浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究.pdf
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1、论坛园地DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.02.020浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究刘崧楠,华浩,陈光雄,张峻才,常勇,唐宇(西南交通大学摩擦学研究所,四川成都6 10 0 3 1)摘要:为研究在载流条件下浸石蜡对碳滑板摩擦磨损性能的影响,在环-块载流摩擦磨损试验台上试验浸石蜡、未浸石蜡2 种纯碳滑板与铜银合金接触线在载流条件下的摩擦磨损性能,并对比碳滑板在不同载荷、滑动速度、电流情况下的表面形貌变化。试验结果显示,浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能的影响与电弧烧蚀紧密相关。石蜡及其有机产物加剧电弧烧蚀,石蜡的不完全分解会削弱滑板的载流摩擦磨损性能,通过减小法向
2、载荷、加快滑动速度、增大电流均能显著加剧浸石蜡碳滑板在试验中的电弧烧蚀。浸石蜡碳滑板的摩擦系数的变化规律是:随法向载荷、电流的增大呈现减小的趋势,随滑动速度的增加先增大后减小,6 0 km/h时摩擦系数最大;浸石蜡碳滑板的平均电弧能量、磨耗量随法向载荷的增大呈现减少的趋势,随电流的增大而增加,平均电弧能量随滑动速度的增加而增大,磨耗量随滑动速度的增加先增加后减少,6 0 km/h时磨耗量最大;在低速(40 km/h)和高速(8 0 km/h)时浸石蜡增强碳滑板的耐磨性能。关键词:地铁;载流摩擦磨损;浸石蜡碳滑板;电弧烧蚀;摩擦系数中图分类号:TH117第一作者:刘崧楠,男,硕士研究生引用格式:
3、刘崧楠,华浩,陈光雄,等.浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究.现代城市轨道交通,2 0 2 4(0 2):12 4-13 1.LIU Songnan,HUA Hao,CHEN Guangxiong,et al.Effect of paraffin wax-impregnated on current-carrying friction and wear properties ofcarbon contact stripsJ.Modern Urban Transit,2024(02):124-131.124MODERNURBANTRANSIT2/2024现代城市轨道交通1引言截至2 0 2
4、0 年,我国城市轨道交通运营里程为7969.7km,2 0 2 5 年规划里程达到13 0 0 0 km,人们的出行与地铁的关系越来越紧密,地铁的安全运行也被越来越多人关注。其中,受电弓/接触网系统作为有轨列车的受流部件被广大学者重点研究-4。在地铁运行过程中,受电弓/接触网系统中直接接触摩擦的部件是滑板与接触线,滑板与接触线存在机械磨损、化学磨损和电气磨损,接触材料的磨耗这3 者共同作用的结果。我国的地铁列车普遍采用电力驱动,由于地铁接触网的供电电压多为DC1500V,流过每根受电弓滑板材料的电流最大值达到6 0 0 8 0 0 A,是干线高速列车的滑板通过电流的6 8 倍,造成我国地铁线路
5、刚性接触线和受电弓滑板经常出现异常磨耗,正常地铁刚性接触网系统的滑板磨耗深度为每万公里3 5 mm,严重磨耗的时候滑板磨耗深度达到每万公里2 0 3 0 mm,地铁接触网系统的异常磨耗问题呕待解决。目前,众多学者研究了法向载荷、滑动速度、环境变量、电流、电压、滑板和接触线材料、电弧能量等因素对滑板载流摩擦磨损性能的影响;杨红娟等发现在高速载流条件下,滑板振动增加了滑板表面不导电现象的发生频率,纯碳滑板导电性能优于浸金属碳滑板,但纯碳滑板的耐磨性能较浸金属碳滑板更差。从改善纯碳滑板的耐磨性能出发,选择对浸石蜡碳滑板的载流摩擦磨损性能进行研究。浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究论坛园地滑板生产
