（机械设计及理论专业论文）载流摩擦磨损机理研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 随着科学技术的进步，社会经济的发展，人类探索领域的不断扩大，遇 到了众多特殊工况下的摩擦学问题，高速电气化铁路系统的受流是典型的载 流条件下的特殊摩擦磨损问题，目前尚未见到地铁中使用的钢铝复合式第三 轨和受电靴的载流摩擦磨损特性及机理的研究。 本文通过对销盘摩擦磨损试验机的夹具和控制部分进行改进，研制了载 流摩擦磨损试验装置，并用其首次试验研究了地铁钢铝复合式第三轨与受电 靴摩擦副之间的载流摩擦磨损特性。采用扫描电子显微镜( s e m ) 、电子能 谱仪( e d x ) 、x 射线衍射分析仪( m ) 、和表面轮廓台阶仪等微观手段， 系统研究了电流、速度、极性、法向压力等对钢铝复合式第三轨与受电靴摩 擦副之间的载流摩擦磨损特性，揭示了摩擦副的磨损机制；试验还在c e t r u m t - 2 试验机上用自行设计的夹具，研究了支撑刚度对载流摩擦磨损特性的 影响。研究得到的主要结论和结果如下： 1 、随着电流和速度的增大，磨损体积损失相应增大：电流、法向压力和 速度等的综合作用导致摩擦表面的温升，是影响载流摩擦副的摩擦磨损特性 的重要因素，相应于温度增大，磨损体积损失增大；表面过渡层中的水膜电 解出的氧离子导致受电靴材料的结合力削弱，表面逐渐疲劳而破坏，受电靴 接正极时的磨损量略大于接负极时的磨损量；表面轮廓分析表明，钢铝复合 轨的磨损量随着速度的增大略有增大，但磨损量比受电靴的销试样小得多， 只在微米量级。随着电流的增大，摩擦系数出现较小范围内的波动，有先增 大然后减小的趋势：随着速度的增大，摩擦系数减小；不同极性条件下摩擦 系数都比较接近，受电靴接正极时的摩擦系数略微较接负极时大。 2 、载流时摩擦系数随着法向压力的增大呈现出增大的趋势，而无电时摩 擦系数随着法向压力的增大呈现出减小的趋势。载流磨损体积损失随着法向 压力的增大均呈现出现先快速减小而后缓慢增大的u ”形变化趋势，发现存 在一个最佳法向压力，此压力下的磨损体积损失最小，且随着速度的增大最 佳法向压力相应增大。建立的磨损量一法向压力速度三维关系模型( w - f v m o d e l ) 能与实际的试验结果较好的吻合，它对于载流摩擦磨损系统磨损的定 量预测，对于最优磨损条件的确定等都具有积极的意义。地铁第三轨受流时， 对应于一定的运行速度，最佳法向压力是最佳的工作压力，此时既能保证顺 利受流，又能使得摩擦副材料总损失量较小，从而对确保行车安全，降低维 护频率，节约地铁运行成本等都有一定的实用价值。 第1 l 页西南交通大学博士研究生学位论文 3 、钢铝复合轨和受电靴的受电磨损机制主要是机械磨损和电气磨损，四 种机械磨损机制分别为粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损和疲劳磨损。电气磨 损和机械磨损相互加强，电弧烧蚀导致了比机械磨损大得多的磨损，磨损过 程表现为多种机制综合作用的结果。 4 、变支撑刚度试验结果表明：加载系统的支撑刚度对载流摩擦磨损有影 响，不同的支撑刚度条件下，随着载荷降低，载荷的振幅均增大，且弹性加 载的载荷振幅总体上小于刚性加载；对变形能的试验揭示了弹簧的摩擦耗能 与变形能的比值越大，吸振能力越强，载流磨损量越小。实际载流工况中， 采用合理的支撑刚度加载，能较好地降低载荷的振幅，减少电弧烧蚀，保证 良好的受流。 5 、基于摩擦学的三公理，建立了载流摩擦磨损系统构成图和系统过程图， 以及载流摩擦磨损电传导电路模型，为载流摩擦磨损的研究奠定了分析基础， 能较好的解释电因素对摩擦磨损的作用。研究结果在很大程度上丰富对载流 摩擦磨损的研究，对接续的研究工作具有重要的意义。 关键词：载流摩擦磨损；机理；钢铝复合式第三轨；受电靴 西南交通大学博士研究生学位论文第1 | i 页 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to ft h e e c o n o m y , a n dt h ee x p a n s i o no fe x p l o r a t i o nf i e l d h u m a nb e i n gc o m e sa c r o s sal o t o fp e c u l i a rw o r k i n gc o n d i t i o nt r i b o l o g yp r o b l e m p o w e rs u p p l yo fh i g hs p e e d e l e c t r i cr a i l w a yi sat y p i c a lp e c u l i a rt r i b o l o g yp r o b l e m ；h o w e v e rt h er e s e a r c h c o n c e r n i n gt r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fa l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e l c o m p o s i t e c o n d u c t o rr a i la