（机械工程专业论文）滑板倾角对弓网系统碳滑板铜接触线滑动摩擦磨损性能影响.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国高速铁路快速发展，我国的铁路运输能力得到了快速扩充，技术装备水平 得到了快速提高，对我国国民经济发展起到了积极作用。在高速电气化铁路运输中，弓 网系统是高速列车获得动力的关键部件。弓网系统的工作性能及使用寿命，直接影响高 速列车正常运行。在弓网系统中，离线电弧放电是造成受电弓滑板和接触网导线异常磨 损的重要原因。因此，系统地对受电弓滑板接触线间摩擦磨损性能机理研究，找出抑制 电弧放电的方法，对弓网系统使用寿命的提高具有积极的意义。 本试验是在环块式高速摩擦磨损试验机上进行的。分析研究了在试验盘滑动线速度 v = 1 6 0 k m h ，加载电流i - - 1 0 0 a 时，不同碳滑板倾角和法向力对纯碳滑板摩擦磨损性能以 及受电弓碳滑板与接触网铜导线离线电弧特性的影响。通过对试验数据的统计分析，得 到如下结论： ( 1 ) 当法向力不变时，纯碳滑板摩擦表面的磨损量随碳滑板倾角增大而减小，摩擦 副的摩擦系数、温度、离线电弧能量也随着碳滑板倾角的增大而减小。当碳滑板倾角不 改变时，随着法向力的增大，纯碳滑板摩擦表面的磨损量随法向力增大而减小，同时摩 擦副的摩擦系数、温度、离线电弧能量随着法向力的增大而减小。 ( 2 ) 试验盘平均每转离线电弧放电能量与纯碳滑板磨损率总体呈现线性变化趋势。 纯碳滑板磨损率随试验盘平均每转离线电弧放电能量的增大而增大。离线电弧放电对纯 碳滑板磨损表面有电弧烧蚀的影响，出现了因电弧烧蚀形成的烧蚀坑、烧蚀麻点和侵蚀 流线。 ( 3 ) 当滑板有倾斜角时，在弓网电滑动摩擦过程中会出现受电弓与接触线分离的状 态，且滑板倾角越大，分离的时间就越长，这种现象影响列车受流质量和运行平稳性。 因此，实际弓网系统中要避免滑板倾斜角过大，滑板倾角应小于2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 ( 4 ) 使用光学显微镜( o m ) 和环境扫描电子显微镜( s e m ) 观察纯碳滑板表面烧蚀 的微观形貌。同时对烧蚀表面用能谱仪( e d x ) 做能谱分析，在烧蚀磨损区域发现了氧和 铜元素。这些证明在有电弧放电的载流摩擦磨损过程中，有氧化和材料转移现象发生。 电弧放电能量越大，碳滑板表面的烧蚀越严重。 关键词：倾斜角；碳滑板铜接触线；摩擦磨损；电弧放电 西南交通大学硕士研究生学位论文第f il 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fc h i n e s eh i g hs p e e dr a i l w a y , t h e c a p a c i t yo ft h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nh a sb e e ni n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , a n dt e c h n i c a le q u i p m e n th a sb e e ne n h a n c e d s h a r p l y , w h i c hm a k eab i gc o n t r i b u t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y i nt h e l l i 曲s p e e de l e c t r i c a lr a i l w a ys y s t e m , t h ep a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e mi sak e yc o m p o n e n tb y w h i c ht h et r a i ng e t sp o w e rf r o mt h eg r o u n d t h ep e r f o r m a n c ea n dt h es e r v i c el i f eo ft h e p a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e mw i l li n f l u e n c et h er e g u l a rr u n n i n go ft h eh i g hs p e e dl o c o m o t i v e s i nt h ep a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m ，a r cd i s c h a r g ei sam o s ti m p o r t a n tc a u s ed u et oa b n o r m a l w e a ro ft h ep a n t o g r a p hs t r i p sa n dc o n t a c tw i r e s i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h ef r i c t i o na n dw e a r p r o p e r t i e so ft h ep a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e