（材料加工工程专业论文）cuqcr05载流条件下摩擦磨损性能的研究.pdf

摘要 i 论文题目：c u / q c r 0 . 5载流条件下摩擦磨损性能的研究 专 业：材料加工工程 研 究 生：张婧琳 指导教师：孙乐民 教授 摘 要 本文以紫铜/铬青铜为摩擦副，模拟电力机车接触网中受电弓滑板和接触网导 线的服役条件，在自制的 hst- 100 销盘式摩擦磨损试验机上进行载流摩擦学特性 研究。采用正交试验方法探讨载流条件下电流、载荷和速度这三个主要影响因素 对载流摩擦副摩擦磨损性能的影响程度，对比研究了该摩擦副在有无电流条件下 的摩擦磨损特性；使用单因素试验方法考察了载流条件下摩擦磨损条件、摩擦磨 损性能、电弧能量与销试样表面温度之间的关系。利用扫描电子显微镜(sem)、能 谱仪(eds)对材料的磨损表面进行观察，探讨了不同参数条件下的载流摩擦磨损机 制。 正交试验表明，电流是影响载流摩擦副摩擦磨损性能的最显著的因素，载荷 和速度次之。与无电流相比，载流条件下在同载荷不同速度时摩擦系数呈减小趋 势，磨损率较大；同速度不同载荷时摩擦系数也减小，磨损率较大；在不同电流 条件下，随着电流的增大，摩擦系数逐渐减小，而磨损率逐渐增大。 不同参数条件下的销试样摩擦过程中表面温度变化是不一样的，但都要经过 一个先急剧增大，然后平稳的过程。并且不同参数下销试样传热达到稳态时的表 面温度值也是不一样的。在同载荷同速度不同电流条件下，销试样表面温度增大 时摩擦系数降低，磨损率增大；在同电流同速度不同载荷条件下，销试样表面温 度的变化与摩擦副的摩擦磨损性能之间关系较为复杂，并在载荷为 0.26mpa 时销 试样表面温度达到最大值；在同电流同载荷不同速度条件下，销试样表面温度增 大时摩擦系数降低，磨损率增大。同时试验表明电弧能量与销试样表面温度有密 切的关系，电弧能量越大，销试样表面稳态温度值也越大。 对磨损面微观分析表明：无电流条件下，销试样磨损机制主要表现为粘着磨 损，而载流条件下，销试样磨损表面有大量的粘着和塑性流动痕迹，并且可以看 到有熔化，烧蚀坑的痕迹和由于热应力导致的裂痕，同时由能谱图可以得到磨损 表面有氧的生成，说明摩擦表面生成了氧化物。因此其主要磨损机制为粘着磨损、 氧化磨损和电弧烧蚀。 河南科技大学硕士论文 ii 关键词：载流，载流质量，电弧能量，摩擦磨损，磨损机制 论文类型：应用基础研究 摘要 iii subject: research on the wear and friction properties of cu/qcr0.5 couples under electrical current specialty: material processing engineering name: zhang jing- lin supervisor: prof. sun le- min abstract the test was carried out on the hst- 100 pin- on- disc tribo- tester with cu/qcr0.5 couples, which simulated working conditions of the pantograph- wire system used in electric railway. the effects of current, loading and speed on friction and wear properties were investigated by orthogonal experiment. the differences in the friction and wear properties with and without current were studied. single- factor tests were conducted to investigate the relationship between the pin surface temperature and the friction and wear properties, arc energy. with the help of sem and eds, the morphologies of worn surface of the pin were examined, in order to study the tribological mechanism under different parameters. according to the orthogonal experiment, the current is the most notable factor affecting the friction and wear properties of this couple under the conditions of electrical current, and followed