n dc o l l e c t o rs h o eu s e di ns u b w a yt h i r dr a i lt r a c t i o ns y s t e mh a sn o t b e e nr e p o r t e ds of a r i nt h i sp a p e r , an e wt e s t e rb ym o d i 研n gt h eji g sa n dt h ec o n t r o ls y s t e mo f c o n v e n t i o n a lp i n o n d i s ca p p a r a t u sh a sb e e nd e v e l o p e d t h ef r i c t i o na n dw e a r c h a r a c t e r i s t i c so fa l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e lc o m p o s i t ec o n d u c t o rr a i la n dc o l l e c t o r s h o eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e do nt h et e s t e rw i t he l e c t r i c a lc u r r e n ta p p l i e da c r o s st h e s l i d i n gi n t e r f a c e t h em o r p h o l o g i e so fw o r ns u r f a c e sh a v eb e e no b s e r v e da n d a n a l y z e db ym e a n so fs 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 ) a n de n e r g yd i s p e r s i v e x - r a ys p e c t r o s c o p y ( e d x ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n ds u r f a c ep r o f i l o m e t e r ，e t c t h et r i b o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e lc o m p o s i t ec o n d u c t o r r a i la n dc o l l e c t o rs h o eu n d e rd i f f e r e n te l e c t r i cc u r r e n t ，s l i d i n gs p e e d ，p o l a r i t y ，a n d n o r m a lf o r c eh a v eb e e nt e s t e ds y s t e m a t i c a l l y e f f e c t so fb r a c i n gs t i f f n e s so nt h e f r i c t i o na n dw e a rw i t he l e c t r i c a lc u r r e n ta l s oh a v e b e e ni n v e s t i g a t e do nt h e m o d i f i e dr i go fc e t ru m t - 2t e s t e r t h em a i no b t a i n e dr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n si n t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e a rv o l u m e1 0 s sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f e l e c t r i cc u r r e n ta n dv e l o c i t y t h ec u r r e n t ，n o r m a lf o r c ea n ds l i d i n gs p e e di n d u c e t h et e m p e r a t u r er i s e sb e t w e e nt h ef r i c t i o np a r t s ，a n dt h e s ea r et h ek e yf a c t o r s i n f l u e n c et h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c s t h ew e a rv o l u m el o s si n c r e a s e s w i t ht h e r i s i n g o ft e m p e r a t u r e t h ee l e c t r i c a lw e a rl o s sh a sb