梅桂明

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

到2019 年底，我国地铁和轻轨线路总里程已经达到6600 km. 刚性接触网系统因隧道空间占用小，接触线不需要预紧力，施工和维修费用低等一系列优点，在地铁线路上得到了大量的应用. 我国川藏铁路因为桥梁和隧道长度占总线路长度的70%～80%，从节约建造成本的角度，也有可能采用刚性接触网的供电制式. 我国地铁刚性接触网近20 a 的使用经验也发现，这种制式的接触网系统存在受电弓滑板和接触线材料严重磨损的问题[1-2]. 地铁浸金属碳滑板材料的正常使用寿命为2.5 万～3.0 万公里，严重时磨耗达到16～20 mm/万公里；铜银合金接触线的使用寿命最短约为3.5～5.0 a[3-4]. 浸金属碳材料是目前地铁、普速铁路和高速铁路使用的耐磨性能最好的一种滑板材料，造价也是最高的一种. 滑板和接触线材料的异常磨耗，也意味着列车取流质量的下降，既增加地铁列车的运营成本，也容易损坏列车的电器元件. 因此，开展刚性接触网系统载流摩擦磨损性能研究有着积极的意义.

迄今为止，对刚性接触网系统材料磨损问题的研究还比较少见，Wei 等[5]研究了刚性接触网系统的接触线和受电弓滑板磨耗的理论预测方法，Simarro等[6]研究了刚性接触网系统弓网动力学模型的验证方法. 大量的工作主要围绕高速铁路柔性接触网系统的摩擦磨损问题进行研究[7-14]. 比较一致的观点认为，高速铁路弓网载流摩擦磨损主要由机械磨损和电气磨损组成，其中电气磨损如热磨损和电弧烧蚀磨损占较大的比重，控制了电弧烧蚀磨损就可以成倍地提高滑板材料的耐磨性[15-22].

本文对地铁刚性接触网-受电弓滑动摩擦系统在直流电流通过条件下的摩擦磨损性能进行了试验研究，探讨了刚性接触网-受电弓滑动摩擦副载流条件下发生严重磨损的机理.

1 试验简介

1.1 试验设备

本试验在环-块式载流摩擦磨损试验机（见图1）上进行，它主要由变频电机、直径为1100 mm 的转动盘、滑板座、机座等零部件组成. 接触线固定在转动盘的外圆柱面上，滑板固定在滑板座上. 变频电机驱动转动盘转动，带动接触线相对于滑板作水平方向的相对滑动，模拟弓网之间沿线路纵向的相对滑动. 此外，滑板相对于接触线还作垂直方向的往复运动，模拟弓网沿线路横向的拉出值相对运动.

图1 试验机Fig. 1 Test machine

1.2 试验材料

试验用的接触线样品取自地铁刚性接触网系统在用的铜银合金接触线，其横截面尺寸与地铁线路在用的接触线横截面尺寸一致. 滑板材料样品取自地铁刚性接触网受电弓在用的浸金属碳滑板材料，其横截面尺寸与地铁在用的滑板材料的横截面尺寸一致，长度为120 mm. 本次试验用的接触线和滑板材料的化学成分和物理性能见表1 和表2 所示.

表1 接触线的化学成份和物理性能Tab. 1 Physical parameters and chemical compositions of contact wire

表2 滑板材料的化学成份和物理性能Tab. 2 Chemical compositions and physical parameters of strip

1.3 试验参数

刚性接触网系统的地铁列车一般由6 辆车辆组成，在列车的一前一后各使用一个受电弓取流，每个受电弓并排使用4 根滑板. 每个受电弓通过电流约为DC 0～1400 A，总法向力120 N. 因此，本次试验参数选取如下：滑动速度V= 60 km/h，滑板的通过电流I= 0，400 A，每根滑板与接触线之间的法向力Fn= 30 N，试验的滑动距离d= 900 km.

1.4 试验测量方法

使用精度为0.1 mg 的电子天平测量滑板的重量，滑板的磨损量定义为试验前、后滑板的质量损失除以滑板材料的密度. 由于接触线的磨耗比较小，而且接触线是固定在试验机转动盘外圆柱面上，拆装困难，不容易准确测量接触线的磨耗，因此本试验暂不考虑接触线的磨耗. 使用热成像仪测量滑板的温度，使用霍尔电流传感器和电压传感器分别测量电弧电压和电流，电弧电压和电流信号使用数据采集系统并行采集. 本研究曾经试验过用1000、5000、10000 Hz 3 种不同的采样频率采集电弧电压和电流的数据，由于采集结果差别不大，为方便数据处理，本研究的采样频率取为1000 Hz. 定义电弧能量为

式中：U为滑板和接触线之间的电压，V；t为试验时间，s.

由于U和I都是离散数据，所以电弧能量用辛普森积分法来计算. 图2 是使用热成像仪测量的滑板-接触线摩擦副的温度，可看见滑板温度最高为312.0 ℃. 热成像仪测量温度的数据更新频率为60 Hz.

图2 接触线-滑板摩擦副的温度测量结果Fig. 2 Measured temperature of contact wire-strip pair

2 试验结果及分析

2.1 摩擦系数随滑动距离的变化

图3 显示了滑板-接触线摩擦副滑动摩擦时摩擦因数随滑动距离的变化，可以看出：滑动开始时，摩擦因数的数值略大，随着滑动距离的增加，摩擦因数略有减小；无电流时的摩擦因数比有电流时的摩擦因数略大，例如，当d= 150 km，I= 0 时，摩擦因数μ= 0.25，而当d= 150 km，I= 400 A 时，μ= 0.22.这是因为有电流时，滑板-接触线摩擦副经常发生电弧放电现象，滑板材料的温度比较高，滑板出现材料软化，滑板材料的主要成份是碳，容易粘附到接触线表面，在接触线摩擦表面形成氧化膜，因而减小了摩擦因数[19].

