝。

(3)适当的接触刚度和接触压力 (k：19 000N/m和 F 160 N)能有效地减少受电弓滑板/接触线高速滑动过程中的振动和撞击，并降低接触副离线放电，从而降低电弧烧蚀对接触副材料的损伤，延长受电弓滑板/接触线材料使用寿命。