e a r i n go n p o l a r i t y w a t e rm o l e c u l ea d s o r b e db ys l i d i n gc o n t a c ts u r f a c ed e c o m p o s e di n t o h y d r o g e na n do x y g e ni o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i c a lf i e l d t h eo x i d a t i o n r e a c t i o no c c u r r e db e w t e e np o s i t i v em e t a li o i l s ( o rc a r b o ni o n s ) a n dn e g a t i v e o x y g e ni o nw e a k e n e dt h eb o n db e w t e e nt h eg r a i n si nt h es u r f a c el a y e r t h ew e a r v o l u m el o s so fap o s i t i v ec o l l e c t o rs h o ei sl a r g e rt h a nt h a to fan e g a t i v ec o l l e c t o r s h o e s u r f a c e p r o f i l ea n a l y s e s h o w st h a tw e a rv o l u m el o s s e so f a l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e lc o m p o s i t ec o n d u c t o rr a i li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f s l i d i n gs p e e d b u tt h el o s s e sa r eu n d e rm i c r o nl e v e l ，w h i c ha r em u c hl e s st h a n w e a rv o l u m el o s s e so ft h ec o l l e c t o rs h o e w i t ht h ei n c r e a eo fc u r r e n t ，t h ef r i c t i o n c o f f i c i e n t sf l u c t a t eu n d e rt h el e s sr a n g e w i t ht h et r e n do ff i r s te n h a n c i n ga n dt h e n 第1v 页西南交通大学博士研究生学位论文 d i m i n i s h i n g t h ef r i c t i o nc o f f i c i e n t sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fs l i d i n gs p e e d ， a n dn e a r l ye q u a lu n d e rd i f f e r e n tp o l a t y 2 、t h ef r i c t i o nc o f f i c i e n t si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fn o r m a lf o r c eu n d e r t h ec u r r e n t b u td e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fn o m r a lf o r c ew i t h o u tc u r r e n t w i t h t h ei n c r e a s eo fn o r m a lf o r c e t h ee l e c t r i c a lw e a l v o l u m el o s sf i r s t l yd e c r e a s e s g r e a t l yt h e ni n c r e a s e ss l i g h t l yi nt h es h a p eo f u t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ao p t i m u mn o r m a lf o r c ee x i s t si nf r i c t i o na n dw e a rw i t he l e c t r i cc u r r e n t t h ew e a r v o l u m el o s si sl e a s tu n d e rt h eo p t i m u mn o r m a lf o r c e ，a n dt h eo p t i m u mn o r m a l f o r c ei