ma n dt of i n do u taw a yf o rs u p p r e s s i n ga r c d i s c h a r g es oa st oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo f t h ep a n t o g r a p h c a t e n a r ys y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lt e s t sw e r ec a r r i e do nah i g hs p e e dr i n g o n - b l o c kt e s t e r t h ei n f l u e n c e s o fd i f f e r e n ti n c l i n a t i o na n g l e so fc a s o o ns t r i p sa n dn o r m a lf o r c e s0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f p u r e c a r b o n s t r i p c o p p e rc o n t a c tw i r ew e r es t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fs l i d i n gv e l o c i t y v = 16 0 k m ha n de l e c t r i c a lc u r r e n ti = io o a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sl e a dt ot h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) w h e nt h en o r m a lf o r c ei sc o n s t a n t , t h ew e a rv o l u m eo f t h ec a r b o ns t r i pd e c r e a s e s 丽m t h ei n c r e a s i n go fi n c l i n a t i o na n g l e a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t , t e m p e r a t u r ea n do f f i i n ea r c e n e r g yo ft h ef r i c t i o np a i ra l s od e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fi n c l i n a t i o na n g l e w h e nt h e i n c l i n a t i o na n g l eo ft h ec a r b o ns t r i pi sk e p tc o n s t a n t , t h ew e a l v o l u m eo ft h ec a r b o ns t r i p d e c r e a s e sa st h en o r m a lf o r c ei n c r e a s e s a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t , t e m p e r a t u r ea n do f f i i n e a r ce n e r g yo f t h ef r i c t i o np a i ra l s od e c r e a s e 嬲t h en o r m a lf o r c ei n c r e a s e ss i m u l t a n e o u s l y ( 2 ) t h eo f f l i n ea r cd i s c h a r g ee n e r g yr e l e a s e di ne v e r yt u r no ft h et e s td i s ki sf o u n dt ob e p r o p o r t i o n a lt ot h ew e a l r a t eo ft h ec a r b o ns t r i p t h ep u r ec a r b o nw e a a rr a t ei n c r e a s e si l l st h e d i s c h a r g ee n e r g yr e l e a s ei ne v e r yt u r no ft h et e s td i s ki n c r e a s e s t h eo f f l i n ea r cd i s c h a r g eh a s r e s u l t e di ns e v e r ed a m a g e so ft h ef r i c t i o ns u r f a c e so fc a r b o ns t r i p s ，w h i c hi n c l u d et h ea b l a t i o n p i t s ，p o c k