高速弓網(wǎng)材料載流磨損行為研究

高速弓網(wǎng)材料載流磨損行為研究

隨著世界高鐵的快速發(fā)展，作為一個重要的過載流量元件，電弓接觸線對產(chǎn)生的負(fù)荷越來越大，接觸滑動和接觸線的工作環(huán)境越來越差，并且受到攻擊接觸線之間的弧放電現(xiàn)象也越來越顯著，導(dǎo)致了接觸材料的弧侵蝕和磨損。為了進(jìn)一步研究載流摩擦磨損中受電弓-接觸線材料摩擦磨損問題,本文研究了載流條件下,滑板磨損機(jī)理演變過程,并進(jìn)一步揭示了振動與電弧放電現(xiàn)象之間的聯(lián)系.1測試1.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集圖1為本試驗(yàn)所采用的整套試驗(yàn)設(shè)備.該設(shè)備主要由3部分組成:載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、交流電源、試驗(yàn)操作臺(包括數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)).本試驗(yàn)核心部分為轉(zhuǎn)速高達(dá)400km/h、最高載流300A的高速環(huán)-塊式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)機(jī)主要由轉(zhuǎn)盤、滑板托、結(jié)構(gòu)框架等組成.滑板安裝在可以沿著垂直方向上下滑動的滑板托上,用以模擬現(xiàn)行鐵路上受電弓滑板的Z字型載流滑動.電機(jī)伺服機(jī)為滑板和接觸線之間提供穩(wěn)定的法向力.試驗(yàn)機(jī)提供的法向力為10~300N.交流電源提供電壓為100~2000V,電流為10~800A,轉(zhuǎn)盤相對滑板的轉(zhuǎn)速為0~400km/h.圖2為本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng).用精度為0.001g的精密電子天平對試驗(yàn)前后滑板的質(zhì)量進(jìn)行稱重,根據(jù)質(zhì)量差可以計(jì)算出滑板的磨損率.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來采集并記錄滑板與接觸線之間的電壓以及流經(jīng)的電流,以便觀察接觸副之間接觸情況,采樣頻率為10kHz.用測力傳感器測出滑板加速度,用以獲得滑板法向上的振動波形,該測力傳感器安裝在用以承載滑板的滑板托上.1.2試驗(yàn)材料及方法試驗(yàn)所用純碳材料取自現(xiàn)行電氣化鐵路所使用的滑板材料,將滑板材料按試驗(yàn)機(jī)配套要求切割成尺寸為120mm×34mm×25mm的長方體試樣.試驗(yàn)采用純度為99.9%的銅作為接觸線材料,將其繞在直徑ue7881100mm的轉(zhuǎn)盤上.滑板和接觸線材料組成成份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下:純碳滑板,碳84.5%,氧10.2%,其余為S、N、Cl;純銅接觸線,銅99.9%,其余為雜質(zhì).試驗(yàn)條件如表1所示.實(shí)驗(yàn)開始前先將經(jīng)過601.3離線電弧的產(chǎn)生滑塊與轉(zhuǎn)盤因接觸不良便會產(chǎn)生離線電弧,而每種工況下都有一個閥值電壓(臨界電壓),當(dāng)兩摩擦副之間產(chǎn)生的電壓大于這個閥值時便會產(chǎn)生離線電弧.2.2電弧放電現(xiàn)象隨試驗(yàn)時間的變化圖4為載流200A、滑動速度160km/h、法向載荷70N條件下,用高速數(shù)碼攝相機(jī)拍攝的不同時間段內(nèi)主要的電弧放電形式.由圖4可以看出,隨著試驗(yàn)時間的增加,電弧放電逐漸出現(xiàn)并加劇,依次為:火花放電、短弧放電、長弧放電.圖4(a)為試驗(yàn)開始10min內(nèi)拍攝到的電弧放電現(xiàn)象,這段時間內(nèi)電弧放電幾乎不會發(fā)生,很少看到圖4(a)中這樣星點(diǎn)大小的電火花.圖4(b)~(c)為試驗(yàn)開始10~30min內(nèi)電弧放電的照片,主要以電火花形式出現(xiàn),并且電火花出現(xiàn)的次數(shù)比試驗(yàn)開始前10min增多.