n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fs l i d i n gs p e e d o nt h eb a s i so ft e s t sa n da n a l y s e s at h r e ed e m e n s i o nw f v ( w e a rv o l u m el o s s - n o r m a lf o r c e - v e l o c i t y ) m o d e la r e e s t a b l i s h e d t h em o d e li sf a i r l yf i r i n go fa c t u a lt e s tr e s u l t s a n di sv a l u a b l ei nt h e p r e d i c t i o no fw e a r1 0 s su n d e rc u r r e n t a n dt h ec h o i c e o fo p t i m u mf r i c t i o n a l c o n d i t i o n i nt h er e a lw o r k i n gc o n d t i o no ft h r e er a i l w o r k i n gu n d e rt h et h e o p t i m u mn o r m a lf o r c em a k e se l e c t r i c a lp o w e rs u p p l ys t a b l ea n dw e a rl o s sm u c h l e s s ，r e d u c e sm a i n t e n a n c ef r e q u e n c y ，e n s u r e sd r i v i n gs a f e t y , a n ds a v e ss u b w a y r u n n i n gc o s t 3 、m e c h a n i c a lw e a ra n de l e c t r i cw e a ra r em a j o rw e a rm e c h a n i s mi nt h e f r i c t i o na n dw e a rb e t w e e na l u m i n u m s t a i n l e s ss t e e lc o m p o s i t ec o n d u c t o rr a i la n d c o l l e c t o rs h o e t h em e c h a n i c a lw e a ri n c l u d e sa d h e s i v ew e a r ，a b r a s i v ew e a r ， o x i d a t i v ew e a r a n df a t i g u ew e a ri nt h et e s t s m e c h a n i c a lw e a ra n de l e c t r i cw e a r e n h a n c em u t u a l l y a n dw e a rl o s s e sc a u s e db ye l e c t r i ca r ce r o s i o ni sm u c hl a r g e r t h a nt h o s ec a u s e db ym e c h a n i c a lw e a r t h ew e a rp r o c e s ss h o w st h er e s u l t so f b e i n gas y n t h e t i c a le f f e c tb yv a r i o u sm e c h a n i s m s 4 、1 e s t ss h o wt h a tb r a c i n gs t i f f n e s so fl o a d i n gs y s t e mh a se f f e c to nt h eo nt h e f r i c t i o na n dw e a rw i t he l e c t r i c a lc u r r e n t u n d e rd i f f e r e n tb r a c i n gs t i f f n e s s ， v i b r a t i o na m p l i t u d eo fn o r m a lf o r c ei n c r e a s e dw i t hd e c r e a s i n go ft h en o r m a lf o r c e h o w e v e r , v i b r a t i o n sf r o mt h ee l a s t i cs y s t e me x h i b i t e dl e s st h a nt h o s ef r o mt h e r i g i ds y s t e m s p r i n g sr a t i oo ff r i c t i o n a le n e r g yt od e f o r m a t i o ne n e r g yh a sr e l a t i o n w i t ht h em