受电弓滑板载流磨损行为及其磨损面微结构研究进展_熊贤至

受电弓滑板载流磨损行为及其磨损面微结构研究进展＊熊贤至，涂川俊，陈　刚，邓联谱，金曦伦（湖南大学材料科学与工程学院，长沙４１００８２）摘要 受电弓滑板是电力机车将电网电流取为己用的滑动电接触部件，滑板／接触线磨损过程涉及非常规工况或极端工况下的摩擦学问题。

研究受电弓滑板载流磨损行为及其磨损面微结构的演变规律是提高滑板材料耐磨性能的关键。

综述了受电弓滑板材料的载流磨损行为及其磨损面微结构特征的研究现状，重点阐述了在电弧侵蚀作用下滑板材料磨损面微结构的变化及其对应的磨损机制。

提出探究磨损面精细结构的演变是掌握摩擦副的磨损机理和调控其磨损行为的关键。

关键词 受电弓滑板　载流磨损　磨损面　微结构　调控中图分类号：ＴＢ３０３；Ｕ２６４．３－４ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆ　Ｗｏｒｎ　Ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　Ｃｏｎｔａｃｔ　ＳｔｒｉｐＸＩＯＮＧ　Ｘｉａｎｚｈｉ，ＴＵ　Ｃｈｕａｎｊｕｎ，ＣＨＥＮ　Ｇａｎｇ，ＤＥＮＧ　Ｌｉａｎｐｕ，ＪＩＮ　Ｘｉｌｕｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，ｗｉｔｈ　ｗｈｉｃｈ　ｃｕｒ－ｒｅｎｔ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｆｒｏｍ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－ｃａｔｅｎａｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｃｏｎ－ｔａｃｔ　ｗｉｒｅｓ　ｉｓ　ａ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｕｎｄｅｒ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｅｖｅｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｅｘｔｒｅｍｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｍａｔｃ－ｈｉｎｇ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－ｃａｔｅｎａｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉ－ｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐａｉｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ　ｉｓ　ｐａｉｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ａｒｃ　ｅｒｏｓｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｗｏｒｎｓｕｒｆａｃｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｖｉｅｗｐｏｉｎｔｓ　ｔｈａｔ　ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｄ　ｔｈｅ　ｗｅａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｉｅｌｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ，ｗｅａｒ　ｗｉｔｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｏｒｎ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　＊国家自然科学基金（５１１０２０８９）；湖南省联合基金（１２ＪＪ９０１４）；湖南省自科基金（１２ＪＪ４０４６）　熊贤至：男，１９９０年生，硕士生，主要从事炭滑板材料制备与微结构的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｏｍｇｃ＿ｘｘｚ＠１２６．ｃｏｍ　涂川俊：通讯作者，男，博士，硕士生导师，主要从事新型炭石墨材料的研究　Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｃｊ＠ｈｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 受电弓滑板是电力机车供电系统的咽喉部件，直接与电网接触线摩擦接触，将电网上的电流引入机车，为机车持续供应电力［１－４］。

受电弓滑板／接触线系统由于工作条件恶劣，在运行过程中的温升与放电起弧均易导致滑板和接触线的严重磨损［５，６］。

电力机车提速的极限取决于弓网受流技术、车辆技术及制动技术，其中，弓网受流系统能否正常运行直接影响到电力机车的动力供应以及机车的持续运行。

滑板／接触线的载流磨损是机械摩擦接触系统和电接触系统共同作用的结果，与一般的摩擦学系统相比，该过程主要具有以下４个典型特征［７，８］：电因素介入、复杂动力学系统参与、非稳态下的电弧作用影响和综合化的磨损作用。

因此，载流磨损行为是多因素耦合场作用下的电接触学和摩擦学的共同作用。

受电弓滑板／接触线间的接触存在静态、滑动和分合３种典型的接触形式［９］。

其中，静态电接触的主要问题是温升，滑动电接触的主要问题是摩擦磨损与润滑，分合电接触的主要问题是电火花和电弧。

现有针对不同材质滑板／接触线的载流磨损机理及提出的理论模型存在明显争议，还未形成一致观点。

分析滑板／接触线的载流磨损面精细微结构变化是推演弓－网系统宏观磨损行为和控制滑板磨耗的关键。

为此，本文系统阐述了受电弓滑板材料的载流磨损行为及其磨损面微结构特征，并对电弧侵蚀作用下受电弓滑板材料磨损面的微结构及其磨损机制进行了概述。

１　受电弓滑板／接触线的载流磨损受电弓滑板／接触线构成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副。

