浸金属碳滑板/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的试验研究

选取地铁刚性接触网中现役的浸金属碳滑板与铜银合金接触线为接触副,模拟地铁弓网的实际运行状况,在环-块式试验机上研究直流电流为200~400 A、法向载荷为15~40 N、滑动速度为40~120 km/h工况下浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能。结果表明：摩擦因数随电流和滑动速度的增大而减小,随法向载荷的增大而增大;磨损量随电流和滑动速度的增大而增大,当电流较小时（如200 A）,磨损量和法向载荷之间存在一个阈值,当电流较大时（如400 A）,磨损量随法向载荷的增大而减小;滑板温度随电流的增大而增大,随法向载荷增大而减小,当电流较小时（如200 A）,滑板温度随速度的增大而增大,当电流较大时（如400 A）,滑板温度随速度的增大而减小;当电流为200~300 A时,其磨损机制主要为机械磨损,当电流为300~400 A时,其磨损机制主要为氧化磨损和电弧烧蚀。     

不同铜含量浸金属碳滑板的载流摩擦磨损性能

为研究不同铜含量的浸金属碳滑块的载流摩擦磨损性能,在环-块试验机上研究3种不同铜含量(铜质量分数分别为1.17%、27.8%、50.45%)浸金属碳滑板与铜银合金接触线在载流条件下的摩擦磨损性能,并比较不同电流情况下的材料磨损表面形貌的变化。结果表明:铜含量对浸金属碳碳滑板的摩擦磨损性能有不同的影响。其中铜质量分数为1.17%的材料在200 A小电流情况下整体磨耗量较小,但是在400 A大电流情况下,电弧热、焦耳热产生的500℃左右高温会导致材料气化、掉块,严重加剧材料的损耗;铜质量分数为50.45%的材料在小电流情况下磨耗最大,但材料的运行温度整体较低,即材料的散热性能较好;铜质量分数为27.8%的材料在小电流与大电流情况下综合磨损性能最好。与铜银合金线对磨时,铜含量较高的材料出现了较为明显的黏着磨损,铜含量越高的材料其黏着磨损现象越明显。     

不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响

在受电弓-接触网载流摩擦磨损过程中,接触线会产生不同的横截面形状,而接触线形貌的改变可能会影响弓网间的接触关系,进而影响弓网间的载流摩擦磨损性能。为研究不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响,利用环-块式高速载流摩擦磨损试验机,研究载流条件下常规形貌、麻点形貌、斜切形貌的接触线与浸金属碳滑板的摩擦磨损性能,比较采用不同形貌接触线时的摩擦因数、电弧能量和浸金属碳滑板的磨损量、表面形貌。试验结果表明：在直流电情况下,常规接触线与浸金属碳滑板组成的摩擦副的摩擦因数最小,滑板磨损量最低;采用斜切形貌接触线时的摩擦因数最大,滑板磨损量最大。通过SEM电镜观测浸金属碳滑板表面的磨损形貌,发现接触线为常规形貌时,滑板以氧化磨损为主,有较多的氧化物产生;接触线为麻点形貌时,滑板以电弧烧蚀和磨粒磨损为主,产生了细小裂纹和烧蚀坑,有较多的磨屑和剥落层出现;接触线为斜切形貌时,滑板以电弧烧蚀为主,有大裂纹和犁沟产生,并且烧蚀区域出现了较多的白色小球。研究表明,当接触线的形貌发生改变时,会导致滑板磨耗增加并加剧接触副电弧放电,从而恶化接触副的状态。因此,当接触线磨损变形严重时,应及时进行更换...     

电弧能量对碳滑板/铜接触线高速滑动摩擦磨损性能影响

在环-块式高速摩擦磨损试验机上,试验研究在交流电场和不同接触压力条件下电弧放电对纯碳滑板/铜接触线高速滑动摩擦磨损性能的影响。试验结果表明:纯碳滑板/铜接触线的摩擦因数随着接触压力的增大而减小,无电流时,摩擦因数一般在0.38～0.59之间波动,有电流时,摩擦因数一般在0.27～0.57之间波动;随着接触压力的增大,电弧放电频率以及单个采样间隔时间内离线电弧放电能量随之减小;加载100 A电流时,纯碳滑板材料的磨损量高于无电流时滑板材料的磨损量,且磨损量随着接触压力的增大而逐渐减小;碳滑板的磨损率随电弧能量的增大而增大,呈比例关系。     