6、厂家从弓网磨耗润滑的角度,提出用碳滑板浸石蜡来改善滑板异常磨耗的方案,目前尚未在国内发现有浸石蜡碳滑板载流摩擦磨损的相关研究报道。为了研究浸石蜡对纯滑板材料载流摩擦磨损性能的具体影响,本文在环一块式摩擦磨损试验机上进行了试验,对比了不同法向载荷、滑动速度、电流强度下的摩擦系数、平均电弧能量、磨耗量和材料表面形貌。2试验部分2.1试验设备试验运行设备由环块载流摩擦磨损试验机和数据采集系统组成。环块载流摩擦磨损试验机结构如图1a所示,包含试验机支架、回转轮盘、垂直升降台等部件。图1b展示了碳滑板接触线摩擦副接触情况,直径为110 0 mm的回转轮盘上安装了铜银合金接触线。主电机控制回转轮盘转动,转
7、动速度可以在0 40 0 km/h范围内调节。伺服电机驱动曲柄滑块机构,使滑块做垂直往复运动,模拟受电弓的运动,垂直往复运动的频率调节范围为0.15 3 Hz。在试验开始前,可以通过增减码来调节施加在滑板上的法向载荷。主电机接触副试验机支架回转轮盘绝缘座接触线一图1载流摩擦磨损试验机图2 为数据采集系统,由电源(DC)、切向力传感器、加速度传感器、电流传感器、BBM数据采集系统和计算机等组成。切向力、加速度、电流等数据的采样频率为1 kHz。电源电流传感器电压传感器BBM采集系统计算机图2 数据采集系统本次试验电源采用直流电源,输出电流可调节范围为0 5 0 0 A,输出电压范围为0 18 0
8、 V。试验结束后,利用扫描电子显微镜(SEM对碳滑垂直升降台板接触表面的微观形貌进行观察分析。导向柱在试验前后用高精度电子天平对碳滑板进行称重,高精度电子天平的测量误差为0.0 0 1g,求得每次试验的法向力推杆磨耗量。滑轮组2.2试验材料和参数一曲柄滑块机构试验选取的接触线为轨道列车常用的铜银伺服电机码合金接触线。试验所用滑板材料共有浸石蜡碳滑底座板和未浸石蜡碳滑板2 种,碳滑板试样规格均为a载流摩擦磨损试验机125mm35mm25mm。试验所用接触线和滑板的元素成分如表1所示。滑板夹具表1接触线和滑板的元素成分接触副材料主要成分接触线Cu:99.73%,Ag:0.09%碳滑板浸石蜡碳滑板未
9、浸石蜡碳滑板b接触副注:Cu为铜;Ag为银;Bi为铋;Pb为铅;C为碳;O为氧;S为硫;Si为硅。试验前用15 0 目砂纸对碳滑板试样接触面进行打磨,统一试验前表面粗糙度。试验参数如表2 所示。振动加速度传感器切向力传感器电荷放大器其他成分Bi、P b 等C:9 8.7%(浸石蜡处理)O、S、S i 等C:98.4%O、S、S i 等现代城市轨道交通2/2024MODERNURBANTRANSIT125论坛园地浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究表2 试验参数试验参数数值法向载荷F/N15、2 5、3 5、45滑动速度v/kmhl40、6 0、8 0直流电流I/A100、2 0 0、3 0
10、0滑动里程S/km120往复频率f/Hz0.15拉出值A/mm1103试验现象对比及表面形貌分析3.1试验现象对比在同种试验工况下,有无浸石蜡碳滑板的电弧放电现象如图3 所示。通过对比现场试验情形和图3 a、图3b两图可以知道,浸石蜡碳滑板电弧现象更剧烈,在试验过程中伴有高频率拉弧燃烧的声音,同时有白色烟雾和刺激性气味产生,说明在试验过程中有形成石蜡蒸汽和其他有机产物。生成的物质与液体石蜡恶化了滑板与接触线的接触状态,使得离线频率增加,进而导致接触副处的火花更大、弧光更强16-7 。3.2滑板表面形貌分析图4展示了浸石蜡碳滑板和未浸石蜡碳滑板磨损前微观表面SEM图。对比图4a、图4b可以看到未
11、浸石蜡碳滑板的表面有许多的细小凹坑,浸石蜡碳滑板的表面凹坑缝隙有石蜡填充,相较纯碳滑板表面更加平整光滑。E15kVx400a浸石蜡5oumSEI15kV图4有无浸石蜡碳滑板磨损前的表面微观形貌3.3不同法向载荷条件下现象对比图5 展示了法向载荷分别为15 N、45 N 时浸石蜡碳滑板和未浸石蜡碳滑板的磨损表面形貌,2 种碳滑板表面都出现了烧蚀坑、裂缝和小裂纹、剥落层。增大法a浸石蜡向载荷至45 N时,能明显观察到滑板表面有平整光滑区域,这是因为试验过程中接触副处温度上升,滑板材料会生成氧化膜。试验中的电流、振动会恶化接触副材料表面状况,使得氧化层脱落,形成裂纹、剥落层。氧化膜的不断生成、脱落最