by load and speed. compared with non- current conditions, the friction coefficient declined and the wear rate of the couple was much higher at the same loading and different velocities, and in the same under the conditions of the same velocities and different loadings. what s more, with the increasing current, the friction coefficient decreased, while the wear rate was gradually increasing. the temperaturverlauf of the pin specimens isn t the same under different parameters. but there would be a sharp increase in the first, and then gently change. and the steady- state surface temperature value is not the same under different parameters. at the same loading and velocity, the pin surface temperature increased, and so done the wear rate, while the friction coefficient decreased. at the same current and velocity, the relationship between temperaturverlauf and the friction and wear properties is more complex, and the sample surface temperature reached the maximum at the loading of 0.26mpa. under the conditions of the same current and loading, as the pin surface temperature increased, the friction coefficient, but the wear rate increased. also, arc energy is closely related to the sample surface temperaturverlauf, which can be 河南科技大学硕士论文 iv concluded from the test. combination of the sem images of the worn surface, adhesive wear was the dominant mechanism without current. but under the current conditions, there was a large number of adhesion wear and plastic flow traces on the sliding surfaces. and a few melting or arc pit traces can be observed. and the cracks can be also observed due to the role of thermal stress generated in instantaneous and concentration high temperature of arc. and the eds of the worn surface indicated that oxidation took place in the friction process. in a word, adhesive wear, oxidative wear and electrical wear were the dominant mechanism. key words: carrying- current, carrying- current quality, arc, friction and wear, wear mechanism dissertation type: application fundamental research 第 1 章 前言 1 第1章 前言 1.1 引言 高速铁路标志着一个国家铁路现代化的水平，也是一个国家整体实力的象征。 