觀察圖4(d)~(e)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)時長超過30min時,接觸副之間電弧放電逐漸加劇,由火花放電發(fā)展成弧放電,且弧長和弧柱大小也隨著試驗(yàn)時間的延長逐漸增加.上述現(xiàn)象在其它速度條件下同樣成立,所不同的是,高速條件下此現(xiàn)象更加明顯,即隨試驗(yàn)的進(jìn)行電弧放電現(xiàn)象由剛開始的電火花逐漸轉(zhuǎn)入短弧放電,最后轉(zhuǎn)為長弧、拉弧放電的轉(zhuǎn)變周期比低速條件下更短,且每一個過程的電弧放電的特征比低速時更明顯.電弧放電頻率定義為每分鐘內(nèi)電弧放電次數(shù),電弧平均單次放電能量定義為電弧放電累計(jì)能量除以該段時間內(nèi)大于臨界電壓的樣點(diǎn)個數(shù).圖5為電弧放電頻率和電弧平均單次放電能量隨著試驗(yàn)時間的變化曲線.由5可以看出,隨著試驗(yàn)時間的增加,電弧放電頻率先增加后逐漸趨于穩(wěn)定,電弧平均單次放電能量隨著試驗(yàn)時間的增加而增加.這個計(jì)算結(jié)果與圖4中所觀察到的電弧放電現(xiàn)象相吻合,說明在高速載流滑動條件下,隨著試驗(yàn)時間的增長電弧放電現(xiàn)象不斷加劇.接觸線和滑板之間接觸狀態(tài)差是導(dǎo)致離線電弧現(xiàn)象的根本原因2.3滑動磨損率的變化圖6為滑板磨損率隨試驗(yàn)時間的變化曲線.由圖6可以看到,滑板磨損率隨著試驗(yàn)時間的增加呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢.當(dāng)試驗(yàn)時間小于30min時,滑板磨損率隨著試驗(yàn)時間呈現(xiàn)緩慢增加;當(dāng)試驗(yàn)時長超過30min時,滑板磨損率開始急劇上升.對比圖6和圖5(b)發(fā)現(xiàn),滑板磨損率和電弧平均單次放電能量隨著試驗(yàn)時長的變化趨勢相似,可初步推測二者之間有一定的相關(guān)性.由圖6還可以看出,試驗(yàn)剛開始時基本沒有電弧放電現(xiàn)象出現(xiàn),此時影響滑板磨損量僅有機(jī)械磨損和電流流經(jīng)產(chǎn)生的焦耳熱.隨著試驗(yàn)時間的增加,火花放電開始出現(xiàn),摩擦熱和焦耳熱在接觸表面累計(jì),產(chǎn)生了熱磨損,此時滑板的磨損量稍有增加.當(dāng)試驗(yàn)時間大于30min時電弧放電逐漸加劇(如圖4(d)~(e)),由此帶來的電弧侵蝕磨損成為此時滑板磨損率上升的主要原因之一.另一方面,電弧放電產(chǎn)生的瞬時閃溫大大提高了接觸面的溫度,此時黏著磨損也被加劇.在電弧侵蝕和黏著磨損的共同作用下,滑板材料的磨損率快速地上升.2.4滑動面的磨粒磨損圖7為載流200A、載荷70N、滑動速度160km/h,經(jīng)過10~50min高速載流摩擦磨損試驗(yàn)后,用光學(xué)顯微鏡觀察到的滑板磨損面形貌圖.從圖7可以看出,隨著試驗(yàn)時間的增加,滑板表面的磨損逐漸加劇,磨損機(jī)理也發(fā)生了明顯的改變:從單純的輕微機(jī)械磨損,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹貦C(jī)械磨損伴隨輕微電弧侵蝕,最后轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械磨損和嚴(yán)重電弧侵蝕共存的狀態(tài)(在80、120km/h條件下有同樣的形貌變化規(guī)律).圖7(a)為試驗(yàn)前未經(jīng)磨損的試樣表面形貌,可以看到滑板表面為近似光滑的平面,且組織結(jié)構(gòu)均勻.在試驗(yàn)條件下經(jīng)過短時間載流磨損試驗(yàn)后(如圖7(b)~(c)),滑板磨損面上出現(xiàn)了沿滑動方向的劃痕,以及分布于整個磨面的磨粒.由此可見,試驗(yàn)剛開始時是以磨粒磨損為主的機(jī)械磨損,并且機(jī)械磨損隨著試驗(yàn)時間的增長逐漸增強(qiáng),主要表現(xiàn)為劃痕深度和數(shù)量的增加、磨粒的增多.