大电流对碳滑块/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的影响

在高速载流摩擦磨损试验机上研究速度为150 km/h、接触压力为60~120 N试验工况下,200~500 A大电流对纯碳滑板摩擦磨损性能的影响。结果表明:在低电压大电流的载流条件下,铜银接触线和纯碳滑板间主要以短弧放电为主,放电面积大、电弧输出能量高;碳滑块的磨损形式主要以电弧烧蚀、剥离、熔融、汽化为主,机械磨损较小;碳滑板的磨损量、电弧能量随着电流的增大而急剧上升;摩擦因数随着电流的增加先增加后减小;当电流不变时弓网间的电弧能量随着接触压力增加呈先增加后减小的趋势,磨损量则随着接触压力的增加而减小。     

接触压力对碳滑板/铜接触线载流摩擦磨损性能的影响

控制电流为250 A,滑动速度为160 km/h,在接触压力50,70,90,110,130 N下,在环-块式载流摩擦磨损试验设备上进行接触压力对碳滑板/铜接触线载流摩擦磨损性能的影响试验,用光学显微镜对滑块的磨损形貌进行观察.结果表明:随着接触压力的减小,滑块的磨损形貌由以较光滑磨损面为主过渡到以受电弧飞溅影响磨损面和多麻坑磨损面为主,主要磨损形式由磨粒磨损过渡到电弧烧蚀磨损,摩擦因数的过渡阶段逐渐明显,稳定阶段的摩擦因数逐渐增大;碳滑板的磨损率随着试验的进行进入稳定期,稳定期磨损率随着接触压力的增加先减小后增加,呈“U”形分布;接触压力的增加可以降低电弧功率和离线率;从碳滑板的磨损率和载流稳定性综合考虑,90 N为最佳接触压力.     

滑板倾斜对碳滑板/纯铜接触线高速滑动摩擦磨损性能的影响

使用环-块式高速摩擦磨损试验机,试验研究在交流电场中滑板倾斜对电弧放电以及碳滑板/纯铜接触线高速滑动摩擦磨损性能的影响。结果表明,电流为100 A时,碳滑板材料的磨损量随着接触压力和滑板倾斜角度的增大而逐渐减小,试验盘每转平均放电能量也随着接触压力和滑板倾斜角度的增大而逐渐减小,碳滑板磨损率随着电弧能量的增大而增大;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°。     

表面粗糙度对碳/铜载流摩擦副摩擦磨损性能的影响

通过环-块式摩擦磨损试验研究了表面粗糙度对碳/铜载流摩擦副摩擦磨损性能的影响,并分析了磨损形貌及机制。结果表明:其摩擦因数与电弧行为密切相关,无电弧时摩擦因数曲线平滑;对磨环的表面粗糙度越大越容易产生电弧,电弧的烧蚀导致块试样的磨损加剧;不同表面粗糙度下均存在临界起弧法向压力,且随着表面粗糙度的增大而增大;载流摩擦副的磨损机制主要为磨粒磨损、粘着磨损、电弧烧蚀及材料转移。     

120～170 km/h条件下碳滑板/铜接触线摩擦磨损性能试验研究

在环-块式高速摩擦磨损试验机上,试验研究电流I=100～300 A、滑动速度v=120～170 km/h和法向载荷Fn=100～200 N条件下纯碳滑板/铜接触线的摩擦磨损性能.结果表明:无电流时,碳滑板磨损率很低,一般不超过0.001 4 g/km,但摩擦因数较高,一般在0.30以上.加入电流后,碳滑板的磨损率明显增加,达到无电流时磨损率的10倍多;而摩擦因数明显降低,一般在0.24～0.30间波动.观察碳滑板磨损形貌发现,无电流时磨痕面积较小,随着电流的增加磨痕面积不断增大;且磨损面出现电弧烧蚀的黑色流线和麻点.滑动速度、法向载荷对碳滑板摩擦磨损性能影响较小,而电流作用引起的高温磨损和电弧烧蚀是导致碳滑板材料磨损加剧的主要因素.     

铜-10%石墨合金的载流摩擦磨损性能

为提高铜基合金的载流摩擦磨损性能,采用粉末冶金方法制备了含10%石墨的铜基合金,并在自制的销盘式载流摩擦磨损试验机上进行了不同电流和滑动速度下的摩擦磨损试验.结果表明:与不含石墨的铜合金相比较,在不同电流和滑动速度下,加入10%石墨铜合金的摩擦因数和磨损率均降低,耐磨性能明显提高,摩擦因数稳定.     