sa n ds t r e a m l i n eo fe r o s i o n ( 3 ) w h e nt h ec a r b o ns t r i pi si n c l i n e d , t h ec a r b o ns t r i pp r o b a b l yl o s e sc o n t a c tw i t ht h e c o n t a c tw i r ei nt h ep r o c e s so ft h es l i d i n gf r i c t i o n a n dt h eb i g g e rt h ei n c l i n a t i o na n g l e ，t h e l o n g e rt h es e p a r a t i n gt i m ei s t h i sp h e n o m e n o nw i l lh a v eab a de f f e c to nt h ec u r r e n tc o l l e c t i o n q u a l i t ya n dr u n n i n gq u a l i t yo ft r a i n s t h u s ，t h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h ec a r b o ns t r i ps h o u l db e c o n t r o l l e d a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h ec a r b o ns t r i ps h o u l db el e s s t h a n 2 0 ( 4 ) t h ew o r ns u r f a c o so ft h ep u r ec a r b o ns t r i p sw e r eo b s e r v e du s i n go p f i c 甜m i c r o s c o p e ( o m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) e n e r g ys p e e m n na n a l y s e sw e r ea l s o c a r r i e do n u s i n ga l p h ar a ys p e c t r o m e t e r ( e d x ) s i m u l t a n e o u s l y t h eo x y g e na n dc o p p e rw e r e f o u n di nt h ea r e ao fa r ce r o s i o n t h o s ep h e n o m e n as h o wt h a ti nt h ep r o c e s so fc a r b o ns t r i p r u b b i n ga g a i n s tc o p p e rc o n t a c tw i r ew i t ha r cd i s c h a r g e , o x i d a t i o na n dt r a n s f e ro f m a t e r i a l st a k e p l a c e t h eb i g g e ra r cd i s c h a r g ee n e r g y , t h es e v e r e ra r ce r o s i o no f t h ec a r b o ns t r i p ss u r f a c ei s k e yw o r d s ：i n c l i n a t i o na n g l e ；c a r b o ns t r i p c o p p e rc o n t a c tw i r e ；f r i c t i o na n dw e a l ；，a r c d i s c h a r g e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 中国高速铁路建设的发展 铁路建设的发展具有很强的社会效益。与公路运输和航运相比，铁路有着清洁无污 染、运输能力大，运输成本低、高效快速和运输量大的特点。满足世界各国追求的安全、 环保和节能的要求，因此铁路受到世界各国的关注，得到了日新月异的发展。 高速铁路一般是指运行速度达2 0 0 k m h 以上的铁路，是一个集各项最先进铁路技术、 运营管理方式、市场营销和资金筹措在内的十分复杂的系统工程，是当前高新技术的集 成。它具有高效率的运营体系，包含了基础设施建设、机车车辆配置、站车运营规则等 多方面的技术与管理。 高速铁路按照列车的推进和支承原理可以分为磁浮式和轮轨式；依照建造和运营方 式，轮轨式可以分为既有线改造提速、新建客运专线和新建客货共线三种类型；轮轨高 速列车按照车辆间连接方式和转向架布置可分为独立式和铰链式，按驱动设备的设置和 动力分布分为动力集中式和动力分散式。以上各种类型又有单层和双层列车之分。磁悬 浮列车按悬浮机理可分为电磁式和电动式，按材料可分为常导型和超导型。 1 8 2 5 年世界上第一条铁路在英国建成，1 8 7 9 年5 月3 1 日在德国柏林举办的世界贸 易博览会上，西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路，迄今已有1 3 0 多 年的历史。