電氣化鐵路載流摩擦磨損的電弧侵蝕行為

電氣化鐵路載流摩擦磨損的電弧侵蝕行為

0滑動(dòng)受流接觸載流摩擦磨損研究的主要背景是高速鐵路系統(tǒng)（包括軌線車）和市政公共交通（有軌車和無(wú)軌車）的能源傳輸系統(tǒng)。廣泛使用的發(fā)動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁電機(jī)的碳刷和電極以及在運(yùn)載工具提升過(guò)程中使用的電源。尤其是在電氣化鐵路的電力傳輸系統(tǒng)中,受電弓滑板與導(dǎo)線間構(gòu)成了一對(duì)典型的載流摩擦副。而滑板與導(dǎo)線相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的接觸區(qū)域,是由一些分散的微小接觸點(diǎn)所構(gòu)成,這些接觸點(diǎn)不僅支撐載荷,而且承受摩擦功和電流流過(guò)接觸電阻所引起的熱流。因而電流收縮及機(jī)械載荷的高度集中會(huì)產(chǎn)生高密度的焦耳熱,隨著熱量的積累,接觸點(diǎn)溫度升高,材料性能改變,當(dāng)其不能繼續(xù)支撐接觸載荷時(shí),接觸點(diǎn)遭受破壞,直到另一個(gè)合適的“冷”接觸點(diǎn)重新支撐載荷為止,如此構(gòu)成了滑動(dòng)受流接觸條件下的磨損行為。在滑板離線過(guò)程中,電弧侵蝕的強(qiáng)烈作用會(huì)使摩擦副材料熔化、氣化和噴濺,產(chǎn)生材料的轉(zhuǎn)移。電弧侵蝕嚴(yán)重地破壞了摩擦接觸表面,在消耗摩擦材料的同時(shí),顯著增加滑板和導(dǎo)線的受流磨損量。所以對(duì)電弧侵蝕的研究是載流摩擦磨損性能研究中的一個(gè)重要方面。1磨損表面的微觀顯微掃描圖在載流摩擦磨損過(guò)程中,由于摩擦副間的接觸狀態(tài)不佳而形成了離線電弧使其表面出現(xiàn)電弧侵蝕,加劇了接觸點(diǎn)的軟化甚至粘著熔焊現(xiàn)象,因而大大降低了表面質(zhì)量,使磨損性能惡化。電弧侵蝕后磨損表面的微觀顯微掃描圖顯示,表面有明顯的化學(xué)腐蝕的痕跡,大的剝落坑、磨粒等。在內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)大量的裂紋,DaHaiHe等認(rèn)為是試驗(yàn)過(guò)程中由于熱應(yīng)力變化和積累的結(jié)果。而C.R.F.Azevsdo等人從磨屑方面研究指出,載流磨損過(guò)程中磨屑會(huì)由初始的薄片狀轉(zhuǎn)化為雨滴狀,這是因?yàn)槌跏寄バ荚跈C(jī)械磨損作用下優(yōu)先形成薄片狀,隨著熱應(yīng)力變化及離線電弧的產(chǎn)生,磨屑在多種磨損作用下轉(zhuǎn)變成雨滴狀(如圖1示)。2為弧形侵蝕形成的機(jī)制載流摩擦副在離線過(guò)程中將產(chǎn)生離線電弧,由電弧引起的材料轉(zhuǎn)移和熔融噴濺是造成電弧侵蝕的兩大主要原因。2.1材料轉(zhuǎn)移的流關(guān)系根據(jù)材料轉(zhuǎn)移的方向與摩擦副兩端的電壓和通過(guò)的電流關(guān)系,可把材料轉(zhuǎn)移分為如圖2所示的α、α′、β和γ等四個(gè)區(qū)域。其中:α區(qū)是橋轉(zhuǎn)移區(qū),α′、β和γ是弧轉(zhuǎn)移區(qū),弧轉(zhuǎn)移又分為短弧轉(zhuǎn)移和長(zhǎng)弧轉(zhuǎn)移。