AuNi9電刷絲載流摩擦磨損試驗研究

于艷艷

【摘 要】以AuNi9電刷絲與黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環組成導電滑環摩擦副，此摩擦副可用在風能裝置中的變槳系統里。以實際應用工作條件為基礎，進行載流摩擦磨損試驗，分析載流磨損的成因以及磨損機制，研究此載流摩擦副滑動摩擦條件下主要的磨損形式。

【Abstract】 A conductive sliding ring friction pair is formed by AuNi9 electric brush thread and Pd+NiAu slip ring coated on the brass surface. This friction pair can be used in the pitch system of wind energy installations. Based on the practical working conditions， the friction-wear test of current-carrying is carried out， so as to analyze the cause of current-carrying wear and the mechanism of wear， study the main wear modes of the current-carrying friction pair under the condition of sliding friction.

【關鍵詞】AuNi9；滑動摩擦；載流磨損

【Keywords】AuNi9 ； sliding friction； current-carrying wear

【中圖分類號】O652.1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）09-0158-02

1 載流磨損

1.1 產生原因

AuNi9電刷絲與黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環的固體表面都存在不規則性，兩個表面的實際接觸發生在離散的微凸體上。當電流通過微凸體時，微凸體之間的微小空隙會產生靜電場，由于摩擦副表面形成的電場發射電子的作用，微凸體間隙之間的氣體發生電離，從而形成微電弧。微小電弧會導致接觸點發生電弧侵蝕，而侵蝕程度的大小取決于微凸體接觸點的多少，接觸點越多，微電弧就越少，電蝕程度就越小[1-3]。如圖1所示。

在滑動過程中，摩擦副的滑動接觸界面需要傳遞電流，導致接觸材料的磨損要比單一因素的磨損形式更復雜。微凸體上同時存在摩擦力和電流，滑動時接觸表面溫度不斷升高，微凸體的溫度隨之升高，這一溫升將引起材料表面的熱氧化，接觸材料的物理性質發生改變，微凸體遭到破壞。周而復始的破壞與再生便形成了摩擦副的摩擦磨損行為[4]。

1.2 載流條件下的磨損機制

Bowden和Tabor認為金屬材料的摩擦副在進行往復滑動時，微凸體接觸點之間的壓力很大，當接觸表面開始滑動，微凸體接觸點相互之間將產生剪切力，這一剪切力導致微凸體斷裂或變形，斷裂的微凸體在硬度較小的材料表面形成犁削作用，導致接觸表面形態發生改變，產生犁溝和塑性變形。不管是微凸體的微觀變形，還是犁削作用導致的宏觀變形，都將伴隨著一定的能量損耗，根據能量守恒的原理，這一能量損失主要來源于接觸材料形貌的改變[5]。

電刷絲與滑環摩擦副的接觸界面需要傳遞電流，同時又存在載荷和溫升的影響，這使此摩擦副的磨損狀態比一般的磨損更復雜，同時受到摩擦副間的摩擦磨損、電弧侵蝕的作用，引起接觸電阻升高、接觸面溫度升高、接觸表面粘著以及材料損耗等問題[6]。

電刷絲與滑環摩擦副在工作中通以電流時，摩擦副接觸面之間的微凸體間隙會產生電弧，電弧的放電和高溫引起接觸材料的轉移和熔融，造成電弧侵蝕，電弧侵蝕是電氣磨損的主要形式。受到電弧侵蝕的材料表面化學腐蝕現象明顯，存在大的剝落坑和磨粒等[7-8]。

S.Kubo[9]用表達式：

WS=a·EbWS=a·Eb（1）

表示了電弧能量與電弧侵蝕量之間的關系。其中，WS表示材料的電弧侵蝕量；表示材料的電弧能量，與電弧電壓U、電流I、電弧燃熾時間t有關；a、b是接觸材料相關的系數。分析以上公式可知，風電滑環摩擦副的電弧侵蝕程度不僅與電流大小有關，還與材料本身的物理性質有關。載流摩擦磨損過程比較復雜，機械磨損的同時伴隨著電氣磨損，接觸材料溫度的升高，焦耳效應和接觸面上等離子區的離子轟擊作用所產生的熱量引起接觸材料組織發生相變，甚至使接觸界面材料發生熔融。表面軟化增大了流動性、延展性，從而使實際接觸面積增大，引起更大的黏附磨損，微小顆粒的產生也加劇了磨粒磨損等等。

2 試驗部分

構建電刷絲與滑環摩擦副載流摩擦磨損的試驗模型，試驗條件為摩擦副轉速200r/min，接觸載荷F為0.5N，電流0.2A，在此條件下進行磨損試驗。磨損后滑環和電刷絲的圍觀形貌如圖2所示。

經過試驗后發現，圖2（a）中黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環的磨損以AuNi9電刷絲的犁削作用為主，主要有粘附磨損和磨粒磨損兩種形式，滑環表面有犁溝，但不是很嚴重，黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環材料中的鈀可以使阻止材料轉移的性能增強，同時提高了合金材料的硬度和耐摩擦性能。

圖2（b）中AuNi9電刷絲的磨損表面出現犁溝、麻點以及微裂紋，說明電刷絲發生了黏附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損，材料表面略微發黑，是受到電弧燒蝕的作用。黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環材料的硬度略大于電刷絲的硬度，硬質顆粒擠入相對較軟的表面，產生犁削和擠壓的作用，使電刷絲材料表面發生塑性變形。金中加入鎳可以使硬度提高，從而減輕了AuNi9電刷絲的磨損。

3 結論

綜上所述，黃銅表面鍍Pd+NiAu滑環與AuNi9刷絲摩擦副載流條件下的磨損形式有黏附磨損、磨粒磨損、電弧侵蝕以及疲勞磨損，其中滑環以黏附磨損和磨粒磨損為主，電刷絲以黏附磨損、磨粒磨損、疲勞磨損以及電弧侵蝕為主。材料硬度起到關鍵的作用，硬度差值越小的摩擦副材料，磨損情況就越好。

【參考文獻】

【1】李鵬.載流摩擦磨損試驗機的研制及滑板材料摩擦磨損和載流性能研究[D].武漢：武漢材料保護研究所，2007.

【2】Tong-jin Park，Chang-Soo Han，Jin-Hee Jang. Dynamic sensitivity analysis foe the pantograph of a high-speed rail vehicle Academicpress，11Sept.2003：235-260.

【3】王萬崗，吳廣寧.弓網系統接觸電阻特性[J].中南大學學報，2012，43（10）：3857-3864.

【4】馬洪濤，Fe-Al金屬間化合物基摩擦材料制備與摩擦磨損機制研究[D].濟南：山東大學，2005.

【5】Bowden，F.P.and Tabor，D.（1950），The Friction and Lubrication of Solids，Part Ⅰ，Clarendon Press，Oxford，U.K.

【6】堵永國，張為軍，胡君遂.電接觸與電接觸材料（六）[J].電工材料，2006（3）：49-54.

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【8】 胡道春，孫樂民.載流摩擦磨損中電弧侵蝕的研究現狀[J].腐蝕與防護，2008，29（3）： 163-165.

【9】Shunichi Kubo， koji kato. Effect of arc dischange on the wear rate and wear mode of a copperimpregnated metallized carbon contact strip sliding against a copper disk[J].Tribology International，1999（32）：367-368.