1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界第一条高速铁路东海道新干线建成通车，列车最高 运行速度达到2 1 0 k m h 。东京到大阪的运行时间从过去的6 小时3 0 分钟缩短为3 个小时， 后经改造，目前列车最高运行速度达到2 7 0 k m h 。2 0 世纪8 0 年代以后，世界上又出现 了一个高速铁路建设高潮。一些发展中国家，如中国、印度、土耳其、巴西等国的高速 铁路建设也开始快速发展起来，与此同时，日本高速铁路速度提高到2 7 0 , - - - - 3 0 0k m h 后， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 德国i c e 和法国t g v 相继建成速度达2 5 0 - - 3 5 0k m h 的高速铁路，工业发展中国家也正 在集中力量兴建速度2 0 0l ( i 【l h 以上的高速铁路。 为了提高列车运行速度，使铁路适应社会发展，从2 0 世纪初至5 0 年代，德国、法 国、日本等国家都开展了大量有关高速列车的理论研究和试验工作。铁路作为陆地运输 的主力军，在将近一个多世纪时间里一直处于垄断地位。但是自2 0 世纪以来，随着公路、 管道运输和航空的迅速发展，铁路运输地位受到了新浪潮的冲击。我国自1 8 7 6 年出现第 一条铁路以来已经1 3 0 多年了。遗憾的是百余年来，我国的铁路事业同其他国家相比， 在运营里程、运输效率、技术水准、装备质量等方面相差极远，令人堪忧。我国铁路的 现状是路网不发达，技术装备较落后，运能与运量的矛盾比较突出，一些主要干线的能 力利用程度已经趋于饱和，铁路负荷水平居世界首位。兴建高速铁路的动议早在2 0 世纪 8 0 年代中期就为我国的有识之士所提出，十多年来，国家有关部门组织了数以百计的专 家学者从各个方面对高速铁路项目进行了详细的考察、分析和论证，1 9 9 8 年3 月，全国 人代会在“十五”计划纲要草案中提出建设高速铁路。 1 9 9 4 年，我国第一条广州深圳准高速铁路建设成并投入运营，其旅客列车速度为 1 6 0 - - 2 0 0 k m h ，不仅在技术上实现了质的飞跃，更主要的是通过科研与试验、引进和开 发，为建设我国高速铁路做好了前期的准备，被称为我国高速铁路化的起点。我国铁路 自1 9 9 7 年至2 0 0 4 年间进行了五次大面积提速，基本形成了京沪、京哈、京广、京九铁 路组成的“四纵 以及陇海加兰新、沪杭加浙赣铁路组成的“两横”的快速铁路网络， 快速线路达1 6 万公里。2 0 0 7 年4 月1 8 日零时起，我国铁路正式实施第六次大面积提 速和新的列车运行图，最高速度可以达到2 5 0 k a n h ，这已是既有线上的最高速度。第六 次提速共涉及京沪、京哈、京广、兰新、陇海等1 8 条线路，客运列车最高运行速度达到 1 2 0 k m h 及以上的线路延展里程达到2 2 万公里，比“五提”增加了6 0 0 0 公里。经过六 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 次大面积提速，实现了中国铁路百年发展历史上的速度2 0 0 k m h 的动车组，速度1 2 0 k m h 载重5 5 0 0 吨的重载列车双层集装箱列车零的突破，成为世界铁路史上首创。系统性提速 改造客货共线的运行的新模式，极大地推动了我国铁路运输生产力的发展。 十年大提速的实践成果，已经验证了一个事实：我国铁路既有线提速已经达到世界 先进水平，铁路运输能力得到了较快扩充，技术装备水平得到了快速提高，对国民经济 的“瓶颈 制约得到了明显缓解。2 0 0 4 年1 月，国务院常务会议讨论并原则通过历史上 第一个中长期铁路网规划，以大气魄绘就了超过1 2 万公里“四纵四横”快速客运 专线网。目前，我国高速铁路动车组共有c r h l 、c r h 2 、c r h 3 、c r h 5 四种系列型号，c r h 是“c h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d ”( 中国铁路高速) 的缩写，主要借鉴引进了世界著名的 加拿大庞巴迪公司、日本新干线、德国铁路i c e 3 、法国t g v 以及美国g e 等公司的先进 技术。2 0 0 8 年8 月1 日，京津城际高速铁路通车运营，它是世界一流水平的高铁，是中 国第一条具有完全自主知识产权的高速铁路。京津城际高速铁路的开通，不仅拉开了中 国高铁建设和运营的序幕，而且在它背后，是正在编织的中国高速铁路网和正在实现的 中国经济的再一次跨越式发展。 未来几年，中国高铁建设将进入全面收获期。届时，我国高速铁路网将初具规模。 邻近省会城市将形成l 至2 小时交通圈、省会与周边城市形成半小时至l 小时交通圈。 北京到全国绝大部分省会城市将形成8 小时以内交通圈。到2 0 1 5 年，我国铁路运营里 程将会达到1 2 万公里以上。其中，新建高速铁路将超过1 6 万公里；加上其他既有线 提速线路和新建铁路，我国铁路快速客运网达到5 万公里以上，连接全国所有省会城市 以及5 0 万人口以上城市，覆盖不少于9 0 的人口，让“人便其行、货畅其流 的目标成 为现实。