电压对碳滑板磨损性能和温升的影响

在受电弓/接触网高速载流摩擦磨损试验机上试验研究恒定电流及不同电压下,纯碳滑板与铜银合金接触线载流滑动摩擦时,接触压力和相对滑动速度对纯碳滑板磨损性能和温升的影响。试验结果表明:随着试验电压的增加,弓网间的电弧放电现象更加明显,燃弧时间更长,磨损率先急剧增大后趋于平缓,纯碳滑板的磨损率与温度表现出正强相关性。分析纯碳滑板磨损后的形貌可知:随着试验电压的增加,纯碳滑板的磨损先以机械磨损为主,然后转变为以电弧烧蚀和氧化磨损为主;纯碳滑板表面的电弧烧蚀坑增多且分布较均匀,烧蚀区面积增大。     

几种受电弓滑板/接触线材料载流摩擦磨损行为的比较

在销-盘摩擦磨损试验机上研究浸金属碳/纯铜、纯碳/不锈钢、浸金属碳/不锈钢、纯碳/纯铜4种受电弓滑板/接触线的载流摩擦磨损性能。结果表明:浸金属碳/纯铜的摩擦因数比其他3对配副的摩擦因数都大,且其配副的碳滑板材料磨损量比其他3对配副的磨损量都高;4对配副的主要磨损机制是电弧烧蚀、磨粒磨损和氧化磨损,而浸金属碳/纯铜还出现黏着磨损。浸金属碳/纯铜因磨损严重,且电滑动中发出异常噪声,应避免作为受电弓滑板/接触线材料。     

刚性接触网中浸金属碳滑板在不同法向载荷下的载流摩擦磨损性能

为了更好地模拟浸金属碳滑板的实际应用工况,设置试验滑动距离为1 000 km,使用环-块式载流摩擦磨损试验机模拟地铁列车在刚性接触网系统中的运行条件,研究浸金属碳滑板在不同法向载荷作用下的载流摩擦磨损性能。试验结果表明：随着法向载荷的增大,摩擦因数不断增大,电弧能量下降,载流效率不断升高,滑板的温度以及磨损率都呈现出下降的趋势;随着滑动距离的增加,滑板的磨损率逐渐降低最后趋于稳定。SEM电镜观察结果表明：法向载荷较低时,浸金属碳滑板表面产生了较多烧蚀坑和裂纹,其磨损形式主要表现为电弧烧蚀以及片状剥落;随着法向载荷增大,滑板表面出现划痕和磨屑,磨粒磨损现象较为明显。研究表明：适当增大法向载荷可以有效抑制电弧的烧蚀作用,减少滑板表面的裂纹和烧蚀坑,从而降低滑板的磨损。     

碳/碳复合材料的载流摩擦磨损性能及机理

在高速载流摩擦磨损试验机上对碳/碳复合材料进行摩擦磨损试验,研究了不同电流、载荷和滑动速度下复合材料的摩擦因数、磨损率及磨损表面形貌,并分析了磨损机理。结果表明:在一定载荷作用下,随电流和滑动速度增大,碳/碳复合材料的摩擦磨损性能先保持良好而后趋于恶化;在电流和滑动速度一定的条件下,较低和较高的载荷都会恶化碳/碳复合材料的摩擦磨损性能;随着摩擦表面温度升高,碳/碳复合材料基体开始氧化流失,碳纤维脱落形成磨屑,从而导致磨粒磨损;随后摩擦表面的高温使磨屑软化,磨屑在机械应力作用下逐渐被碾压成碳膜,形成粘着磨损;磨损表面温度的进一步升高以及高速冲击的作用破坏了碳膜的完整性,从而恶化了碳/碳复合材料的摩擦磨损性能。     

铜-二硫化钼粉末冶金材料的载流摩擦磨损性能研究

将MoS2粉末与铜粉、镍粉、铁粉、铅粉均匀混合后冷压并经880℃烧结,制备了Cu-10%MoS2和Cu-20%MoS22种销试样。以铬青铜QCr0.5为盘试样,采用自制的载流摩擦磨损试验机,研究了铜-二硫化钼粉末冶金材料的载流摩擦磨损性能。研究结果表明:在有电流条件下,加入MoS2可显著降低铜基粉末冶金/铬青铜配副的摩擦因数和铜基粉末冶金材料磨损率,10%和20%MoS2含量的粉末冶金试样的磨损率相差不显著,20%MoS2含量的摩擦因数在高速时有所增加。     

