高/低濕度條件下弓網載流摩擦磨損性能的試驗研究

摘要：為探究不同濕度條件下地鐵剛性弓網系統摩擦磨損的性能，采用弓網系統常用的浸金屬碳滑板與銅銀合金接觸線為試驗材料，利用高速載流摩擦磨損試驗機模擬地鐵剛性弓網的運行。試驗研究了環境相對濕度分別為20%、40%和60%時，地鐵常見運營速度下浸金屬碳滑板的磨耗率、摩擦系數、平均電弧能量和振動加速度的變化規律。結果表明：低濕度（20%）環境中，滑板與弓網之間的摩擦類似于干摩擦，滑板磨粒會損壞接觸線表面形成犁溝。在高濕度（60%）環境中，空氣中的水分子會潤滑接觸表面降低接觸副之間的摩擦系數，還可以擴大電流回路的通流面積，降低接觸副之間的振動幅度。

關鍵詞：載流摩擦磨損；環境濕度；電弧能量；振動加速度

中圖分類號：TH117.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.07.005

文章編號：1006-0316 （2024） 07-0030-07

Experimental Study on Friction and Wear Properties of Pantograph-Catenary Systems

under High and Low Humidity Conditions

HUA Hao，LIU Songnan，CHEN Guangxiong，TANG Yu，ZHANG Juncai，CHANG Yong

（ Tribology Research Institute， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：In order to explore the friction and wear performance of metro rigid contact wire-pantograph systems under different humidity conditions， the metal-impregnated carbon strips and the copper-silver alloy contact wires， commonly used in pantograph-catenary systems， are used as the test materials， and the high-speed current-carrying friction and wear testing machine is employed to simulate the operation of the metro rigid contact wire-pantograph systems. The changes of wear rate， friction coefficient， average arc energy and vibration acceleration of metal-impregnated carbon strips at common operating speeds of metro are studied when the ambient relative humidity is 20%， 40% and 60%， respectively. The results show that in the low humidity （20%） environment， the friction between the carbon strips and the contact line is similar to dry friction， and the carbon strips abrasive particles will damage the surface of the contact line and form a furrow. In the high humidity （60%） environment， water molecules in the air will lubricate the contact surface， reducing the friction coefficient between the contact pairs， and expands the flow area of the current circuit， which reduces the vibration amplitude between the contact pairs.

Key words：current-carrying friction wear；ambient humidity；arc energy；vibration acceleration

受電弓/剛性接觸網系統擔負著地鐵列車電能傳輸的重要任務，是城市軌道交通列車系統的關鍵組成部分之一，其對地鐵列車的安全、可靠運行起關鍵作用[1]。受電弓通過碳滑板與接觸網的高壓線滑動接觸，摩擦副間電流的大小、運行速度、法向壓力等因素都對摩擦磨損性能有著明顯的影響[2-5]。列車在實際運行時，弓網系統不僅僅會受到這些系統內部因素的影響，環境因素尤其是運行環境的濕度對弓網間的摩擦磨損性能也有著不可忽視的影響。我國地鐵剛性接觸網系統最近幾年出現了異常磨耗現象，正常滑板磨耗為每萬公里磨深3～4 mm，滑板異常磨耗發生時達到7～15天滑板磨耗深度15～25 mm。地鐵線路現場調研表明，當空氣相對濕度低于30%左右就容易出現剛性接觸網系統的異常磨耗，但當相對濕度大于40%時，剛性接觸網系統的磨耗自動恢復正常。