12、终会形成一个个大的烧蚀区域及大裂缝,在不规则表面上还伴有氧化物颗粒。这说明材料磨损主要由电弧烧蚀和氧化磨损组成,还有轻微的磨粒磨损。从图5 a中可以看出,增大法向载荷后浸石蜡碳滑板磨损后表面裂缝减小,烧蚀坑范围减小、深度变浅,氧化物颗粒增多。对比图5 a、5 b 可观察到,浸b未浸石蜡石蜡碳滑板表面存在更多的白色区域,对比试验条件可图3 有无浸石蜡碳滑板的电弧放电现象x400b未浸石蜡以得知这部分区域多是石蜡或石蜡的生成物,此物质导5oum126MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究论坛园地电性能差,用扫描电镜观察时电子堆积从而形
13、成了白亮色区域8。总体而言,在不同法向载荷下,浸石蜡碳滑板相比未浸石蜡碳滑板的表面烧蚀都更为严重,结合图3的信息,可以发现石蜡及石蜡的有机产物加剧了电弧烧蚀,增大法向载荷会抑制铜银接触线/碳滑板接触副的电弧烧蚀,增强磨粒磨损。3.4不同滑动速度条件下现象对比图6 展示了不同滑动速度对应的浸石蜡碳滑板、未浸石蜡碳滑板微观形貌,由此可以推测出一定范围内滑动速度对浸石蜡碳滑板表面形貌的影响。通过观察图6 a中v=40km/h和v=80km/h时滑板的微观形貌得到,白色区域消失,滑动速度增大,烧蚀坑范围变大、深度增加,细小裂纹会发展成大裂缝,氧化颗粒减少。在图6 a、6b中可以看出,v=40km/h时
14、浸石蜡碳滑板表面的烧蚀区域和氧化物较少;v=80km/h时浸石蜡碳滑板表面的裂缝和氧化颗粒较少,白色区域消失。综合可得,滑动速度较低时,电弧烧蚀作用、氧化磨损和磨粒磨损得到抑制;加快滑动速度会加快石蜡层的分解,强化电弧烧蚀;滑动速度为80km/h时,石蜡及其有机产物消耗完毕,相对于未浸石蜡碳滑板而言,浸石蜡碳滑板的电弧烧蚀减弱,氧化磨损降低,磨粒磨损也随之降低。3.57不同电流强度条件下现象对比图7 展示了浸石蜡碳滑板和未浸石蜡碳滑板在不同电流强度下的磨损后表面微观形貌,展现了改变电流后滑板磨损性能的变化规律。从图7 a中可以观察到,增大电流后烧蚀情况明显更严重,浸石蜡碳滑板表面变的凹凸不平,
15、整体呈现疏松多裂缝结构,氧化颗粒增多,但白色区域消失。对比图7 a、7 b 可知,在低电流(I=DC100A)时,相较于未浸石蜡碳滑板,浸石蜡碳滑板表面的电弧烧蚀区域更多,裂纹更紧密,氧化颗粒较少且体积小;在高电流(I=DC300A)情况下,浸石蜡碳滑板表面相较于未浸石蜡碳滑板表面的烧蚀区域范围更广,氧化物增加。由此可以得到:提高电流数值使得电弧烧蚀和氧化剥落层烧蚀坑氧化物剥落层15N裂缝裂缝烧蚀坑SEI15kV45N裂缝剥落层烧蚀坑SEI15kv图5 有无浸石蜡碳滑板随法向载荷变化的微观形貌烧蚀坑氧化物40km/h细小裂纹和剥落层SEI15kV80 km/hSEI15kV图6 有无浸石蜡碳滑
16、板随滑动速度变化的微观形貌氧化物x40050m磨粒和氧化物x40050uma浸石蜡x40050um烧蚀区域氧化物小裂纹裂缝x40050uma浸石蜡SEI15kV裂缝SEI15kV烧蚀区域15kVSEI15kV400刹落层烧蚀坑氧化物x40050umb未浸石蜡裂缝氧化物x40050um裂缝烧蚀区域氧化物x40050umb未浸石蜡50um现代城市轨道交通2/2024MODERNURBANTRANSIT127论坛园地浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究速摩擦掉落的部分材料共同氧化生成新物质。这些物质会部分烧蚀区域附着在碳滑板和接触线的表面微小裂纹裂缝烧蚀坑100.A小裂纹氧化物SEL15kVx40