(1)焦耳熱放電產(chǎn)生放電當(dāng)接觸點(diǎn)即將分離的時(shí)刻,接觸點(diǎn)處電流密度急劇增加,產(chǎn)生的焦耳熱使接觸點(diǎn)處的金屬熔化而形成液橋,最后在最高溫度處斷開產(chǎn)生放電。液橋斷開時(shí),常使陽(yáng)極金屬損耗形成凹坑,陰極金屬增加形成凸點(diǎn),即液橋轉(zhuǎn)移。(2)感生電壓檢測(cè)當(dāng)液橋斷裂時(shí)在電感作用下,兩表面之間很快產(chǎn)生高電壓。感生電壓在兩表面間產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場(chǎng)使電子發(fā)射,當(dāng)極間間隙在電子平均自由程數(shù)量級(jí)時(shí),電子直接轟擊陽(yáng)極使陽(yáng)極發(fā)熱,電弧由陽(yáng)極過(guò)程控制,材料轉(zhuǎn)移從陽(yáng)極指向陰極。(3)區(qū)的過(guò)渡隨著放電間隙的增加,建立陰極電壓降,就可以從α′區(qū)過(guò)渡到β區(qū)。通常認(rèn)為此時(shí)由于正離子集中轟擊較小的陰極弧根處的陰極表面,致使陰極材料蒸發(fā),材料從陰極轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極。(4)陽(yáng)極表面產(chǎn)生熱壓針對(duì)不同材料增大電流至幾安到幾十安,材料轉(zhuǎn)移會(huì)從β區(qū)轉(zhuǎn)變到γ區(qū),這時(shí)材料轉(zhuǎn)移方向是從陽(yáng)極指向陰極,并且轉(zhuǎn)移量和損耗總量都較大。這是因?yàn)楫?dāng)電流較大時(shí),輸入陽(yáng)極的能量較大,陽(yáng)極表面出現(xiàn)顯著的熔化蒸發(fā),同時(shí)陽(yáng)極弧根會(huì)向熔化區(qū)集中形成陽(yáng)極斑點(diǎn),使陽(yáng)極材料的蒸發(fā)進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)致材料轉(zhuǎn)移的方向也相應(yīng)發(fā)生反轉(zhuǎn)。因而陽(yáng)極和陰極都有損耗。2.2噴噴的發(fā)生條件噴濺是指在大電流條件下,摩擦副表面發(fā)生熔化,液態(tài)金屬以小液滴的形式從摩擦副間飛濺出去的現(xiàn)象。載流摩擦過(guò)程中,由于接觸電阻的存在,會(huì)產(chǎn)生大量的熱能而使尖峰發(fā)生彈性形變,緊接著部分發(fā)生塑性變形,逐漸具備了產(chǎn)生噴濺的兩個(gè)前提條件:①材料表面形成熔池;②有液態(tài)金屬流動(dòng)?！盁崴芾碚摗闭J(rèn)為,高的電流密度可導(dǎo)致材料的熱膨脹,從而引起熱彈/塑性變化,材料表面的熱塑點(diǎn)吸收了摩擦熱量和電流熱量直到被磨平或去除為止。由于某一熱塑點(diǎn)被磨掉后,加在該點(diǎn)的載荷轉(zhuǎn)移到附近區(qū)域形成新的熱塑性區(qū)域。很高的熱量來(lái)源于強(qiáng)電流和摩擦熱,再加上電弧的熱作用使材料表面熔化形成熔池,而作用于熔池的電磁力及摩擦副間的相互運(yùn)動(dòng)則驅(qū)使液態(tài)金屬流動(dòng),形成流速場(chǎng)。當(dāng)液態(tài)金屬的流速超過(guò)一定值時(shí),便以小液滴的形式從摩擦副間飛散出去,形成噴濺。3電流及電弧侵蝕量計(jì)算戴利民認(rèn)為,電流強(qiáng)度和電弧燃熾時(shí)間對(duì)電弧侵蝕起著決定作用。在受流接觸中,電流的應(yīng)用變化范圍很大,最小電弧電流約10-2A,而強(qiáng)電流可達(dá)105A。