高速铁路的发展在面向2 1 世纪的中国可持续发展战略中，将产生深远的意义和 影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 弓网系统概述 1 2 1 弓网系统简介 如图1 - 1 所示，弓网系统由受电弓和接触网两部分构成，其功能是通过受电弓滑板 在接触线上滑动接触形成闭合回路，将电能传送到移动的机车上。受电弓是机车从接触 网获取电能的元件，由滑板和支撑系统构成。受电弓滑板安装在受电弓上并直接与接触 网导线接触，从导线上获取电能给列车并驱动列车行驶。接触网主要由接触线、吊弦和 承力索构成，它架设在轨道线路上方并向机车提供电能n 。7 1 。 s u p p o r t i n g s u p p o r t i n gr o d c o n t a c tw i r e e c t o rs t r i p 图卜1 弓网系统不意图 受电弓滑板与接触网导线是一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，它有如下工作特点： ( a ) 载荷变化具有随机性和周期性，( b ) 接触时通过的电流强度极大，( c ) 列车运行中 多为高速滑动，( d ) 周围工作环境条件复杂多变协9 l 。受电弓滑板主要失效形式为磨耗到 限，而就碳基滑板而言，还存在脱落掉块、折断等失效形式。当滑板失效时必须及时更 换以保证行车安全。受电弓滑板作为受电弓的关键部件，需要具备如下特性：首先应具 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有良好的导电性、电阻率低、接触电阻小，为行驶的列车提供电力；其次要具有良好的 耐磨性和减磨性，有较高的抗振和耐冲击强度，从而在高速摩擦过程中能够保持材料稳 定；第三应具有良好的耐热性和导热性、良好的耐电弧性能和耐气候性能；第四与接触 导线有良好的匹配性能，易于实现标准化和轻量化，此外，最重要的是应具有使用寿命 长、安全经济、环境负荷小，对接触导线磨耗小的特性n 们。 1 2 2 接触线的发展现状 随着电气化列车向高速重载的发展，对接触线的材质及其品种提出了更高的要求， 推动了接触线的发展。电气化铁路中使用的电力牵引接触线同时也广泛应用于城市轨道 交通( 包括轻轨、地铁、无轨电车) 、起重系统和电气化运输等领域中。接触线有品种多、 形状简单的特点，且具有较高的可靠性和安全性。按照材质的不同，接触线可分为纯铜 线、铜合金线、铝钢线和铜钢线四大类n 1 1 幻。两种常用的铜银合金接触线结构如图卜2 所示。 ( a ) d i n 4 3 1 4 1 ( b ) t b , r r 2 8 2 1 图卜2 两种常用的铜银合金接触线结构示意图 接触网导线是一种结构功能材料，它一方面需要传输电流，另一方面还要承受比较 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 大的轴向拉力。因而，在电气化铁路系统中，接触网导线需要满足如下要求n 3 1 钔： ( a ) 机械性能好，有较高的抗拉强度( 高温抗拉强度) ，综合拉断力不小于4 0l ( n 。 ( b ) 受流质量好、导电率高、电能损耗和电磨损低。 ( c ) 耐磨性能和疲劳性能高，使用寿命长。由于电气化铁路接触网导线更换时较为 困难，需要开天窗影响运输效率，因此接触网导线的使用寿命应不少于2 0 年。 ( d ) 耐高温抗软化性能好，温度升高将直接影响导线的载流量、抗拉强度和耐磨性 等特性，接触网导线在其软化后的抗拉强度不应小于初始状态的9 0 。 重要。 ( e ) 耐腐蚀性能好，对于温暖潮湿沿海地区和空气污染严重的工业区这点显得尤为 ( f ) 为提高接触网的稳定性，要求接触网有较小的线膨胀系，以提高使用的安全性 能。目前，铜合金接触线是应用最广泛的接触网导线。 目前，按照使用材料的不同，电气化铁路接触网导线可分为四大类：( 1 ) 纯铜接触 线( 硬铜接触线) ，( 2 ) 铜合金接触线，( 3 ) 铝合金接触线，( 4 ) 复合金属接触线。 纯铜接触导线具有良好的导电性能，优异的抗拉强度：其导电率为9 7 5 i a c s ，抗 拉强度通常为3 5 0m p a 。但由于纯铜接触线具有强度低、易发生断线、故障率高、抗软 化温度低、耐热性能差等缺点，使得纯铜接触导线寿命大大缩短，增加了运用维修成本。 铜合金接触导线具有在高温条件下强度高、耐磨性好、相对导电率下降较少等优点。 在铜中加入少量的合金元素，可以提高接触线的导电性能以及耐磨性能。如加入少量s n 元素，接触线寿命提高4 0 ，而导电率下降2 0 ；加入c d 元素后，铜接触线耐磨性可以 提高3 0 - 4 0 ，但其导电率仅下降10 9 6n 副。 铝合金接触线仅在我国有所应用。我国铜矿资源较为匮乏，在2 0 世纪7 0 年代提出 了以铝代铜的口号，并在此期间研发了a 1 一、a 1 - m g s i r e 和a 1 - m g s i - f e 三个系列的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 铝合金接触线。由于铝合金接触线的耐强度低、耐磨性差、寿命短、可靠性差等缺点， 已经逐步退出接触网，其占有率目前已经不足4 。 复合金属接触线主要分为三种类型：( 1 ) 钢铝接触线，( 2 ) 铝包钢接触线，( 3 ) 铜 包钢接触线。钢铝接触线的抗拉强度低、线密度小、导电率低，但其拉断力较高，因此， 在准高速或高速接触网线路的实际使用中，利用其较高抗拉断力特性的同时，应尽量提 高其导电率。