随着国民经济的发展和交通运输行业的剧烈竞争，铁路的高速化已成为我国发展 的主要方向。自 1964 年第一条电气化铁路的开通，经历了 40 多年，电气化铁路 的发展已迈入了一个新的阶段高速化发展阶段。自 2008 年京津高速的投入运 营，大大方便了两地人员的往来和经济方面的交流，促进了两地经济的发展，这 意味着铁路的电气化、高速化具有强大的力量，给人民生活带来了便利，同时也 促进了着经济的快速发展。高速弓网技术是高速铁路的核心技术之一1。弓网系统 是高速铁路的主要动力来源，在受流过程中，接触网和受电弓滑板受到机械和电 气两方面共同作用，只要其中之一出现了问题，就会破坏其正常的受流，从而影 响到列车的正常运行2。同时随着电力机车运行速度的不断提高，导致弓网系统中 滑板与接触网导线之间离线频率的增加、电弧热造成滑板材料性能的弱化与失效、 载流质量的降低等对摩擦副的耐磨性及其性能的要求也就愈来愈高3。因此，对弓 网系统载流摩擦磨损性能的研究，是研究人员长期以来关注的课题。 1.2 载流摩擦磨损性能的研究进展 1.2.1 受电弓滑板与接触网导线摩擦副的工况特点 在弓网系统中，接触网提供电力来源，受电弓滑板通过与接触网导线接触而 获得电流，为电力机车供应电力，图 1- 1 为弓网系统示意图4。载流摩擦副和一般 的摩擦副相比，增加了电接触系统，这个系统与摩擦接触系统相互影响，共同作 用，但整个接触系统并不是两个系统的简单的叠加，因此，研究的复杂性，影响 因素的多样化和交叉性，是单一系统无法相比的5。 这一组特殊工况下的载流摩擦副，与传统摩擦副相比，具有如下显著特点： 1. 由于电因素的存在，摩擦过程中摩擦接触表面的电弧和物理化学作用影响 摩擦副的摩擦磨损性能； 2. 导线与滑板之间的柔性接触行为都将明显的影响滑板的磨损与载流稳定 性； 3. 实际工况中滑板与导线的接触压力呈周期性变化，同时承受导线硬点的高 速冲击作用； 4. 在高速滑动状态下滑板与导线之间的接触不稳定，产生的瞬时局部高温会 河南科技大学硕士论文 2 引起材料功能的弱化甚至失效，磨损加剧； 5. 弓网系统工况环境复杂多变，如高温、雨雪，沙尘等都会对摩擦副产生很 大的影响4- 8。 图 1- 1 弓网系统摩擦示意简图4 fig.1- 1 schematic diagram of pantograph- wire system4 1.2.2 国外载流摩擦磨损性能的研究进展 国外对载流方面的研究可以追溯到上世纪二三十年代，研究人员探讨了载流 摩擦磨损性能和磨损机理寻求提高摩擦副的耐磨性以及改善载流性能的途径。 senouci 9- 11等研究了热、电、机械的共同作用对铜材料摩擦磨损的影响，研 究发现电流、电弧将会加速材料的磨损，并与摩擦表面的氧化有密切关系，同时 通电的极性对磨损也有重要的影响。 e.csapo12,13等在不同气氛环境中向石墨/石墨摩擦副间施加20a的直流电流， 发现： 在大气环境中摩擦系数马上降低， 经过 30 分钟后摩擦系数由加电流前的 0.3 减小到 0.22，去掉电流后摩擦系数又逐渐恢复到初始值。而在氩气环境中则会使 摩擦系数由 0.18 增大到 0.55，前提条件是电流需要大于某个临界值，否则施加电 流对摩擦系数无影响，这也说明摩擦副所在环境对其摩擦磨损特性有明显的影响。 d.paulmier14,15等研究了有无电流对摩擦副摩擦磨损性能的影响。通电会导致 摩擦系数和电阻的波动，并且电流越大，波动幅度越大，主要原因是电流的存在 使得摩擦表面发生了氧化，同时这也是导致严重磨损的原因。在研究中还发现， 不同速度对摩擦磨损性能也有明显的影响，速度为 0.25- 1.2m/s 时摩擦系数和磨损 率达到最大值，由于接触时间足够长，粘着物质增多，实际接触面积变大，磨损 表面粗糙，导致摩擦系数波动；速度为 1.2- 5 m/s 时温度升高氧化现象增加。由于 铜导线滑动表面氧化层的形成，金属性粘着物质数量减少。这层氧化层密度高， 第 1 章 前言 3 有规则，并且与滑动表面结合力较强，能减小摩擦表面磨损，导致电阻增加。速 度为 5- 8m/s 时，随着滑动速度增加，表面温度升高，接触表面氧化率增加，减少 了摩擦副直接接触和摩擦副转移。当氧化层达到一定厚度时氧化层分解，基体硬 度低，接触层破裂并且铜软化。因此磨损量呈直线增加，但摩擦系数保持不变， 在 0.41 左右。同时当铜为阳极时，由于铜表面产生氧化并且摩擦副在摩擦磨损实 验中接触表面温度升高，产生了粘着，其磨损机制主要表现为粘着磨损和氧化磨 损，当铜为阴极时，不锈钢的接触表面产生氧化，形成了硬的氧化粒子，加剧了 磨损，主要表现为磨粒磨损，其磨损比较严重。 h.zhao，g.c.barber16等人研究了载荷对石墨/钢摩擦副的摩擦磨损性能的影 响。研究发现，在载荷为 15n 时摩擦系数要小于载荷为 10n 时的摩擦系数，这说 明在高速滑动摩擦中有可能找到一个较为理想的载荷，能够提高接触质量，而不 加大材料在摩擦过程中的磨损。 