觀察圖7(d)~(f)發(fā)現(xiàn),隨著載流磨損試驗(yàn)時間的增長(>30min),滑板表面上除了明顯的機(jī)械磨損以外,還開始出現(xiàn)了電弧侵蝕的痕跡,如燒蝕麻點(diǎn)、燒蝕坑和侵蝕流線(圖7(e)~(f)),并且隨著試驗(yàn)時間的繼續(xù)增加,電弧侵蝕痕跡越來越明顯,表現(xiàn)為燒蝕坑數(shù)量和大小明顯增加、侵蝕流線逐漸清晰.如圖5所示,隨著試驗(yàn)時間的增加,滑板振動加速度逐漸增加.滑板振動小(10~30min)的時候,滑板與接觸線之間的接觸較好,完全離線基本不會發(fā)生,電弧放電很少發(fā)生或以火花放電這種能量較小的形式出現(xiàn),在磨損面上觀察不到電弧侵蝕的痕跡,磨損形式主要是機(jī)械磨損如劃痕、磨粒等.隨著機(jī)械磨損的加劇,磨損面上大量的磨粒作為微凸體使滑板接觸表面粗糙度上升,導(dǎo)致滑動面之間接觸逐漸不平穩(wěn).接觸面之間接觸狀況變差,滑板振動開始增強(qiáng),導(dǎo)致短暫的離線發(fā)生,電弧放電現(xiàn)象出現(xiàn)加劇的趨勢,主要以火花放電和短弧電弧放電形式出現(xiàn)(圖4所示).此時,滑板磨損面上除了觀察到劃痕、磨粒等機(jī)械磨損外,磨損面上還出現(xiàn)燒蝕麻點(diǎn)、燒蝕坑等電弧侵蝕的痕跡圖7(e)~(f)所示.磨粒加之燒蝕坑的出現(xiàn)導(dǎo)致滑板表面粗糙度再次上升,振動進(jìn)一步被加劇,離線時長增加,電弧放電變得較為劇烈.因此,在滑板表面上出現(xiàn)了大量的燒蝕坑和清晰的侵蝕流線(圖7(f)所示).綜合上述現(xiàn)象,磨粒引發(fā)振動的發(fā)生并隨時間加劇,進(jìn)而引起電弧放電的發(fā)生和加劇,致使滑板電弧侵蝕磨損進(jìn)一步增大.總之,磨粒是激發(fā)電弧放電并使滑板磨損急劇增加的起因.3滑動磨損機(jī)理(1)滑板振動隨著試驗(yàn)時間的增加而加劇,電弧放電現(xiàn)象隨著試驗(yàn)時間的增加逐漸出現(xiàn)并加劇,表現(xiàn)為電弧放電頻率先增加后逐漸趨于穩(wěn)定,電弧平均單次放電能量隨著試驗(yàn)時間的增加而增大.(2)滑板磨損量隨著試驗(yàn)時間的增加先緩慢后快速增加.(3)高速載流條件下,滑板磨損機(jī)理隨著試驗(yàn)時間的增加而改變,由輕微機(jī)械磨損到較重機(jī)械磨損伴隨輕微電弧侵蝕,最后轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械磨損和嚴(yán)重電弧侵蝕共存的狀態(tài).根據(jù)圖2,將電壓傳感器連接在接觸副兩端用以測量電弧放電時接觸副之間的電壓,將電流傳感器接在回路中測量電弧放電時回路電流.試驗(yàn)過程中電流、電弧放電電壓等參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時采集.根據(jù)臨界電壓(根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)測定其每種工況下的臨界起弧電壓)判定離線及采樣周期即可得到總的離線時長,從而得到離線電弧的電弧能量.其能量大小與此時環(huán)塊間的電壓、電流及電弧持續(xù)的時間密切相關(guān),電弧能量式中:E為離線電弧的電弧能量;U為滑板與接觸線之間的實(shí)測電壓與最小動態(tài)起弧電壓的差值;I為流經(jīng)滑板與接觸線摩擦副的電流;t為試驗(yàn)時間.根據(jù)離線電弧能量、離線時間和電弧采樣周期,得到電弧平均單次放電能量式中:N為電弧放電總次數(shù),即大于起弧電壓的樣點(diǎn)個數(shù).1.4振動加速度的均方根本次試驗(yàn)中用自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集了滑板振動加速度用以研究滑板振動對電弧放電的影響,采樣頻率為10kHz.試驗(yàn)用均方根值表示振動加速度的大小.振動加速度的均方根為式中:aRMS為振動加速度的均方根;aM為樣點(diǎn)總量.每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將采集到的振動加速度值利用式(3)求出均方根值來代表滑板振動加速度.2結(jié)果與討論2.1動加