17、0裂缝300.A氧化物SEI15kVa浸石蜡图7 有无浸石蜡碳滑板随电流变化的微观形貌磨损加剧。相较于未浸石蜡碳滑板,在高、低电流时浸石蜡碳滑板的电弧烧蚀更为严重。4试验结果与分析4.1摩擦系数摩擦系数是衡量材料摩擦磨损性能的一个重要指标。摩擦系数由表面微凸体的变形分量、磨粒和硬的表面微凸体的犁削分量、滑动表面间的黏着分量3 部分组成。观察图8 a、8 b、8 c 可知,浸石蜡、未浸石蜡2 种纯碳滑板在不同法向载荷、滑动速度以及电流强度下的变化趋势大致相同,摩擦系数随着法向载荷的增大而减小,随滑动速度的加快先增大后减小,随着电流强度的增加而减小。结合图5 a可知,浸石蜡碳滑板磨粒和氧化物增多,
18、犁削分量和黏着分量增大,摩擦系数增大10。由图6 可知,浸石蜡碳滑板表面上的的氧化物和磨粒随着速度提升至8 0 km/h后明显减少,使得摩擦系数相对较小。结合图7 可知,高电流条件下,碳滑板表面剧烈恶化,材料表面软化,摩擦系数大幅度减小。浸石蜡碳滑板受电弧烧蚀影响更大,表面情况更差,故而摩擦系数较小。在高温条件下,石蜡会融化成液态石蜡以及生成气态石蜡,石蜡经过剧烈摩擦和电弧烧蚀会分解产生液体烃类物质与小分子的烃基化合物,和碳滑板、接触线高凸体上,加强了电弧烧蚀作用,使得更多新的微凸体产生,增大氧化物了犁削分量。部分填充在碳滑板/50umSEI烧蚀区域x40050um15kV烧蚀坑裂缝SEI15
19、kVx400 x400b未浸石蜡滑动速度的加快而增大,随电流强度的增大而增大。这是因为法向载荷的增大会抑制电弧放电作用,弓网系统的电弧放电能量随着碳滑板/接触线相对速度、电流强度的增大而增大12 。改变法向载荷和电流时,石蜡及其有机产物破坏接触副表面状态,加剧了电弧烧蚀,所以浸石蜡后碳滑板的平均电弧能量整体更大。以滑动速度为变量,在v=40km/h和v=80km/h时,未浸石蜡碳滑板的平均电弧能量较大;v=60km/h时,浸石蜡碳滑板的平均电弧能量较大。在滑动速度为40 km/h时,总电弧能量较少,材料的磨损主要由磨粒磨损和电气磨损组成,经石蜡润滑后的接触副离线率下降,电弧烧蚀减弱,产生的电弧
20、能量减少。当滑动速度提高到6 0 km/h时,电弧烧蚀随速度的增加而加剧,石蜡及其有机产物增强了电弧烧蚀作用,平均电弧能量升高。滑动速度为80km/h时,浸/未浸石蜡碳滑板的平均电弧能量继续提高,由图6 a可知,V=80km/h工况试验后浸石蜡碳滑板的表面状态相对较好,无石蜡及其产物残余,证明其电弧烧蚀较弱,故而平均电弧能量更少。4.3磨耗量在环一块载流摩擦磨损试验台上模拟受电弓/接触网系统实际的运行情况,对比磨耗量的大小能一定程度上评估受电弓碳滑板的载流摩擦磨损性能。图10 a、10b、10 c 分别展示了有无浸石蜡条件下受电弓碳滑板50um氧化物50um接触线接触副间的微观间隙中,增大黏着
21、分量,使得总的摩擦系数增大。4.2电弧能量载流条件下,受电弓碳滑板的磨损主要由电弧放电造成。从图9 a、9 b、9 c 可以看出,浸石蜡碳滑板和未浸石蜡碳滑板的平均电弧能量随法向载荷、滑动速度和电流改变的变化趋势一致:随法向载荷的增大而逐渐减小,随128MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究论坛园地0.450.400.350.300.250.200.360.340.320.300.280.260.240.280.260.240.220.200.180.160.140.12图8有无浸石蜡条件下碳滑板的摩擦系数随法向载荷、速度、电流的
22、变化的磨耗量随法向载荷、滑动速度和电流的变化情况。未浸石蜡碳滑板的磨耗量随法向载荷的增大而减少,随滑动速度的增大先增加后减少,随电流的增大而增加。这是因为增大法向载荷会减弱滑板振动和冲击、减小离线率,从而抑制电弧烧蚀作用,导致磨耗量下降13 1;加快滑动速度会加剧接触副的振动和冲击,使离线率上升,增加电弧烧蚀,导致磨耗量增多1,电流越大电弧烧蚀越严重,所以磨耗量随电流增大而增加15 1。载流条件下电气磨损的作用远远大于机械磨损,故而磨耗量随法向载荷、相对速度和电流改变的变化趋势与电弧能量的变化规律相似。因此,可从图9 b推测出,浸石蜡碳滑板的磨耗量在v=40km/h和v=80km/h时低于未浸
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