da hai he8,17等人发现在载荷 1.5kg，速度 0.25m/s 时，铜/铜摩擦副在干滑动 摩擦过程中的动摩擦系数的平均值为 0.34，经过106转摩擦循环后，摩擦接触表面 变得非常的粗糙。由于两摩擦配副的材料亲和力很大，极易发生粘着，摩擦系数 逐渐的上升；此时动态接触电阻大约为 0.76，增加了 5%，如果使用一种普通的石 墨脂润滑剂时，动摩擦系数是稳定的，大约为 0.24，但其接触电阻增加了 3 陪， 约为 1.97o。 s.kubo18- 20等人研究了载流干滑动条件下电弧对浸金属碳/铜摩擦副的磨损率 与磨损机制的影响。结果显示摩擦副的磨损率与电弧能量成正比关系。并且得到 了它们之间的函数表达式： ws=aeb， 其中： e(j/m)为累积的放电的能量， a=2.34 10- 5， b=0.806。并且发现磨损机制的转变与流经销盘上的电流无关，主要与平均载荷， 盘转动过程中接触点断裂与产生的累积放电有关。 giuseppe bucca21等人利用磨损机理图分析不同摩擦副不同条件下的主要磨 损机制，并建立了不同磨损机制的数学模型，并提出弓网系统的动态接触压力对 磨损的重要性，同时对两种压力状态下的摩擦磨损性能进行研究，发现随着压力 的增大，铜滑板材料的磨痕深度降低了 10%。作者还比较了不同材料的磨损性能， 发现用铜包碳滑板材料时导线的磨损量大约是用铜材料时的磨损量的 1/10，滑板 材料磨损量大约是铜滑板材料的 1/3，说明铜包碳滑板材料较铜材料耐磨，也很好 的保护了接触导线，明显的提高了滑板与导线的使用寿命。 1.2.3 国内载流摩擦磨损性能的研究进展 国内对载流摩擦磨损的研究开展的比较晚， 随着我国电气化铁路的迅速发展， 目前国内对载流摩擦磨损性能的研究也比较多，进度也比较快。 河南科技大学硕士论文 4 戴利民22等研究了速度、压力对铝包覆浸金属碳滑板材料的载流摩擦磨损性 能，发现随着滑动速度，滑板材料对导线的冲击作用也加大，使得磨损量增加， 而在受流摩擦磨损过程中，接触压力对摩擦磨损的影响主要有两方面：一方面接 触压力的增加会加大常规磨粒磨损量；另一方面，接触压力增加会使滑板与导线 之间的离线率以及接触电阻降低，因而由受流电流造成的摩擦副材料损失减少。 因此当接触压力较高时，主要是磨粒磨损，压力的增加受流磨损量增加。并将其 与粉末冶金滑板材料相比较，其具有优良的耐受流磨损性能。 上官宝23等人将二硫化钼粉末与铜粉、镍粉、铁粉、铅粉均匀混合冷压烧结 后研究其载流摩擦磨损性能，与不加二硫化钼粉末的铜基粉末冶金材料相比，其 磨损率与摩擦系数有所降低且波动范围减小。 张晓娟24等人以铜基粉末冶金与铬青铜为摩擦副模拟电力机车弓网系统中受 电弓滑板和导线的服役条件，研究其载流摩擦磨损性能。通过研究发现，随着电 流的增大，摩擦系数呈下降的趋势，磨损率呈上升的趋势，并且试验中在较低电 流(40a和 60a)条件下， 摩擦表面形成一层 fe 氧化层， 试验较高电流(80a和 100a) 条件下, 试样由于表面温度更高，形成 cu的氧化物，摩擦表面覆盖有熔融物，电 流的大小变化能改变磨损机制。 刘军25等人对铜基粉末冶金材料进行改性，并对比了改性前与改性后滑板材 料的摩擦磨损性能。结果显示改性之后的铜基复合材料的平均磨损量与摩擦系数 都低于改性前的数值，因此耐磨性得到了提高，电阻率较小。 赵彦文26等人对比了同条件下浸金属碳材料和碳碳复合材料的摩擦磨损性 能。结果显示碳碳复合材料的摩擦磨损性能优于浸金属碳滑板材料，并且作者还 提出摩擦副的载流质量及其意义，并对两种碳材料的载流稳定性进行探讨，发现 碳碳复合材料的载流稳定性也优于浸金属碳材料。 贾步超27等人对 1cr18ni9ti( 盘) / 浸金属碳( 销) 摩擦副之间的摩擦磨损性能 进行研究，研究发现载荷对此摩擦副的摩擦系数和磨损率有明显的影响，随着载 荷的增大，摩擦系数呈增大的趋势，并且在试验过程中发现载荷越大，电弧放电 的强度也就越小，同时磨损率也在降低。并且载流条件下的 1cr18ni9ti/ 浸金属碳 材料的摩擦因数、销试样的磨损率与速度的关系受载荷的制约。在 40 到 60n 之间 有一个载荷阀值，当大于这个值时，速度为 80km/h时的摩擦系数最大，反之摩擦 系数随速度降低而降低。 翟文杰28,29等人考察了外加直流电压极性对 gcr15/45 钢摩擦副间润滑状态 的摩擦系数的影响。当盘处于阳极时摩擦表面形成的氧化膜较易保存，当界面间 存在氧化膜时，摩擦系数较低，界面间有明显的整流特性，而摩擦副间加直流正 电压时，钢盘处于阴极，摩擦接触面上的氧化膜难以维持，摩擦系数就较高。因 第 1 章 前言 5 此外加电压是通过影响界面的摩擦电化学反应所形成的表面氧化膜的性质和状态 来影响摩擦和润滑性能的。 李丰学30,31等人针对地铁第三轨系统的带电磨损，研究了多种导电靴材料的 载流摩擦磨损性能，发现随滑动速度增大，电弧增大，磨损加剧；铜基材料受电 靴和铜石墨基材料受电靴的磨损量随电流增大而增大。铜基烧结材料的磨损量大 于铜石墨烧结材料的磨损量。