王其平根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出電弧侵蝕量與電流和電弧燃熾時(shí)間關(guān)系的數(shù)值表達(dá)式為:Ws=k?I?taWs=k?Ι?ta式中:Ws為材料的侵蝕量;I為電流有效值;ta為電弧燃熾時(shí)間;k為與材料有關(guān)的系數(shù)。S.Kubo,K.Kato則從電弧能量角度考查了其對(duì)電弧侵蝕量的影響,認(rèn)為二者之間存在如下關(guān)系:Ws=a?EbWs=a?Eb式中:Ws為材料的侵蝕量;E為電弧能量;a,b為與材料有關(guān)的系數(shù)。并在文獻(xiàn)中提出,電弧能量E=∑n(U?I?Δt)E=∑n(U?Ι?Δt),因而電弧侵蝕量Ws與電弧電壓、電流及電弧燃熾時(shí)間有關(guān),這與前面經(jīng)驗(yàn)公式是一致的。對(duì)于相同電弧能量引起的磨耗,松山,晉作認(rèn)為AC(交流電)要比DC(直流電)多,其原因是它經(jīng)常以反極性在起作用。根據(jù)金屬移動(dòng)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果表明,在同一條件下,電流從滑板流入接觸導(dǎo)線的反極性(再生)與正極性(牽引)相比較,滑板磨耗量增大了3倍。當(dāng)然,由于不同材料的起弧電壓及電弧侵蝕率都不相同,其電弧侵蝕量及機(jī)理也是不同的。戴利民指出,對(duì)于碳以及鋁合金材料的電弧侵蝕過(guò)程主要以陰極蒸發(fā)為主,而銅基粉末冶金材料的電弧侵蝕過(guò)程主要以陽(yáng)極過(guò)程為主。4引起機(jī)械損害載流摩擦磨損過(guò)程是多種磨損相互作用的綜合體現(xiàn),而電弧的出現(xiàn)更是加劇了它們之間的相互影響。DaHaiHe,C.R.F.Azovedo及KojiKato等人認(rèn)為,由于離線產(chǎn)生的電弧使摩擦副表面產(chǎn)生氧化形成硬質(zhì)點(diǎn),硬質(zhì)點(diǎn)在磨損過(guò)程中剝落,再加上電弧飛濺形成的微小顆粒,成為第三相(磨粒)導(dǎo)致了磨粒磨損;由于電弧的出現(xiàn)產(chǎn)生了更多的熱量,導(dǎo)致摩擦副溫度進(jìn)一步上升,從而使得摩擦表面材料軟化產(chǎn)生粘著。沈向前等人也認(rèn)為,載流條件下,由于摩擦接觸表面界面膜的存在,會(huì)在摩擦面上引起電弧,產(chǎn)生大量摩擦熱和電弧熱,使摩擦表面局部溫度急劇升高而氧化,產(chǎn)生兩種磨損:一種是產(chǎn)生大面積的氧化區(qū)域,形成氧化磨損;另一種是由電弧飛濺形成的氧化硬質(zhì)相顆粒產(chǎn)生磨粒磨損。電弧的出現(xiàn)確實(shí)影響了整個(gè)載流摩擦磨損過(guò)程,但它們之間并不是簡(jiǎn)單的疊加,而是相互作用相互影響的復(fù)雜過(guò)程。5研究方法上的困難載流摩擦磨損作為材料、機(jī)械、摩擦、化學(xué)、傳熱和電氣等因素綜合作用的結(jié)果,是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。而隨著在應(yīng)用領(lǐng)域中無(wú)法避免的電弧的出現(xiàn),給受流摩擦磨損機(jī)理的研究帶來(lái)更多困難,也給實(shí)驗(yàn)研究提出了更高要求。對(duì)于電弧侵蝕,雖然己有大量的研究并取得了一定成果,但對(duì)其機(jī)理的研究還很不充分,公開發(fā)表的資料較少,這方面的理論也不成熟。目前