滑板／接触线的载流磨损受机械、摩擦、化学、传热和电气等因素综合作用的影响［６，９－１１］，是一个极其复杂的过程。

载流摩擦副与传统静态摩擦副相比，其是涉及电因素的·０２·材料导报Ａ：综述篇 ２０１４年１月（上）第２８卷第１期摩擦学过程，因此，电场及电弧的作用都将影响摩擦副的接触行为。

滑板与接触线相对滑动时的接触区域是由分散的微小接触点所构成，这些接触点不仅支撑载荷，而且承受摩擦功和焦耳热。

载流磨损过程中，摩擦面上的接触点因电流收缩和机械载荷的高度集中产生了高密度的焦耳热［１２］，随着热量的积累，接触点温度不断升高，材料性能也随之改变，导致既有接触点遭受破坏，直到另一个合适的接触点重新支撑载荷为止，如此构成了滑动载流接触条件下的磨损行为。

在载流磨损过程中，当滑板和接触线之间的分离距离减小到电流能击穿摩擦副间的空气时就产生电弧［１３，１４］。

形成电弧时，在高温及强电场条件下，电子对表面强烈轰击使材料蒸发并产生材料转移，从而在滑板和接触线表面产生凹坑或结瘤。

电弧侵蚀破坏了正常的摩擦表面，使磨损增大。

在实际运行中，因滑板与接触线之间存在周期性的接触－分离、受电弓升降和机车带负载进出无电区等情况［１５］，都不可避免地会产生电弧侵蚀磨损现象。

针对载流磨损，现有研究工作主要以实验室的仿真研究为主，其分析手段也从传统研究方法（如研究摩擦系数、磨损率、表面或磨屑的微观形貌）逐步发展到研究摩擦副接触表面温升的影响、起弧放电的影响和接触电阻变化的影响等方面［１６］。

已有的研究工作主要集中在探讨载流磨损的机理以及寻求提高耐磨性的途径，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相关研究最为活跃［１７］。

如Ｍａｔｓｕｙａｍａ研究证实滑板／接触线的磨损机理大致可分为机械磨损、化学磨损和电气磨损［１８］，这一结论已得到广泛认可。

基于Ｍａｔｓｕｙａｍａ的理论，许多学者相继研究了载荷、电流等因素对摩擦副磨损性能的影响。

概括而言，滑板／接触线载流磨损行为的典型研究工作主要集中在电流（电弧侵蚀）、载荷和运行速度及磨损面温度升降对滑板载流磨损行为的影响。

图１为影响滑板载流磨损行为的主要因素［１９］。

图１　影响滑板载流磨损行为的主要因素Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓｗｉｔｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｔｒｉｐ１．１　电流的影响电流对受电弓滑板／接触线的载流磨损行为的影响尤为突出。

研究者主要从以下４个方面来开展相关研究。

１．１．１　有无电流对摩擦副载流磨损行为的影响Ｍｉｌｋｏｖｉｅ等［２０］对通电前后摩擦副摩擦系数的变化进行了研究，结果表明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；他们认为这主要是因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，但增大了电气磨损，而断电后表面膜层的重建需要较长时间。

沈向前等［２１］以３Ｄ炭／炭复合材料为销试样、铬青铜ＱＣｒ０．５为盘试样进行了载流条件下的干滑动摩擦磨损试验，通过对有、无电流条件下销试样磨损量大小和摩擦因数影响程度的比较表明，在载流条件下，摩擦接触表面界面膜会在摩擦面上引起电弧，产生大量摩擦热和电弧热，使摩擦表面局部温度急剧升高而氧化，造成大面积的氧化磨损和氧化硬质相颗粒产生的磨粒磨损。

丁涛等［７］的研究表明，无电流时，炭滑板磨损率低，一般不超过０．００１４ｇ／ｋｍ，但摩擦因数较高，一般在０．３０以上。

加载电流后，炭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；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，且磨损面还出现电弧烧蚀的黑色流线和麻点。

另外，戴利民等［１２］研究了炭滑板材料在受流摩擦时的磨损行为。

研究表明，电流是引起炭滑板材料接触点温升的主要因素，在电流作用下炭滑板接触区亚表层发生了明显高温氧化现象。

１．１．２　电流密度对摩擦副载流磨损行为的影响Ｌｉｕ等［２２］研究了电流密度对摩擦副摩擦性能的影响。

研究发现，工具钢盘试样与Ｃｕ－Ｎｂ销试样的磨损量和摩擦系数随着电流密度增大呈先升高再降低的趋势，Ｃｕ－Ｎｂ销试样的磨损量与电流密度的关系也呈相似的变化趋势。

这主要是因为初始阶段摩擦表面间的微凸峰被融化，引起摩擦系数与磨损量的升高。