a s sl o s so ft h ep a i r i ft h er a t i oi sl a r g e r , t h ew e a rl o s si sl e s s i nw o r k i n g c o n d i t i o n ，s e l e c t i o no fa p p r o p r i a t er a n g eo fn o r m a lf o r c ea n ds t i f f n e s so fs p r i n gi s n e c e s s a r yt od e c r e a s et h ew e a rl o s si n d u c e db ya r ce r o s i o n 5 、b a s e do nt h et h r e ea x i o m si nt r i b o l o g y ，as y s t e ms t r u c t u r em a p ，as y s t e m p r o c e s sm a p a n dae l e c t r i cc i r c u i tm o d e la r ee s t a b l i s h e d t h e s er e s u l t sh a v e e s t a b l l i s h e dt h ea n a l y t i c a lb a s i sf o rr e s e a r c hi nf r i c t i o na n dw e a rw i t he l e c t r i c c u r r e n ta n da r es i g n i f i c a n tf o rt h ef u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：f r i c t i o na n d w e a rw i t he l e c t r i c a lc u r r e n t ，w e a rm e c h a n i s m ， a l u m i n u m - s t a i n l e s ss t e e ic o m p o s i t ec o n d u c t o rr a i l c o l l e c t o rs h o e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交 通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密回，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、 ) 学位论文作者躲曩帮 指剥嗽：固印孚 日期：加g 年ij 月1 2 日 日期：沙历年f ( 月f 2 ，日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中做了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、对销盘摩擦磨损试验机的夹具和控制部分进行改进，研制了载流摩 擦磨损试验装置，可以比较真实地模拟地铁第三轨与受电靴之间的载流摩擦 磨损行为。首次系统、全面地研究了电流、速度、极性、法向压力等对地铁 钢铝复合式第三轨与受电靴之间摩擦学特性的影响，揭示了载流条件下的磨 损机制。( 论文第2 章、第3 章l 、3 、4 、5 节) 2 、通过试验发现在载流磨损过程中存在一个最佳的法向压力，当法向压 应力大于此压力时，此时电流加强了机械磨损，而当法向压力小于此压力时， 机械磨损加强了电弧烧蚀，电弧烧蚀导致的材料损失量远大于机械磨损量， 建立了载流磨损最佳法向压力三维关系图。( 论文第3 章第2 节) 3 、在c e t ru m t - 2 多功能摩擦磨损实验机上，用自行设计的夹具，试 验研究了加载系统不同的支撑刚度对钢铝复合式第三轨与受电靴摩擦副之间 的载流摩擦磨损特性的影响，试验表明弹簧的摩擦耗能与变形能的比值越大， 吸振能力越强，法向载荷振幅越小，载流磨损量越低。( 论文第4 章) 4 、以地铁第三轨载流磨损为研究对象，对载流摩擦磨损的机理开展理论 研究，建立了载流摩擦磨损的系统构成图和系统过程图，以及载流摩擦磨损 电传导电路模型，为载流摩擦磨损的研究奠定了分析基础。( 论文第5 章) 学位论文作者虢巧犯 日期：如孵年f j 月1 7 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 特殊工况下的摩擦磨损问题 1 9 6 6 年科学界为摩擦学( t r i b o l o g y ) 下的定义为研究相对运动的相互作 用表面及有关理论和实践的科学技术。摩擦学是研究相对运动的作用表面间 的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门交叉学科。 世界上使用的能源大约有1 3 - - 1 2 消耗于摩擦，如果能够尽力减少无用的摩 擦消耗，便可大量地节省能源、保护环境，摩擦学已经被公认为追求“绿色” 的学科。 