铜基烧结合金材料的摩擦因数随电流的增大而增大， 但铜石墨烧结材料的摩擦系数随电流的增大而减少。铜石墨烧结材料相对铜基烧 结材料来说，其粘着磨损相对要小，并且转移的石墨层减少了摩擦系数，但其存 在电弧烧蚀。 l.dong32等人利用浸金属碳/ 不锈钢包铝复合材料对地铁中受电靴与接触轨 的接触方式进行模拟，研究发现载流条件下载荷对摩擦磨损性能影响存在一个临 界值，当施加的载荷大于或等于这个临界值时，摩擦系数随着电流的增大而增大， 磨损率随着载荷的增大轻微的增大，此时接触电阻热加大了磨损。当载荷小于这 个临界值时摩擦系数随着电流的增大而减小，磨损量也急剧增大，产生了电弧侵 蚀。因此，适当的载荷有利于载流摩擦副受流质量和摩擦磨损特性。 胡道春33等人主要研究摩擦过程中的电弧能量对浸金属碳滑板材料的摩擦磨 损性能的影响。结果显示：电弧能量加重了浸金属碳滑板材料的磨损，电弧热效 应使得摩擦副接触面上局部温升，导致浸渗金属熔融渗出摩擦表面，在接触表面 发生熔融喷溅，并且材料中的基体碳气化沉积在摩擦盘上，因此其电弧侵蚀的机 理主要为材料转移、熔融喷溅与蒸发侵蚀。 冀盛亚34等人对铜基粉末冶金/铬青铜摩擦副的电弧侵蚀特性进行研究。研究 发现：随着速度的增大，电弧能量和离线频率都增大，并且在低速下与在高速下 的磨损机制也有所不同， 在低速(20m/s- 30m/s)条件下磨损表面在滑动方向上有明显 的擦痕，磨损机制主要表现为磨粒磨损和粘着磨损，在高速(40m/s- 50m/s)条件下, 摩擦接触面上出现了凹坑或结瘤，其主要的磨损机制为电弧侵蚀和粘着磨损，同 时电弧侵蚀机理主要表现为材料转移和熔融喷溅。 1.3 摩擦表面温度的研究 当摩擦副相对滑动时，温度的变化使得表面材料的性质发生变化，从而影响 到摩擦副摩擦磨损性能。由于摩擦副所产生的热量损失主要以热的形式表现出来， 真实接触表面在很短的时间内就能产生相当高的温度，并且很快从表层扩散到内 层35。温度会改变摩擦表面相互作用特性或者使得摩擦状态产生质的变化，温度 还会改变摩擦表面与周围介质的作用，如摩擦表面原子或分子之间的扩散和吸附， 摩擦表层材料结构的变化，这些都会导致摩擦接触面的摩擦磨损性能的变化35,36。 河南科技大学硕士论文 6 有学者15认为速度、载荷或者电流的增加都会导致接触面的温度的增加，从 而会影响摩擦接触面的一些物理化学状态的变化。载流摩擦过程中接触表面会产 生机械热、电阻热和电弧热，这三种热将使得摩擦接触表面上的、温度升高，从 而影响摩擦副的摩擦磨损性能和表面形貌。 结合摩擦副磨损表面形貌以及表面温度变化的研究，h.nagasawa19等人对摩 擦过程中的能量变化进行分析，结果显示：载流条件下摩擦副之间的机械摩擦、 电流以及离线产生的离线电弧会使得材料表面温度升高。 da hai he37等人研究了不同摩擦副摩擦过程中的温升对摩擦表面状态和摩 擦磨损性能的影响。研究表明，接触表面温升可达到 250- 600，摩擦接触面的温 升能够使润滑油失效，并且还会对接触表面造成腐蚀磨损，因此用固体润滑材料 是比较好的选择。并且 cu/石墨粉末冶金复合材料证明了这个结论，这种材料在滑 动摩擦过程中，由于石墨会在摩擦接触面上形成一层稳定的润滑膜，这样减小了 磨损，同时石墨相的存在对摩擦副之间的导电性能影响很小。 久保俊一38等认为在强电流作用下，机械与电气作用相互叠加，磨损严重加 剧。并且摩擦副的导电性对摩擦表面温升有很大的影响。摩擦副的温升的主要热 源来源于以下几个方面39：电流通过滑板体积电阻产生的体电阻热；在摩擦界面 上摩擦功引起的摩擦热；电流通过滑板产生的接触电阻热；滑板与导线接触不良 或滑板通过导线表面低凹处发生离线形成的电弧热。 戴利民40等人利用有限元分析法对接触点的瞬态温升进行分析计算，并进行 热失重及差热分析，分析结果显示电流是影响碳系滑板温升的主要原因，并且接 触面的温升是造成碳系滑板材料磨损严重的主要原因，而铜基粉末冶金滑板材料 磨损严重的原因并不是主要由于接触面的温升造成的，而是主要是由电弧侵蚀引 起的摩擦表面严重破坏造成的，并得出浸金属碳滑板材料耐受流磨损性能最好。 上官宝41等人对黄铜/铬青铜摩擦副的表面温度进行研究，电流对销试样表面 温度的影响要大于速度对销试样表面温度的影响，并且随着电流、速度的增大， 销试样表面温升也越大。电弧产生的电弧热使得摩擦接触面局部温升，会在材料 表面形成局部烧蚀坑和局部熔化，加重磨损。 1.4 本试验研究意义 随着科技的进步和工业的需求的提高，特殊工况条件下的摩擦学问题也就愈 加突出，如高温、高速、气氛等条件下的摩擦磨损以及电磨损等。其工作环境的 恶劣，影响因素的复杂，正日益受到研究人员的广泛关注。 电力机车受电弓滑板与接触导线之间的受流摩擦磨损性能，是涉及弓网系统 能否正常运行的关键问题。直接影响电力机车的动力供应、机车运行速度以及铁 第 1 章 前言 7 路运营成本，甚至危及行车安全42- 44。在高速载流摩擦副中，摩擦副表面产生的 机械摩擦热、电阻热和电弧热等将会改变材料性能，进而影响摩擦副的接触行为。 