图3 摩擦因数随滑动距离的变化Fig. 3 Variation of friction coefficient against sliding distance

2.2 滑板磨损率随滑动距离的变化

图4 显示了滑板磨损率随滑动距离的变化关系，可以看出：有电流时滑板的磨损率w随着滑动距离的增大略有减小，当d= 150 km，I= 400 A 时，w= 5.100 mm3/km，而当d= 750 km，I= 400 A 时，w= 4.500 mm3/km；有电流时滑板的磨损率比无电流时大得多，如d= 150 km，I= 0 时，w= 0.096 mm3/km，有电流时滑板的磨损率是无电流时滑板的磨损率的53 倍，可见直流电流对滑板的磨损率有重要的影响.

图4 滑板磨损率随滑动距离的变化Fig. 4 Variation of wear rate against sliding distance

磨损率定义如式（2）所示.

式中：V为滑板磨损量，mm3.

根据式（2）和图4 的试验结果，可以估计宽度为35 mm、试验机设定的接触线拉出值为 55 mm 的滑板，使用d=10 000 km 时的磨耗深度为 12.47 mm.如果换算成刚性接触网拉出值200 mm，则滑板使用d=10 000 km 时的磨耗深度为3.43 mm，该数据与刚性接触网现场磨耗数据4.20～4.90 mm[4]接近.

2.3 滑板温度随滑动距离的变化

图5 显示了滑板的温度随滑动距离的变化，可以看出：自滑动距离d= 150 km 开始，有电流时滑板的温度较高，最高达312.0 ℃，并在306.0 ℃左右小幅波动；当无电流时，滑板的温度随滑动距离的变化微小，保持在41.3 ℃左右. 可见，直流电流对滑板温度的影响很大. 温度越高，滑板材料就越容易软化，容易黏着转移到接触线表面，造成滑板材料磨损加剧；同时，滑板温度越高，滑板材料中低燃点的成分就容易燃烧，燃烧后的滑板材料变得松散，与接触线摩擦时极易脱落造成滑板材料磨损的加剧.

图5 滑板的最高温度随滑动距离的变化Fig. 5 Variation of strip temperature against sliding distance

2.4 电弧能量随滑动距离的变化

图6 显示了弓网电滑动过程中电弧能量随滑动距离的变化（I= 400 A），可以看出：随着滑动距离的增大，电弧能量逐渐趋于平稳. 滑动刚开始的时候，由于滑板与接触线之间处于初始跑合状态，接触状态不是很稳定，离线比较多，此时弓网电弧放电比较强烈，所以电弧能量比较大；随着滑动距离的增加，滑板与接触线之间的接触状态变好，离线相对较少，所以弓网电弧放电比较少，电弧能量相应也比较少.弓网电弧一方面引起接触副材料温度的升高，另一方面电弧烧蚀引起滑板和接触线材料的异常损耗，就像电弧焊接原理一样，当电弧能量达到一定数值的时候，电弧热就能够把焊接材料融化，由于摩擦副存在相对滑动，融化的材料就会沿着相对滑动速度方向飞溅出来. 电弧烧蚀是引起滑板材料磨损的最重要因素，滑板的磨耗与电弧能量成正比关系[14,21].因此，在实际的弓网系统中，应尽量减少弓网电弧放电问题.

图6 电弧能量随滑动距离的变化Fig. 6 Variation of arc energy against sliding distance

2.5 磨痕形貌分析

图7 显示了滑板和接触线的磨痕形貌，可以看出：滑板磨痕表面存在明显的由于电弧烧蚀留下的麻坑，接触线摩擦表面覆盖了一层黑色的氧化膜，该氧化膜是电弧烧蚀的高温和滑板材料转移到接触线表面共同作用而形成，一般认为该氧化膜可以减小滑板和接触线之间的滑动摩擦因数[19].

图7 滑板和接触线的磨痕形貌Fig. 7 Surface topography of strip and wire scars

图8（a）和图8（b）分别显示了滑板磨痕的SEM（scanning electronic microscope）照片和EDS （energy dispersive spectrum）分析. 从图8（a）可以看出：滑板磨痕表面存在明显的龟裂裂纹，在摩擦力和法向力的作用下，这些龟裂裂纹易引起滑板材料的脱层磨损，加速材料的磨耗. 从图8（b）可以看出：滑板磨痕的氧元素含量比较高，这是发生了电弧烧蚀的缘故.

图8 滑板磨痕的SEM 和EDS 分析Fig. 8 SEM photograph and EDS analysis of strip scar

3 结 论

1） 在直流电流通过条件下，浸金属碳滑板和铜银合金接触线的滑动摩擦系数约为0.22，无电流时的滑动摩擦系数比有电流的摩擦系数略大.

2） 直流电流对浸金属碳滑板的磨损量有显著影响，在直流电流400 A 时滑板的磨损率达到4.5～5.1 mm3/km，约为无电流时滑板磨损率的53.0 倍.

3） 直流电流对浸金属碳滑板的温度有显著影响，在直流电流400 A 时滑板的温度最高为312.0 ℃，约为无电流时滑板温度的7.4 倍.

4） 浸金属碳滑板的磨损机制主要是电弧烧蚀和黏着磨损，接触线覆盖了一层黑色的氧化膜.

致谢：本项目得到牵引动力国家重点实验室自主研究课题项目资助（2020 TPL-T08）.