从1 5 世纪起，意大利的列奥纳多达芬奇开始把摩擦学引入理论研究的 途径，1 7 8 5 年，法国库仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出 摩擦理论，后来又有人提出分子吸引理论和静电力学理论，1 9 3 5 年，英国的 鲍登等人开始用材料粘着概念研究干摩擦，1 9 5 0 年，鲍登提出了粘着理论。 关于润滑的研究，英国的雷诺于1 8 8 6 年继前人观察到的流体动压现象，总结 出流体动压润滑理论，2 0 世纪5 0 年代普遍应用电子计算机之后，线接触弹 性流体动压润滑的理论开始有所突破。对磨损的研究开展较晚，2 0 世纪5 0 年代提出粘着理论后，6 0 年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上，给 磨损的研究带来了迅速的发展。至此，综合研究摩擦、润滑和磨损相互关系 的条件已初步具备，并逐渐形成摩擦学这一新的发展中的学科。 随着科学技术的进步，经济社会的发展，人类探索领域的不断扩大，遇 到了多种特殊的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、高低温，核工业 中的离子辐射等环境下的摩擦学问题；深海作业中的高压、强腐蚀、润滑剂 稀释、防漏密封问题；生物介质中假肢、义齿、人工关节、人造心脏瓣膜最 佳设计方案的生物摩擦问题；地质学方面的地壳移动、火山爆发和地震，以 及山、海，断层的形成问题；高速切削技术中的高承载、高速度问题；以及 电气化铁路系统高速强电流摩擦磨损等大量的特殊摩擦学问题，相对与常规 的摩擦学问题，这类摩擦学问题归类于特殊工况下摩擦学( 又称为超常规工 况或极端工况下的摩擦学) 问题，这些工况具有“三高、一特殊 的特点， 即高速心吲、高低温卜1 0 3 、高载荷拉1 的苛刻运行条件，或摩擦副处于特殊环 境或存在特殊的介质。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 特殊工况下摩擦学问题越来越突出，它与传统的工程摩擦学问题相比涉 及到的学科更加广泛，具有强烈的学科交叉性，正日益受到各国科研工作者 的高度重视。 1 2 载流摩擦磨损 载流摩擦磨损( 即受电摩擦磨损，或受流摩擦磨损) 属于特殊工况下的摩 擦磨损，是指处于电场或磁场中的摩擦副，在电流通过条件下摩擦副的摩擦 磨损行为，它包括润滑条件下及干摩擦条件下的摩擦磨损特性研究。 载流摩擦磨损研究的主要背景为高速电气化铁路系统( 包括地铁、轻轨、 磁悬浮等) 的受流、城市公共交通中电车( 包括有轨电车和无轨电车等) 的 电力传输系统、工业中广泛应用的发电机电动机的碳刷与集电环、在航空航 天领域运载火箭升空过程中的整流装置在运行过程中所产生的摩擦磨损行为 竺u 3 1 亍 。 人们很早就发现了摩擦中伴生的电现象以及外加电场或电流影响摩擦系 数的事实。两种不同的材料在一起摩擦，就会使一种材料的电子脱离其轨道 而被另一种材料俘获，俘获电子的材料将具有负电荷，失去电子的材料将具 有正电荷。在1 9 世纪7 0 年代年伟大的科学家爱迪生( t h o m a sa l v ae d i s o n ) 就利用了摩擦与电场的关系改进和完善了电话的发话器。众所周知贝尔发明 了电话，并设计出了中心设置磁舌簧的发话器，振动舌簧通过电磁感应转换 为各种电振磁荡从而能传递各种频率的声音。1 8 7 6 年2 月1 4 日，这项发明 获准专利登记，但不久爱迪生他对贝尔的电话结构进行了革命性的改造，用 碳粒摩擦接触来控制电流强度，使电话传送声音的效率得以提高，完善了电 话的功能。摩擦产生电流，电荷周围的电场以及流过导线的电流所产生的磁 场又会反过来影响摩擦，导致了摩擦副复杂的载流摩擦磨损现象。 2 0 0 7 年4 月3 日法国高速列车在行驶试验中达到5 7 4 8 公里的时速，打 破了1 9 9 0 年由法国高速列车创下的时速5 1 5 3 公里的有轨铁路行驶的世界纪 录，在如此高速的电气化铁路系统中，受流的质量是直接影响机车的运行的 速度和牵引力的关键，受电弓滑板与导线之间、第三轨与受电靴之间的载流 摩擦磨损特性已成为是衡量电力传输质量的重要指标，如何同时获得良好的 耐磨性能与受流效率成为该领域的研究重点，并逐渐受到各国科研工作者的 高度重视。 载流摩擦磨损通常是在高速、强电流作用下的摩擦磨损行为，是机械摩 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 擦接触系统和电接触系统的相互作用、相互影响的结果。载流摩擦磨损由于 摩擦机理复杂、应用背景广泛，已成为当前摩擦学与材料学领域研究的热点 之一。国外进行载流摩擦磨损的研究开始得比较早，从2 0 世纪2 0 年代起，就 有这方面的研究论文发表【l4 1 ，近1 0 多年来已经开展起来了不少的研究工作， 各国出现了载流摩擦磨损研究的高潮，研究人员在探讨载流摩擦磨损的机理 及寻求提高耐磨性的途径方面做了一些研究工作，其中以电气化铁路比较发 达的日本、德国、法国和澳大利亚等国家的研究较为活跃，目前已在载流摩 擦磨损的机理及寻求提高耐磨性途径的研究中取得了不少成果。 1 2 1 载流摩擦系统的特点 载流摩擦副和一般的机械摩擦副相比多了一个电接触系统，摩擦副运行 中摩擦接触系统和电接触系统相互影响、共同作用，但表现出的摩擦磨损特 性又并不是两个单一系统的简单叠加。因此载流摩擦研究的复杂性，影响因 素的多样性和交叉性，是单一系统无法相比的。 