弓网振幅对纯碳及浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响

应用环-块式摩擦磨损试验机研究不同弓网振动幅值下纯碳/铜合金和浸金属碳/铜合金2种摩擦副的载流摩擦磨损行为。试验结果表明：弓网之间在不间断地发生近似正弦规律的振动,2种摩擦副的电弧功率都随着振动幅值的增大呈现先增大后减小的趋势,纯碳滑块更容易发生起弧现象,电弧功率更大;2种摩擦副的摩擦因数都随着振动幅值的增大而减小,浸金属碳有更好的耐磨性。使用扫描电镜对滑块的磨损形貌进行观察,结果表明：在一定范围内,随着振动幅值的增大,电弧对纯碳和浸金属碳2种滑块材料的烧蚀程度均加剧;纯碳滑块电弧侵蚀的表现形式为烧蚀坑和热应力裂纹,浸金属碳滑块电弧侵蚀的表现形式为犁沟、材料剥离和烧蚀麻点。     

雨水环境下碳陶复合材料的载流摩擦磨损性能

采用销-盘摩擦磨损试验机对制动闸片用碳陶复合材料开展了雨水环境下的载流摩擦磨损试验,研究了不同摩擦条件下碳陶复合材料的摩擦磨损性能。结果表明：在无载流的雨水环境中,随着雨水流量由0增大到1 mL·min^-1,碳陶复合材料的表面粗糙度显著下降,摩擦因数和磨损率小幅度降低,磨损机理主要为剥落和轻微的氧化磨损;在无雨水的载流条件下,随着电流强度由0增加到100 A,表面粗糙度和摩擦因数均显著下降,磨损率明显升高,主要磨损机理为剥落、磨粒磨损、黏着磨损和电弧烧蚀;相对于单因素作用,在载流和雨水的共同作用下,表面粗糙度和摩擦因数明显降低,但磨损率随着雨水流量或电流强度增加的规律不明显,磨损机理为剥落、氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损。     

载流条件下铬青铜/纯铜摩擦副摩擦磨损性能研究

在自制的销盘摩擦磨损试验机上,对铬青铜/纯铜摩擦副进行载流条件下的干滑动模拟试验,研究了电流、速度、载荷对铬青铜/纯铜摩擦磨损性能的影响规律。试验结果表明:电流是影响摩擦副摩擦磨损性能最显著的因素,摩擦因数和磨损率都随着电流的增大而增大;速度和载荷对摩擦因数和磨损率也有显著影响;电流的存在,摩擦副间产生了比无电流时更严重的粘着磨损和塑性变形,同时增加了电化学腐蚀,使磨损更加严重。     

摩擦速度和电流密度对铜基复合材料载流摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金法制备了3%SiC-10%C-87%Cu和10%C-90%Cu两种铜基复合材料,并在销盘式载流摩擦磨损试验机上进行试验,研究了摩擦速度和电流密度对这两种复合材料燃弧率、载流效率以及摩擦因数和磨损率的影响。结果表明:在相同的试验条件下,与C/Cu复合材料相比,SiC/C/Cu复合材料的摩擦因数较大,磨损率较小;燃弧率主要由摩擦材料表面的接触状态及电流密度决定,载流效率受燃弧率的影响较大;当摩擦速度为10~25m·s-1时,两种复合材料的燃弧率均低于10%,载流效率均维持在85%以上,随着摩擦速度增大至30m·s-1,它们的燃弧率均急剧增大,载流效率均急剧降低;随着电流密度增大,两种复合材料的燃弧率均逐渐增大,载流效率均逐渐减小。     

石墨含量对石墨/铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响

以石墨/铜复合材料和QCr0.5铜合金为摩擦副,在自制的销盘摩擦磨损试验机上进行不同电流密度下的摩擦磨损试验,考察石墨含量对石墨/铜复合材料载流摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着石墨含量的增加,石墨/铜复合材料的摩擦因数下降,载流效率和磨损率先下降后升高,石墨质量分数为10%时,载流效率最高,为12.5%时磨损率最低;随着电流密度的增加,石墨/铜复合材料的摩擦因数和载流效率下降,磨损率逐渐增加;石墨/铜复合材料在载流摩擦过程中存在黏着磨损、磨粒磨损和电弧烧蚀,电流密度较大时,电弧烧蚀比较严重。