随着铁路运输速度的不断提高，弓网系统间的接触状态和受流质量受到显著的影 响，特别是离线率增加、拉弧频繁带来的电弧热导致滑板材料功能降低、载流质 量减小，既降低了高速列车的运载能力，同时也给其运行带来很大的安全隐患 45,46。因此载流摩擦副的摩擦磨损性能以及受流行为成为研究重点之一。 在电气化铁路的电力系统中，电力机车的安全可靠运行并获得足够的牵引动 力，取决于受电弓- 接触网系统的受流质量，受电弓滑板与导线间的摩擦接触状态 是衡量受流标准的重要指标44。同时，受电弓滑板和导线的摩擦磨损性能决定了 机车连续运行的时间，良好的耐磨性将提高机车连续工作时间，获得良好的耐磨 性能与载流效率已成为该研究领域的研究重点和目标。 随着高速列车的发展，受电弓滑板从接触网上获取的电流将提高到 1000a左 右47。在这样强电流的作用下，当弓网发生瞬时离线时，将产生严重的拉弧现象， 造成摩擦副摩擦表面恶化。电流通过摩擦副时产生热效应，机械摩擦和接触电阻 所产生的表面温度以及实际接触粗糙峰上的瞬时闪温都会导致材料组织和性能发 生改变，从而影响材料的摩擦磨损性能47,48。 据资料证实17- 20，电场中的摩擦副在摩擦过程中都受到了电流、电弧等电力 学因素的影响。并且干摩擦过程中的速度和载荷对摩擦副的摩擦磨损特性也有影 响。电流、速度和载荷都能影响摩擦表面的温度，而摩擦副的磨损程度主要取决 于材料受流摩擦磨损表面温度升高的幅度。因此研究受流过程中材料的温升行为， 对深入理解受流摩擦磨损机制具有重要意义。 本文以紫铜为销试样、铬青铜为摩擦盘式样进行有无电流条件下干滑动摩擦 磨损试验，并利用温度仪测量销试样温度值。通过两试验结果综合比较，分析了 紫铜/铬青铜摩擦副在载流干滑动摩擦过程中的摩擦磨损性能和受流性能，探讨了 电弧能量与销试样温度值之间的关系，在载流摩擦的磨损机理上进行了一定的探 讨，以期为载流摩擦磨损行为的研究提供一定的理论依据。 1.5 主要研究内容 利用自制的 hst- 100 载流高速摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验。选用铬青 铜(qcr0.5)作为试验摩擦盘，紫铜材料作为销试样，组成摩擦副，采用销盘式的接 触方式进行试验。通过改变电流、速度、载荷这三个主要影响因素，进行正交试 验，以确定上述三个因素对摩擦副载流摩擦磨损特性的影响程度。在固定的速度 或载荷条件下，通过对摩擦副在有无电流条件下摩擦磨损特性的变化比较，探讨 了电流对摩擦副滑动过程中的摩擦磨损性能的影响规律；同样也研究了速度与载 河南科技大学硕士论文 8 荷对摩擦副的摩擦磨损性能的影响规律。 通过单因素试验方法，对销试样表面温度的测量，得到不同条件下的销试样 温度值，并结合不同条件下的摩擦磨损性能、载流稳定性和电弧能量，初步的探 讨了销试样表面温度与摩擦磨损条件、摩擦磨损性能、电弧能量之间存在的规律。 采用 jsm- 5610lv型扫描电子显微镜(sem)和 edx能谱分析仪对摩擦磨损表 面进行观察，分析其摩擦磨损机理。 第 2 章 试验设备及研究方法 9 第2章 试验设备及研究方法 2.1 试验设备 本试验使用的试验机是由河南科技大学与武汉材料保护研究所联合研制的 hst- 100 高速载流摩擦磨损试验机(图 2- 1)。该试验机采用销- 盘式接触方式，其最 大线速度为 100m/s，最大载荷为 500n，摩擦力矩量程为 0- 100n m。在试验过程 中可以实现自动加载、卸载和无级变速，并且能施加脉动载荷，脉动载荷的最高 频率为 50hz, 连续可调，脉动载荷最大不超过 0.13mpa；并采用交流恒流源作为回 路电源，电流连续可调，回路电流量程为 0- 200a。此台设备可对各种材料进行载 流高速条件下的摩擦磨损性能测试和分析。 图 2- 1 hst- 100 高速载流摩擦磨损试验机 fig.2- 1 hst- 100 tester hst- 100 试验机主要由机体、 加载装置、 恒流源和数据采集机构等四部分组成。 其中机体包括机座、动力源、传动机构及冷却系统，机座采用整体铸造而成，其 使用的材料为 250 号铸铁，包括为传动部分提供冷却的冷却油箱，这样既精简了 试验机结构，同时在高速时又保证试验机具有良好的抗振性能。动力源为 15kw 三 相异步变频电机，既能给试验机提供充足的电力，又方便的调节速度。图 2- 2 为其 主轴传动系统简图，主轴与摩擦盘之间使用绝缘陶瓷保证机体与回路绝缘的。 采用杠杆砝码加载实现恒定载荷，图 2- 3 为加载系统原理图。试验机附带的恒 流源是专门订做的一台 esme- 315 型交直流两用焊机，将原焊机的一些焊接功能 去掉，并增加了输出电流的检测系统，保证了后续研究分析的准确性。 河南科技大学硕士论文 10 1.主轴电机 2.传动带 3. 传动轴 4. 联轴器 5.扭矩传感器 6.盘试样 图 2- 2 主轴传动系统原理图 fig.2- 2 elementary diagram of the principal axis system 1.