载流摩擦系统与一般的摩擦学系统相比，主要有以下特点： ( 1 ) 电因素介入摩擦系统 电场、电流及电弧等的作用都将影响摩擦副的摩擦学性能。 ( 2 ) 复合强外场作用下摩擦磨损问题 载流流摩擦磨损是电场、磁场、应力场和温度场等共同耦合作用的磨损， 是摩擦副在强电流复杂动载荷电化学腐蚀等多因素耦合作用下的结果。 ( 3 ) 复杂的动力学系统 滑动速度、接触应力及系统的刚度对摩擦副之间接触动力学状态的影响， 例如电气化铁路中受电弓滑板与载流导线之间是柔性接触，这样机车车体的 振动、接触导线的谐波振动、以及加载系统的刚度等因素，对于摩擦副的接 触状态都将产生显著的影响。 ( 4 ) 润滑状态对摩擦副的摩擦载流能力的影响 增加润滑与减小接触电阻是相互矛盾的，因此在载流条件下要对润滑剂 的作用进行综合评估。 ( 5 ) 磨损机制的多样性、时变性 在不同的材料、设备、工况和阶段等情况下出现了粘着磨损、磨粒磨损、 氧化磨损、腐蚀磨损、电弧烧蚀和疲劳磨损等不同的磨损机制，而且具有时 变性。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 2 2 载流摩擦磨损研究的内容和目的 载流摩擦磨损目前研究的主要内容包括电流( 电流大小、极性、交流或 直流等) 、电场、磁场、电弧、载荷、速度、温度、湿度、润滑( 干摩擦或边 界润滑) 、以及试验气氛( 氧气和二氧化碳、氮气、氩气或真空等特殊气氛环 境) 等等对材料的摩擦磨损特性的影响，研究的参数主要包括摩擦系数、磨 损率( 或磨损量) 、温升、电压降、以及接触电阻，结合磨损表面微观形貌、 磨屑形貌、化学成分、硬度、以及能量等的变化分析磨损机制，优选集电材 料以及通过电场对摩擦系数进行主动控制等研究。试验的目的主要是机理研 究或工程实际应用这两个重要方面。 1 2 3 载流摩擦磨损实验装置 国内外学者进行载流摩擦磨损试验研究时，所采用的试验设备大多是改 装或自制的，目前尚无一种通用的试验装置。常用的试验装置大致分为四类： 销一盘式【1 5 】( 图l l a ) 、销环式 1 6 】( 图1 1 b ) 、环块式【1 7 】( 图1 1 c ) 和线滑块式 1 8 1 ( 图1 1 d ) 。 u 图1 1 四种典型的载流摩擦磨损试验装置 接慰线 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 销盘式、销环式和环块式是通过盘或环的旋转实现相对摩擦运动，有 高速电机带动可模拟较高的相对运动滑动速度，线滑块试验机是由滑块在导 线上的往复直线运动，试验速度相对较低。这些试验机通常都具有测量摩擦 力、环境气氛控制和添加润滑剂等功能。 1 2 4 试验的摩擦副材料及性能要求 载流摩擦磨损试验大多选用基于工程实践背景的电接触材料，工作过程 中经受电弧、电场、磁场及气氛等的共同作用，同时还应实现传导电流的使 用性能，电接触材料的基本要求为：良好的导电导热性、低的接触电阻和温 升、低而稳定的接触电压降、抗熔焊、抗环境介质污染、较强的抗电磨损能 力，以及一定的机械强度。 目前实验过的摩擦副材料主要有：金属质( 纯铜、4 5 钢、不锈钢等) 、 纯碳质、石墨质、粉末冶金质( 铜粉末冶金、铁基粉末冶金等) 、浸金属质 ( 铜石墨浸金属材料、碳材料浸金属等) 、碳纤维、金属纤维和复合材料( 碳 纳米管银石墨复合材料、碳纤维一铜一石墨复合材料、金属纤维材料) 等。 1 3 研究现状与发展方向 载流摩擦磨损目前的研究当中，一部分主要针对工程应用的电刷、弓网 系统进行新材料的试验和比对，另一部分在作载流磨损的机理研究，这主要 集中在以下六个方面：电流、电场、磁场、电弧、特殊气氛和电极性对材料 的摩擦磨损特性的影响，下面将对这几个方面的研究成果做一个概述。 1 3 1 电流对摩擦磨损的影响 电流如何影响摩擦副的摩擦和磨损特性，一些学者对此开展了研究。 1 9 9 6 年m m i l k o v i c 等【i 刿对通电前后摩擦副摩擦系数的变化进行记录研 究，发现通电后摩擦系数急剧下降，达到最小值后再上升达到稳定阶段，断 电后摩擦系数缓慢上升，他们认为：电流加速了摩擦副表面膜层的形成，使 摩擦系数降低，减少了材料的机械损失，但增大了电气损失，断电后表面膜 层的重建需要较长的时间。 1 9 9 7 年z c h e n 等拉0 】对铜合金钢的销盘摩擦副磨损后的表面进行分析， 发现铜合金销试样的表面上覆盖的硬化层是由细化的复合结构、氧化物、磨 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 屑、电弧熔融的飞溅物和从盘试样转移过来的材料颗粒组成，硬化层使得销 试样的磨损率随着电流的增大而降低；电流导致的温升使得试样基体材料的 软化，引起摩擦系数降低。 1 9 9 8 年d h h e 等【2 l j 对不同的摩擦副( 在添加不同润滑剂的条件下) 进 行带电摩擦磨损的研究，发现：c u c u 摩擦副干摩擦时的摩擦系数最大0 3 8 ， 粘着磨损严重，c u c u c 复合材料摩擦副的摩擦系数与c u c u 摩擦副添加石 墨润滑脂时的相差不大，但摩擦过程中产生2 0 0 5 0 0 的高温使润滑脂失 效；他们认为，c u c 复合材料中的碳粒子产生转移层起到了固体润滑的作用， 并建议使用自润滑材料来减少接触线的磨损。 