關于環境濕度對弓網載流磨損影響的研究近年來逐漸增多，松山晉作等[6]通過灑水的方式模擬弓網系統在雨天運行時的工況，發現通電時熱量使雨水汽化，帶走了大量的焦耳熱，降低了接觸副周圍溫度，減小了滑板溫升和磨損。袁文征等[7]通過研究不同濕度下黃銅/鋼配副的滑動摩擦性能，發現接觸副摩擦因數、溫升、磨損率隨著環境濕度的增加而降低，增大環境濕度對于改善摩擦性能有積極作用。李含欣[8]等通過在試驗機上加裝濕度控制模塊，研究了碳棒和銅棒在不同濕度下的載流摩擦磨損性能，發現電弧放電能量和平均接觸電阻與相對濕度具有正相關性。過往的研究主要集中于濕度條件對弓網系統摩擦磨損的影響效果，對于其影響機理的研究卻很少，本文通過對環境濕度的實時監測和及時干預，利用加濕器和除濕機的組合，實現對環境濕度的精確控制，設定了20%（低濕度）、40%（高低界限）、60%（高濕度）三種環境濕度，通過高速載流摩擦磨損試驗機配合數據收集系統，采集并計算得到了不同試驗工況下摩擦副的摩擦系數、平均電弧能量、振動加速度以及浸金屬碳滑板的磨損率等參數。通過分析不同參數的變化趨勢及原因，得出環境濕度影響載流摩擦磨損性能的機理，對進一步探究減少摩擦磨損的措施有積極作用。

1 載流摩擦磨損試驗

1.1 試驗設備

圖1是環－塊式高速載流摩擦磨損試驗機的結構簡圖，主要由三部分組成：回轉部分、裝夾部分、往復運動部分。其回轉部分模擬的是架設在列車上方的接觸線；裝夾部分模擬的是受電弓，通過加載不同質量的砝碼可以模擬相應的升弓壓力；往復運動部分模擬的是實際運行中受電弓與接觸線之間的“Z”字運動，在局部放大圖中可以看出碳滑板與接觸線接觸的細節并附上實物圖進行一一對應。

試驗電路和數據采集系統如圖2所示，主要由電源、BBM數據采集系統、計算機、電壓傳感器、電流傳感器、切向力傳感器、振動加速度傳感器等組成。

此外還有試驗輔助設備，包括除濕機和加濕器，可以有效地將濕度控制在試驗要求的范圍內，試驗環境濕度每隔20 min記錄1次并根據濕度變化及時調整上述設備。

1.2 試驗材料及試驗參數

本次試驗采用地鐵接觸網常用銅銀合金導線作為試驗接觸線，浸金屬碳滑板為受電弓滑板。試驗材料成份含量如表1所示。

試驗參數選取如下：加載電流為100 A；加載法向力為25 N；試驗里程為120 km；試驗速度為40～80 km/h；試驗環境濕度分別為20%（低濕度）、40%（高低界限）、60%（高濕度）。試驗研究了浸金屬碳滑板磨損率、摩擦系數等參數在三種濕度條件下的區別和變化趨勢，并借助光學顯微鏡和掃描電鏡（SEM）獲得了試驗后浸金屬碳滑板表面的微觀形貌。為了保證實驗結果的準確性，同一工況重復試驗三次，取三次測量數據的平均值作為試驗的結果。每次試驗結束，使用1000目的砂紙對接觸線表面進行打磨，然后用酒精擦拭，保持接觸線表面粗糙程度一致。

1.3 數據處理方法

磨損率計算如下：

（1）

式中：ω為滑板磨損率；m1為試驗前滑板質量；m2為試驗后滑板質量；S為試驗里程。

平均電弧能量計算如下：

（2）

式中： 為平均電弧能量；U為接觸線與滑板

間的壓降；I為接觸面流經的電流，即電流傳感器收集到的電流數據；T為試驗總時長。

摩擦系數計算如下：

（3）

式中：μ為摩擦系數； 為滑板所受切向力； 為滑板所受法向力。

2 結果與討論

2.1 濕度對于磨損率的影響

圖3給出了不同環境濕度和滑動速度下浸金屬碳滑板的磨損率。從圖中可以明顯看出，環境濕度對滑板的磨損率影響較大，隨著濕度的降低滑板磨損率出現明顯的上升趨勢。并且在20%濕度條件下，滑動速度對滑板磨損率的影響也更為顯著。當環境濕度增加至40%和60%時，雖然隨著滑動速度的增加滑板磨損率有增大趨勢，但增速逐漸變緩，并且兩種濕度工況下的試驗結果更為接近。圖4展示了濕度分別為20%和60%、速度為80 km/h試驗過后滑板表面記錄照片，從滑板左端可明顯看出20%濕度工況下磨耗較60%濕度更為嚴重，且20%濕度工況的滑板表面出現了更多的燒蝕斑點。