绝缘锥套 2.绝缘尼龙 3.摩擦盘 4.销试样 5.电木 6.砝码 7.电流感应传感器 8.压力传感器 9.主轴 10.支座 图 2- 3 加载系统原理图 fig.2- 3 schematic diagram of the loading system 试验机的数据采集机构能够同时采集速度、扭矩、电压、电流和正压力五个参 数，其中速度和扭矩由 nc- 2a 速度扭矩测量仪测量，电流由恒流源上增加的传感 器测量，并采用 bk- 3 型小量程称重传感器实时测量正压力并将其转换成电信号， 这些信号通过 rs- 232 传输到上位机上，同步将电信号输出到装有数据采集系统的 计算机中，实时记录速度、扭矩、电流、电压和正压力的瞬时值。 hst- 100 载流高速摩擦磨损试验机有手动和自动等两套控制系统。 本试验采用 的是自动控制系统。先设定试验机运行时间，然后将循环启动开关转到自动状态， 按下循环启动按钮，试验机就会按照液压电机启动、主电机启动、液压加载启动、 第 2 章 试验设备及研究方法 11 加载电机启动，自动加载，销盘摩擦副接触，然后开始试验；当到达设定时间后， 加载电机停止、液压加载停止，销与摩擦盘自动分离，最后主电机停止，液压电 机停止，自动完成一次试验过程。 2.2 试验材料 本试验所用的销试样材料为紫铜材料(含铜量 99.95%)，摩擦盘材料使用的是 qcr0.5。两种材料的化学成分如表 2- 1 所示。 表 2- 1 两种材料的化学成分 tab.2- 1 constitutions of pin and disc 材料 化学成分组成(wt%) 销试样(cu) pb 0.002 zn 0.002 fe 0.0025 s 0.0025 p 0.001 sn 0.001 ni 0.002 sb 0.0015 cu 其余 摩擦盘(qcr0.5) pb 0.005 zn 0.005 fe 0.005 sn 0.005 s 0.005 si 0.002 ni 0.005 cr 0.5 cu 其余 为了方便测量摩擦表面温度场的变化值，将销试样加工成阶梯状的圆柱形销， 并且在距离销试样大直径外端 2mm处的地方钻一 f2mm 小孔， 孔深 5mm(图 2- 4)。 试验盘直径为 f180mm。 图 2- 4 销试样 fig.2- 4 the pin specimen 河南科技大学硕士论文 12 2.3 试验方案 2.3.1 试验参数的选择 影响载流摩擦磨损的主要外部因素为载荷、速度和电流。根据实际工况条件下 电力机车受电弓滑板与导线间接触的电流密度和压力以及本试验本身情况选择试 验中的电流参数和载荷参数。 表 2- 2 试验参数 tab.2- 2 parameters of the test 电流(a/mm2) 载荷(mpa) 速度(m/s) 0.23 0.13 6 0.27 0.19 8 0.30 0.26 10 0.34 0.32 12 2.3.2 试验方法 1. 试验前销试样的处理 每次试验前，销试样均需用装于摩擦盘上的 240#砂纸在低速(10m/s)低载 (0.13mpa)下预磨 30- 60s，卸下砂纸后再在无电流原转速的条件下与摩擦盘预磨 60s，以销试样与摩擦盘接触良好且受力比较均匀为标准。经过预磨之后，销试样 在每个实验规范下进行 40s 载流摩擦磨损试验，并分别在每种规范条件下进行 2 次重复试验，结果取平均值。每次试验之后，在摩擦盘的表面会留下粘着物或者 电弧烧损的痕迹，则需对摩擦盘表面在低速(10m/s)条件下进行打磨光滑，无粘着 物痕迹为止。假如摩擦盘磨痕较深，则需要重新进行铣削加工，并做动平衡检测。 2. 正交试验 正交试验设计法又称正交试验法、正交设计法或正交法，是一种安排和分析 多因素试验的科学方法，它是在人们的生产实践经验、有关专业知识和概率论与 数理统计基础上，利用一套根据数学上的“正交性”原理而编制并已标准化了的 表格正交表，来科学地安排试验方案和对实验结果进行计算、分析，寻求最 优或较优生产条件或工艺条件的方法49。而正交表是正交试验设计安排试验和对 数据进行统计分析的主要工具。在进行试验设计之前根据实际情况或过去的经验 确定出试验所要考虑因素的个数和每个因素所取的不同水平，就可以利用相应的 第 2 章 试验设备及研究方法 13 正交表来安排试验50。 为了考察电流、速度和载荷三个主要影响参数对摩擦副摩擦磨损性能的影响 程度大小，本试验采用了正交试验设计法进行试验。在本试验中采用三因素、四 水平的正交试验方案。 3. 单因素试验 在正交试验的基础上，进行单因素试验，以研究每一个参数对摩擦副的摩擦 磨损性能的影响以及摩擦磨损性能、载流稳定性和销试样温度值的关系。进行单 因素试验时，固定三个因素中的两个因素，变换第三个因素的值，通过测量销试 样的电弧能量、摩擦系数、磨损率、载流稳定性和销试样的温度值，来确定它们 之间存在的规律。在试验过程中每次试验的时间都为 40s，并分别在规范条件下进 行 2 次重复试验。