2 0 0 1 年h z h a o 等【l6 】对法向载荷、滑动速度及电流强度对钢碳石墨材料 的摩擦系数及碳石墨材料磨损率的影响进行了针对性研究，发现无电流时， 摩擦系数随法向载荷的增大而减小，但随滑动速度的变化而出现较大的波动， 碳石墨材料磨损率随法向载荷或滑动速度的增加而增大；有电流时，摩擦系 数随法向载荷的增大而减小，随电流的增大而增大，碳石墨材料的磨损率随 电流的增大而增大，温度对磨损的增加起到了重要的作用。 2 0 0 3 年李鹏【l3 】等采用销盘式摩擦磨损试验机对铬青铜纯铜接触副进行 研究，结果表明，通电条件下电流对铬青铜纯铜接触副的滑动干摩擦行为具 有显著影响，随着电流强度的增加，销试样的磨损率增加，摩擦系数增大， 摩擦表面塑性流动和粘着加剧，磨损表面存在粘着磨损、塑性变形、氧化磨 损及磨粒磨损。 2 0 0 4 年c r f a z e v e d o 和a s i n a t o r a 2 2 j 对铜接触线与铜接触滑板在有石 墨介质条件下的失效进行了较系统的研究和分析，认为铜滑板的磨损可分为 三个阶段：首先是有润滑条件下的石墨层的粘着磨损和磨粒磨损的混合作用； 然后随着磨屑的出现和温度的升高，出现第三体磨粒磨损和电弧烧蚀，导致材 料的局部熔化：最后，当石墨被消耗完后磨损加剧，磨损沟槽平行于滑动方 向，滑板中央表现出极高的磨损速度。 在载流磨损条件下，摩擦副接触表面会形成收缩电阻，实际接触面积很 小，局部接触区域温度升高，不利于保持润滑膜的均匀性和完整性，因此， 在通电条件下的摩擦系数比机械磨损条件下的摩擦系数略耐2 3 】，但也有学者 的试验出现了相反的结果【2 0 1 ，即电磨损时的摩擦系数比纯机械磨损时小，原 因是电阻热使得摩擦副变软，还有学者认为载流磨损由于电阻热导致的温升 比机械磨损时的温升高，适当温升对形成良好的润滑膜有利【2 制，将导致摩擦 系数和磨损降低。 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 1 3 2 电场对摩擦磨损的影响 国内外研究人员在探讨载流摩擦磨损的机理及寻求提高耐磨性的途径方 面做了一些研究工作，他们通过外加电场这种手段对摩擦系数进行主动控制， 以达到减摩、降噪、控制阻尼及某些精密机械的运动等目的，这方面的研究 结果在节约能源、提高精密机械性能等方面具有很大的意义和实用价值。分 析外界物理场对机器中摩擦副的粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损等的作用，对 正确设计机器主动控制机器中摩擦副的失效形式，延长机器使用寿命具有实 际意义。 用电场控制摩擦磨损过程起源于二十世纪五十年代，早在1 9 5 3 年英国学 者就研究了电场作用下的摩擦问题。1 9 7 9 年英国学者p l h u r r i c k s 2 5 j 研究了 铝与加碳黑橡胶的摩擦，在施加电场后摩擦系数上升。 1 9 8 9 年山本好夫【2 6 】等研究了在4 5 0 。c 的高温、氧气气氛中，由轴承钢棒 和4 5 碳钢圆环组成的摩擦副在干摩擦情况下的摩擦自生电势及其与摩擦系数 和磨损的关系，并通过s e m 图象分折了摩擦表面的微观磨损，实验中发现在 摩擦副间施加抵销自生电势的反向电压可以降低摩擦系数并减小磨损，当线 速度为0 8 3 3m s 时，施加反向电压后摩擦系数降低了6 。 1 9 9 6 年翟文杰等 2 7 。2 9 1 利用特制的球盘式摩擦磨损试验机上试验了多种 配对摩擦自生电势与摩擦力的相关性，研究发现摩擦自生电势的大小、频率 和极性均随材料、载荷、速度及磨损状态等的不同而变化，自生电势的极性 主要取决于摩擦副材料，同时还与摩擦过程中磨粒的产生及转移有关：同时 研究了夕1 - j i l 电压的大小和极性对金属间摩擦力的影响，当外加与摩擦自生电 势相抵消的反向电压时的摩擦系数最低，比无外加电压时的摩擦系数低约 1 2 2 6 ，原因是； 1 - a n 电场可以阻止接触界面的电子流动而降低金属摩擦副 的摩擦力。 1 9 9 9 年朱润生【3 0 】通过试验研究了以b h 1 型铁磁流体和添加剂为润滑介 质，对处于边界润滑状态下g c f l 5 钢g c f l 5 钢销盘摩擦副，在边界润滑状态 下受外加电场作用后摩擦系数的变化情况，结果表明不同方向的直流电场导 致摩擦系数的不同变化趋势，其最大变化率达3 5 ，且变化过程可逆。发现 铁磁流体具有独特的可通过# 1 - j n 电场对滑动摩擦擦系数进行主动控制的功 能，可以通过外加电场的手段实现摩擦系数的主动控制，达到减摩、节能的 目的。 1 9 9 9 年蒋洪军，温诗铸等【3 1 3 3 使用自制面接触往复式滑动摩擦磨损实 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 验机，采用质量百分比浓度为1 的硬脂酸锌水基乳化液作为润滑剂，研究 了边界润滑状态下外加直流电场的几处施加方式对a l 2 0 3 黄铜、a l 2 0 3 不锈钢和a l 2 0 3 4 5 钢这三种摩擦副在低速滑动时摩擦行为的影响，试验表 明外加电压的存在显著示地改变了三种摩擦副的摩擦系数以及摩擦系数曲线 的平稳程度，摩擦系数的最大相对增加量和最大相对减少量分别达到2 0 0