铝包钢接触线的特点是机械强度高、线密度小、波动传播速度高、耐磨性 能好、价格便宜等。同时由于铝包钢接触线相对于铜及铜合金接触线具有抗事故性能好、 价格低等优势，因此它可以应用于各种材质的受电弓滑板。铜包钢接触线是日本科研人 员采用浸涂法研究开发的新型接触线，主要应用于速度3 0 0 k m h 的高速接触网系统，这 种接触线是通过调整铜与钢面积之比来获得不同的强度和导电率以供工程选择和使用 当前各国高速铁路系统采用的接触网导线材料都有各自的优点和不足之处。突出的 问题是抗拉强度和导电率往往是矛盾的，强度越高导电率越低，接触线也越硬，给制造 和架线带来较多的不适应性1 。而合金材料的综合性能不理想，因此各国都在积极的致 力于新材料的研制和开发。 1 2 3 受电弓滑板的发展现状 受电弓滑板安装在受电弓的顶部并直接与接触网导线接触，是电力机车从接触网系 统中获取电能的关键部件。受电弓滑板工作于自然环境中，当电力机车运行时，受电弓 滑板与接触网导线不断产生摩擦和冲击，是一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，因此对 于受电弓滑板的材料的选择有着非常严格的要求n 8 1 。 受电弓滑板的工作环境较为恶劣，如载荷变化范围大，滑动速度高，电流强度大， 且有雨雪和沙尘等恶劣自然环境，因此对受电弓滑板的材料具有以下要求：导电性能好， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 较高的抗电弧烧伤性能和抑制离线电弧的产生，强度高，减摩耐磨性好，环境适应性好， 便于实现标准化、轻量化n 吼驯。 电力机车受电弓滑板是一种滑动摩擦集电材料，主要有碳滑板、浸金属滑板、铜滑 板、铁基粉末冶金滑板和铜基粉末冶金滑板等种类，如图1 - 3 所示。 f 譬卿霪f 一一 壤i 囊黪j 。囊 穆 ( a ) 铜滑板 ( b ) 石墨滑板 ( c ) 纯碳滑板 图卜3 常见的几种受电弓滑板 铜滑板材料有机械强度较高、取材方便、成本低、寿命长、引起弓网事故故障率小 等优点，在早期国内电力机车中采用较多，但由于铜滑板对接触网导线磨耗较大，尤其 是对于铜导线磨耗十分严重，降低了弓网的使用寿命，增加了运输成本，已经不再应用 于弓网系统中。碳滑板的优点是有自润滑功能，本身对导线磨耗较低，可以延长接触线 使用寿命，但其机械强度低，容易出现断裂、掉块等现象，引发弓网故障率大，使用寿 命短，所以使用范围较小，适用性差。铁基粉末冶金滑板具有机械强度好、表面硬度高、 不易出现不均匀损耗和断裂，本身具有自润滑性能可以降低对导线磨耗低等优点，但它 与铜导线配合时对铜导线的磨耗较大，应避免应用于铜导线架设区域。铜基粉末冶金滑 板具有机械强度好，表面硬度适中，且与导线的磨耗匹配性较好。浸金属碳滑板具有粉 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 末冶金滑板机械强度好、电阻率较小的优点，又有纯碳滑板对铜导线磨耗小的特点，是 目前铜接触线架设区段最理想的机车受电弓滑板材料。浸金属碳滑板按照结构形式分为 组装式和整体式两种，它基本解决了纯碳滑板机械强度低的问题，耐磨性能大大提高， 降低了对导线磨耗，而且还具有良好的电学特性。但由于浸金属碳滑板抗冲击性能不高， 易出现断裂掉块问题，使用中需要整形，4 增加了维修成本，给使用部门造成很大的经济 压力。删。 表1 2 国内各种受电弓滑板的性能比较 由于上述的各种滑板材料都具有不同的优缺点，扬长避短，因而现今受电弓滑板的 主要发展趋势是碳金属纤维滑板、有自润滑功能的金属基复合材料滑板，以及无机非金 属基复合材料滑板。碳金属纤维滑板相对于浸金属碳滑板而言，具有强度高、电阻率低 等优点，但由于滑板中金属在碳基体中的分布范围较大，使得滑板对铜接触线的磨耗增 大。同时滑板材料中的增强剂若有损伤，材料的导电性能便会急剧下降嘲。 因此，对于滑板材料来说，无论应用于哪个国家，哪条线路的接触网中，都应该具 有良好的导电性以及高的耐磨性和减磨性。因此新型受电弓滑板材料的开发研制要从以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 下几个方面入手：( a ) 合适的电阻率低和接触电阻：( b ) 机械强度较好；( c ) 优良的耐 磨性和减磨性，自润滑功能要好；( d ) 耐热性、耐电弧烧蚀性能良好；( e ) 便于批量生 产，易于实现轻量化；( f ) 运用成本低。滑板材料各个性能之间是一个矛盾的集合体， 某一方面性能的提高一般都要以牺牲其他方面的性能为代价，因此研制开发中要兼具或 者协调滑板的优良性能，以满足高速列车速度不断提高的需剥2 3 朔。 1 3 载流摩擦学概述 1 3 1 摩擦磨损理论 。 磨损是指相互接触的两个固体表面在滚动、滑动或冲击运动中出现的表面损伤或材 料脱落。在多数情况下磨损是发生相对运动时接触材料表面的微凸体之间相互作用所引 起，首先是材料表面的微凸体发生变形，表面或者表面附近的材料性能发生变化，接着 材料由于表面剥离转移到配副表面或者以磨屑形式挣脱表面。磨损是力学作用或化学作 用产生的，并随着摩擦温升的提高，磨损加剧。