弓網載流摩擦磨損主要分為兩個方面，一是接觸副相對運動時的機械磨耗，二是加載電流時產生的電氣磨耗。下面分別探究濕度條件對于這兩個方面的影響機理。

2.2 濕度對于弓網機械磨耗的影響

不同環境濕度下摩擦系數隨滑動速度的變化如圖5所示。圖中，摩擦系數隨著滑動速度的增加和環境濕度的降低而增大。20%濕度環境下，摩擦系數隨速度變化的增幅更為明顯。在濕度環境為20%時，空氣中水分子含量很低，接觸線和碳滑板的接觸摩擦類似于干摩擦，加之試驗電流較低，試驗產生的滑板顆粒硬度較高，在法向力的作用下對接觸線產生了犁削作用[9]，在接觸線表面形成明顯的犁溝。圖6給出了滑動速度為80 km/h，環境濕度分別為20%和60%時接觸線同一位置試驗后的表面磨損圖片。從圖6中可以看出環境濕度為60%時，試驗后的接觸線表面較為平整，接觸線整體顏色較深，沒有明顯的劃痕。而環境濕度為20%時，試驗后的接觸線表面出現明顯的劃痕和犁溝，整體呈現明亮的銅色。犁溝的產生使滑板和接觸線之間的接觸面變得粗糙，摩擦系數增大，這與圖5中摩擦系數的變化規律一致。

在環境濕度高的空氣氛圍中水分子含量高，水分子會聚集在碳滑板表面形成多層水膜[10]，在接觸副中起到一定的潤滑作用，且水膜即使受到頻繁摩擦和消耗也能在環境中得到補充從而持續潤滑摩擦副。濕度越高的環境中潤滑水膜補充越快，所以在其他試驗參數相同的情況下，環境濕度為60%的工況對比其他濕度工況都保持最小水平。這也使得高濕度下的接觸線表面更為平整。而在低濕度環境下，由于缺少水膜的潤滑作用，接觸副間的機械磨損較為惡劣，犁溝的出現使得碳滑板只能與接觸線的凸起位置接觸，接觸線的凹坑位置由于無法與滑板接觸保持了原有的銅色，這也使得低濕度下的接觸線整體呈現亮銅色。此外，浸金屬碳滑板本身也是一種自潤滑材料[11]，潮濕的環境會增加材料接觸界面的滑移速度，改善潤滑性能。

2.3 濕度對于弓網電氣磨耗的影響

載流條件下，浸金屬碳滑板的磨耗率與電弧能量緊密相關，且碳滑板磨耗率隨著電弧能量的增大而增大[12]，所以探究載流條件下環境濕度對于磨損率的影響也就是探究環境濕度對于電弧能量的影響。

電弧能量隨滑動速度以及環境濕度的變化規律如圖7所示，在其它試驗參數不變時，電弧能量隨滑動速度的提高而上升，這與以往的研究結果一致[13]。在滑動速度恒定時，電弧能量隨濕度的增加而降低，并且在較高滑動速度下，濕度變化對電弧能量的影響更為明顯。在80 km/h工況下，當濕度降低為20%，與濕度為40%和60%時的電弧能量值相比差異更大，該濕度下弓網間的接觸狀態最差。

環境濕度對于電弧能量主要有兩方面影響，一是對于電流回路的導通作用，二是對于接觸副之間的振動影響。

首先水膜的存在擴大了接觸副回路的通流面積。在弓網系統實際運行時，滑板和接觸線的實際接觸面積比較小，往往是由數個點接觸構成，滑動過程中，接觸點的位置會不斷變化，當電壓施加在滑板和接觸線之間時，電流從若干個接觸點中通過，由于接觸點電阻的存在，在接觸點處會出現電壓降，當電壓降大于最小起弧電壓時就會出現放電現象。水膜的存在使接觸副之間的實際接觸面積增大，充當了電流傳遞的“水橋”，分散了回路中的電流[14]，而且載流摩擦磨損過程中電流會引發電化學氧化[15]，該水膜在電化學氧化過程中會生成大量離子，改善了電接觸狀態，從而一定程度上抑制了電弧的產生。接觸點中存在的電阻在電流流過時會產生焦耳熱聚集，使接觸點升溫，而后高溫材料在接觸副的相對運動中脫落。水膜造成的電流分散使得接觸點產生的焦耳熱降低，材料升溫不足不易從滑板表面脫落，減少了滑板表面的破壞程度。高濕度氛圍還能加速熱量的傳遞，及時帶走接觸副表面的焦耳熱，使接觸點降溫。