其具体试验过程如下： (1) 在定载荷 0.19mpa，速度为 8m/s 条件下，通过测量摩擦系数、磨损率、销 试样温度值，研究不同电流条件下摩擦磨损性能、载流稳定性与销试样温度值之 间的规律。 (2) 在定载荷 0.19mpa，电流为 0.23a/mm2条件下，通过测量摩擦系数、磨损 率、销试样温度值，研究不同速度条件下摩擦磨损性能、载流稳定性与销试样温 度值之间的规律。 (3) 在定电流 0.23a/mm2，速度为 8m/s 条件下，通过测量摩擦系数、磨损率、 销试样温度值，研究不同载荷条件下摩擦磨损性能、载流稳定性与销试样温度值 之间的规律。 2.3.3 试验数据的采集及计算 1. 摩擦系数的测定 摩擦副预磨后，在试验规范条件下，进行 40s 的摩擦磨损试验，每种规范条件 下进行 2 次重复试验，结果取平均值。实验过程中摩擦力矩是通过压力传感器、 数据采集系统将摩擦力矩输入到计算机中，然后用下列公式计算出摩擦系数 。 lf n = 1000 (2- 1) 式中：为摩擦系数；n 为摩擦扭矩，n m；f 为压力，n；l 为销试样的中心 矩，mm。 河南科技大学硕士论文 14 2. 质量磨损率的测定 在一定条件下，试验材料磨损前后的整体质量的变化量称为质量磨损量，即材 料的质量损失。在一定条件下，在给定的磨损过程中，材料单位摩擦距离的质量 磨损量称为质量磨损率。质量磨损率由下式计算可得： vt w w 1000 = (2- 2) 其物理意义为单位滑动距离(m)的磨损量(mg)。 式中：w 为磨损质量损失，g；v 为速度，m/s；t 为摩擦时间，s。 3. 电弧能量的测定 在载流过程中需要考察电弧对滑板材料磨损的影响， 因此需要对载流过程中的 瞬间电弧的能量进行定量的分析，电弧能量大小与摩擦副之间的最小起弧电压、 销盘之间的瞬时电压、电流以及电弧持续时间有密切的联系，可由下式来计算电 弧能量 e51： () nnn eeu itt p= = (2- 3) 式中：e 为单次离线的电弧能量(j)，u 为单次离线时销盘试样间的实测电压(v)；i 为单次离线时流经销盘试样间的电流(a)；t 为单次离线时长(s)；t 为离线总时长 (s)； p 为平均电弧功率(w)。 4. 销试样温度值的测定 将一根 k 型热电偶一头插入销试样上预先钻好的测温孔中，一头连接英华达 en880 无纸测试仪(图 2- 5)上的接口，进行销试样摩擦温度的测试，测得的数据输 入到电脑中，再通过记录仪软件转化为 excel表格，得出不同条件下销试样表面温 度的变化过程。 5. 微观试验 摩擦接触面的组织结构变化是研究摩擦磨损规律和机制的关键。本文利用 jsm- 5610lv 型扫描电子显微镜(sem)及能谱仪(eds)，分析紫铜销试样摩擦接触 面的磨损形貌、表面成分以及载流条件下不同摩擦磨损条件下摩擦磨损性能、电 弧能量与销试样表面温度值的变化规律，初步探讨紫铜材料的摩擦磨损机制。 第 2 章 试验设备及研究方法 15 图 2- 5 英华达记录仪 fig.2- 5 envada recording instrument 2.4 小结 本章简单介绍了本试验中所用到的设备及其工作原理，选取紫铜材料作为销 试样，铬青铜材料作为摩擦盘试样，以这两种材料组成一对销盘式摩擦副。在自 制的 hst- 100 高速载流摩擦磨损试验机上模拟弓网系统的相对运动，进行载流摩 擦磨损试验。并且设定了试验参数和试验方案。最后利用扫描电子显微镜，能谱 分析仪对摩擦副载流摩擦磨损机制进行初步的探讨。 第 3 章 cu/qcr0.5 载流摩擦磨损性能的研究 16 第3章 cu/qcr0.5 载流摩擦磨损性能的研究 3.1 正交试验结果分析 为了使研究方便，并以尽量少的试验次数得到正确的结论，试验采用了正交试 验设计方法。正交试验设计是在实验经验和理论分析的基础上利用正交表选择试 验条件，并利用正交表的特点进行试验分析，找出最好的或最满意的试验条件， 适合用于多因素的设计问题，这在实践中已经得到广泛的应用。 本试验根据以往的实验结果和理论分析，选取对电弧能量、载流质量和载流摩 擦磨损性能影响较大的电流、速度和载荷这三个因素为主要参考因素。选取四水 平，按照按正交表中的 l16(43)方法安排试验。 计算修正项 ct： ct= n t 2 = 16 2 1 () i i y n = =15.2664 (3- 1) 其中：n 为总的试验次数。 偏差平方 st和及自由度 ft: st = 16 1i yi2- ct=0.4722 (3- 2) ftn- 11 5 (3- 3) 水平重复数 r： r m n 4 16 4 (3- 4) 其中：m 为因素的水平数。 三因素的偏差平方和及自由度 f1： 河南科技大学硕士论文 17 sj r 1 (k12k22k32k42)ct (3- 5) 得： s1=0.222；f1m- 13 (3- 6) s2=0.014；f1m- 13 (3- 7) s3=0.165；f1m- 13 (3-