磨损存在六种主要形式n 1 1 1 川：疲劳磨损 ( f a t i g u ew e a r ) 、粘着磨损( a d h e s i v ew e a r ) 、磨粒磨损( a b r a s i v ew e a r ) 、冲击 磨损( i m p a c ta b r a s i o n ) 、电弧磨损( a r ca b l a t i o n ) 、腐蚀磨损( c o r r o s i v ew e a r ) 和微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ，它们的共同特征是在摩擦副表面有材料剥离。材料磨损 主要原因是摩擦磨损，疲劳破坏和腐蚀一3 。 载流摩擦磨损是指处于电场中的摩擦副，当有电流通过时的摩擦磨损行为，它是一 种特殊情况下的摩擦学问题洲羽。它主要出现在电气化铁路弓网系统中受电弓滑板接触 网导线接触副、发电机和励磁电机的碳刷和电极接触副、地铁受电靴第三轨接触副以及 运载火箭升空过程中的整流装置等环境中波侧。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 3 2 载流摩擦磨损试验装置的分类 因载流摩擦磨损试验的特殊性，现阶段使用的试验装置一般都是自制或改装而成的。 按照结构的不同形式可以分为环块式、销一盘式和线一滑块式等三大类4 2 删，装置简 图如下图卜4 所示。三种装置试验机中，线滑块式试验机可以模拟接触线的弹性悬挂， 但由于是往复滑动试验所以试验速度较低。环块式和销一盘式试验机可以模拟较高的 滑动速度，如德国前a e g 公司设计的接触线试验台试验滑动速度可以高达5 0 0k m h 。销 盘式试验机在试验过程中能够控制环境工况，同时还有可以添加润滑剂和测量摩擦力 的优点。由于实验结果很大程度上依赖于试验机，所以对与不同类型的试验机做相同试 验，试验结果会出现偏差。 目臣 鎏盯州 厕。_ 三 e e 一 与 i廓 划hh必 - 自 ir r ( a ) 环一块式 ( b ) 销盘式 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( c ) 线滑块式 图1 _ 4 三种典型的试验装置 1 3 3 载流摩擦学的研究现状 载流摩擦磨损性能的影响因素较多，主要包括接触副材料的化学成分和几何尺寸、 试验所处的环境工况、材料表面温度变化、离线电弧能量以及实验参数的设定等，是一 个较为复杂的摩擦磨损过程口瞄幻。随着电气化铁路向高速、重载化的快速发展，对受电 弓接触网系统中载流摩擦副材料的抗磨损性能和受流性能的稳定性要求越来越高，因而 载流摩擦学也成为国内外学者研究的热点。现阶段载流摩擦学的研究基本以实验室模拟 实验为主，而数值计算分析、计算机仿真等手段相对较少。实验室模拟试验考虑的因素 二般有试验工况的影响，同时也有所处环境气氛的影响。随着试验手段和数据采集装置 的发展，在数据分析方法方面，由传统的对摩擦系数、磨损率、摩擦磨损表面的微观形 貌、磨屑颗粒进行分析，发展到摩擦副接触表面的温升影响、离线电弧放电的影响、接 触副振动特性、电接触材料的接触电阻的变化、摩擦副材料的磨损类型等因素的研究分 析，可以说研究方向越来越广，分析越来越细致。但由于模拟实验中实验设备的局限性、 摩擦磨损过程的系统依赖性及其它种种不确定因素，严重限制了载流摩擦学的发展，同 时至今没有找出通用的理论公式用于解释载流摩擦副的摩擦磨损性能和接触过程中的界 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 面现象，因而载流摩擦学的研究发展任重而道远。 在载流摩擦磨损试验研究中，各种试验因素对摩擦副材料的载流摩擦磨损性能都有 很大的影响。 1 试验电流的影响 电流对载流摩擦磨损特性的影响是最为显著，国内外的学者对不同工况试验电流的 影响进行了大量的试验研究，结果表明电流对摩擦副材料摩擦磨损性能的影响主要有以 下两个方面：第一，当有电流通过时，在原有摩擦热的基础上同时伴有外加接触电阻热 以及电弧放电产生的热量，导致接触表面温度比不带电的摩擦状态有所升高，接触表面 材料因高温软化，降低了接触副的摩擦系数。另外，接触表面温度的升高也会使摩擦副 接触表面材料发生氧化，氧化膜的润滑作用降低了接触副摩擦系数。第二，有电流通过 时，接触副材料会产生大量的热量，也会使接触副材料本身所具有的良好的润滑性能遭 到破坏甚至失效，加剧磨损。同时高温也会使接触副接触表面的机械性能遭到破坏，粗 糙度增加，摩擦表面的接触状态恶化从而使摩擦系数增大。普遍认为电流对摩擦副材料 摩擦磨损特性的普遍影响是电流增加导致摩擦副材料的磨损加剧。在无电流时，摩擦副 之间主要以机械磨损( 磨粒磨损、粘着磨损) 为主，因此摩擦副材料的损伤不大，磨损 较轻。有电流通过后，摩擦副表面材料受机械磨损和电气磨损共同作用，因此，在加载 电流时，摩擦副材料的磨损量( 率) 比无电流时要大。 2 接触压力的影响 受电弓和接触线之间存在一定的接触压力，可以保证受电弓与接触线之间的可靠接 触和相互作用，从而可以使电力机车获得良好的电流质量。当受电弓滑板和接触网导线 之间的接触压力过小时，会使它们之间接触不良，供电时断时续，同时还有可能产生火 花或者离线电弧，以至烧蚀滑板和接触线。当接触压力过大时，电力机车受流虽然很稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 定，但会导致受电弓滑板和接触线的异常磨损，降低其使用寿命。因此，当前的研究 方向就是找出受电弓与接触网之间合适的接触压力，以保证弓网系统的运行稳定性，从 而提高受电弓滑板和接触线的使用寿命，降低能耗，减少维护费用。 3 速度的影响 在载流摩擦磨损过程中，滑动速度也有着至关重要的影响。