高環境濕度中形成的水膜還可以起到緩沖的作用，降低放電頻率，減少滑板材料的脫落。由圖8可知，振動加速度幅值隨滑動速度的提高而增大，圖8（a）為20%濕度條件下三種速度的加速度數據對比，可以看出，加速度的幅值隨著速度的提高增長趨勢明顯。圖8（b）為60%濕度條件下三種速度的加速度數據對比，可以看出，速度為40 km/h和60 km/h時，加速度幅值差距比較明顯，而當速度進一步提高，加速度幅值增長趨勢不明顯，說明在高環境濕度中，接觸副之間形成的水膜可以減小滑動速度對于振動的影響。對比圖8（a）和（b），同種工況下，低濕度下的振動加速度幅值都要大于高濕度，而且當速度提升到80 km/h，濕度對于振動加速度的影響進一步增大。

接觸副之間振動加劇會導致弓網離線頻率增大，電弧放電現象也會隨之增多[16]，加劇碳滑板表面的燒蝕。振動加速度越大，接觸副的接觸狀態越差，運行時接觸點受到的沖擊也隨之加大，導致更多的升溫材料從滑板表面脫落，而在高環境濕度中，接觸點的溫度較低，振動加速度較小，表面材料不宜脫落，磨耗量較小。

2.4 磨損形貌

如圖9所示，給出了環境濕度分別為20%、40%、60%時，速度為80 km/h的碳滑板微觀形貌，放大倍數500倍。從圖9（c）中可以明顯看出濕度為60%時，碳滑板表面較為平整，只有少量電弧燒蝕痕跡，高濕度保護了碳滑板的表面沒有進一步被磨損；在環境濕度為40%的圖9（b）中，可以看出電弧燒蝕區域擴大，并可以看到滑板表面出現少量材料脫落形成剝落坑的現象，說明在40%濕度的環境下運行時，放電頻率增加，濕度的減小使得碳滑板表面損傷加劇；在環境濕度為20%的圖9（a）中，剝落坑數量增加，出現少量磨屑，同時伴隨著大量裂紋的出現，說明隨著濕度的進一步降低，接觸副之間振動加劇，接觸狀態變差。

以上分析的電氣磨耗結果可知，20%濕度條件下的試驗反應更為劇烈，磨耗也更嚴重，相比高濕度的試驗，會產生更多的滑板碳屑，而由圖6可見，20%濕度條件下試驗的接觸線表面更為光亮，說明在電流為100 A的載流試驗中，機械摩擦對于碳滑板整體的磨耗發揮了較大的作用。

3 結論

（1）環境濕度對碳滑板磨損率影響較大，隨著濕度的減小，滑板的磨耗率呈上升趨勢，且速度越大不同環境濕度下的差異越明顯。

（2）在低濕度（20%）環境中，滑板與弓網之間的摩擦類似于干摩擦，滑板磨粒會損壞接觸線表面形成犁溝，接觸線表面的破壞又會反過來作用于滑板表面，使得接觸副間摩擦系數增大，滑板磨損量增加。

（3）在高濕度（60%）環境中，空氣中的水分子會潤滑接觸表面降低接觸副之間的摩擦系數，還可以起到一定的緩沖作用，減少滑板材料的脫落，保護碳滑板表面。

（4）接觸副之間的振動加速度幅值隨速度的增加而增大，在低環境濕度中，增大趨勢明顯；而在高環境濕度中，由于接觸副之間存在

的水膜的緩沖作用，當滑動速度大于60 km/h時，加速度幅值隨速度的增加趨勢不明顯。

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