随着高速电气化铁路的 发展，在高速运行的过程中出现了弓网振动、弓网接触不平顺以及离线电弧放电等新的 载流摩擦学问题，这些都加剧了摩擦副材料的磨损，降低了摩擦副材料的使用寿命的减 ， 少，增加了维护费用旧舳3 。学者们通过大量的试验得出的结果表明，滑动速度的改变将 影响摩擦副接触表面的接触面积和接触状态，同时也引起界面温度的变化和离线电弧现 象出现，这些将导致接触表面氧化膜的形成和破坏、接触副表面材料化学成分的改变、 磨屑形成。这些都会直接影响材料摩擦磨损性能。 4 电源极性的影响 不同的电源极性会对摩擦副材料的摩擦磨损性能产生明显的影响，就其原因主要有 如下两点：一是电源极性改变电流流向，从而引起摩擦副表面接触尺寸变化；二是有电 流时会使接触表面发生电化学反应，接触副材料表面有氧化物形成和排出，即氧化膜的 形成和破坏。 5 环境气氛的影响 现今国内外对载流摩擦磨损的研究主要集中在电气化铁路的弓网系统上，由于弓网 系统的工作的大气环境非常恶劣，如雨、雪、风、沙、高温等，这些特殊的大气环境都 会对摩擦副材料的载流摩擦磨损性能产生影响瞄，并使其摩擦磨损特性更为复杂，因此 对不同环境气氛对载流摩擦磨损性能的影响的研究十分重要。 6 温度的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文。第15 页 受电弓滑板在接触线上的高速滑动产生了大量的摩擦热、电流存在时形成的热量以 及离线电弧所产生的热量，都导致了摩擦副接触表面温度的升高。温度的升高可以使摩 擦副材料的软化并加剧接触表面材料的氧化，从而造成了摩擦系数的减小。此外，温度 的升高所伴随的高温磨损，主要表现为剥落、粘着磨损，将会加剧摩擦副材料的磨损。 7 电弧烧蚀的影响 当有离线电弧产生时，会造成接触副表面温度升高，从而引起接触表面氧化磨损和 电弧烧蚀，加剧了摩擦副材料的磨损。其中电弧烧蚀造成的影响主要有以下两个方面： 第一电弧烧蚀会造成接触副表面有凹坑出现，摩擦副表面粗糙度增加，增大了摩擦系数； 第二电弧放电产生的热量会使接触表面发生氧化导致摩擦系数降低。 8 摩擦磨损中电特性 摩擦副加载电流时，会产生接触电阻、接触电压以及电弧放电。当电流通过有接触 电阻的摩擦副时会产生接触电压，当接触表面间的接触电压不断增大，并超过电弧放电 的临界电压时，便会产生电弧放电。 电弧是由于接触面之间的电势差，即接触电压大于临界值时产生的。当接触表面间 电势差大于临界值v 。时，阴极表面电子被拉出，向正极方向做加速运动，在这期间若与 空气或者金属蒸汽碰撞游离，将会导致电弧产生嘲1 。 1 4 课题研究的意义及内容 1 4 1 课题研究的意义 中国是一个典型的大陆性国家，人口众多，幅员辽阔，交往跨度和经济联系较大， 需要一种强有力的运输方式将整个国民经济和国家联系起来。铁路是国家重要的基础设 施，是大众化的交通工具和国民经济的大动脉，它的最显著特点是运量大、能耗小、运 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 行成本低，是最适合我国经济地理特征和人们收入水平的骨干运输方式。国家制定的铁 路中长期规划以及“十一五”铁路建设发展规划，2 0 2 0 年我国铁路网营业里程将达到 1 1 2 万公里以上，目前，我国已经进入了高速铁路全面建设时期。 我国高速铁路六次提速的完成，以及国内“四纵四横”客运专线的建设的提出，对 高速列车和轨道的设计要求，尤其是列车运行的受电弓接触网的取流平稳和受流质量的 要求越来越高。弓网系统是高速列车获得动力的关键部件，由于弓网系统处于十分恶劣 的工作环境中( 如风、沙、雨、雪等) ，这就造成了受电弓滑板和接触网导线的磨损加剧， 降低了弓网系统的使用寿命。由于我国现阶段高速列车上使用的所采用的受电弓滑板主 要依赖进口，而且滑板基本上在使用8 - 1 0 万公里就需要更换，消耗量极大，给铁路运 用部门造成了相当大的经济压力，所以对弓网系统中受电弓与接触网摩擦磨损机理研究， 以及开发研制具有国家知识产权的高速列车受电弓滑板是一项迫切而紧急的任务。 受电弓滑板磨损是机械磨损和电气磨损共同作用的结果，而离线电弧放电又是电气 磨损中导致滑板剧烈磨损的最重要的因素。国内外的学者对于高速铁路弓网系统做了大 量的试验理论研究，但仅局限在各种工况条件下的载流摩擦磨损试验研究中，摩擦磨损 分析也只是磨损量、摩擦系数和磨损形貌等传统的研究方面，对离线电弧、温度、振动 方面的研究极少。 因此，对受电弓滑板接触线间摩擦磨损性能及其机理研究，保证运行列车受流平稳， 降低能耗，提高受电弓接触网的使用寿命以减少高速铁路运行成本和维护费用，有着重 要的现实意义和经济意义。 1 4 2 课题研究的主要内容 本论文的主要研究内容是在环块式高速载流摩擦磨损试验机上，模拟实际弓网系 统中受电弓滑板与接触网导线接触状况，通过碳滑板在不同工况下摩擦磨损性能和离线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 电弧放电特性的研究，找出弓网系统载流摩擦磨损的机理。 论文中的具体内容如下： ( 1 ) 在相同电流、试验盘线滑动速度下，研究不同的碳滑板倾角和法向力对于受电 弓滑板的摩擦磨损特性的影响。 ( 2 ) 由试验中采集到的相关数据计算出离线电弧放电能量，并找出电弧能量与磨损 率间的关系。 ( 3 ) 利用光学显微镜( o m ) 和扫描电镜( s e m ) 对纯碳滑板的磨损形貌进行观察和 分析，找出电弧对磨损形貌的影响。