張 旭，楊正海，上官寶，張永振

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.國(guó)家高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471023)

0 引言

滑動(dòng)載流摩擦廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電力、軌道交通、機(jī)械制造生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域[1-4]。伴生電弧難以避免，對(duì)載流摩擦副的危害極大[5]。隨著科技的發(fā)展，滑動(dòng)載流摩擦副服役條件越發(fā)苛刻[6]，如鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏鲝?00 A提高到1 000 A，還在向更高電流發(fā)展；相對(duì)滑動(dòng)速度從100 km/h提高到350 km/h，正在向400 km/h發(fā)展。伴生電弧的危害越來(lái)越嚴(yán)重，同時(shí)，工程技術(shù)(如材料性能、壽命要求等)對(duì)載流摩擦副的載流摩擦性能及可靠性要求越來(lái)越高[7]。因此，開展伴生電弧對(duì)滑動(dòng)載流摩擦過(guò)程危害的研究具有重要意義。

滑動(dòng)載流摩擦單伴生電弧往往會(huì)危害摩擦副的摩擦磨損性能[8]，損傷摩擦副材料[9]，惡化摩擦副的導(dǎo)電品質(zhì)[10]，造成嚴(yán)重的電磁噪聲污染[11]，另外，還會(huì)與其他因素起到耦合作用，危害滑動(dòng)載流摩擦副。文獻(xiàn)[12]研究了單伴生電弧對(duì)載流摩擦副材料的燒蝕作用，研究結(jié)果表明：?jiǎn)伟樯娀∫鸬臏囟润E升使摩擦副表面形成熔池及燒蝕坑，并隨電弧的發(fā)展而呈線性增大趨勢(shì)，甚至電弧湮滅后，熔池和燒蝕坑先進(jìn)一步擴(kuò)大，然后熔池再逐漸冷凝縮小。文獻(xiàn)[13]研究表明：?jiǎn)伟樯娀‘a(chǎn)生的電磁噪聲在不同位置產(chǎn)生的干擾程度并不相同，往往在弓網(wǎng)電分相處干擾最大。文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)：弓網(wǎng)降弓電壓隨降弓速度的增大而增長(zhǎng)得越快。這些大部分是在滑動(dòng)載流摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的面與面接觸的試驗(yàn)，接觸區(qū)域大，產(chǎn)生的電弧各種各樣，很難對(duì)伴生電弧進(jìn)行深入研究。

本課題組前期研究[15-17]發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)伟樯娀∪紵^(guò)程產(chǎn)生的高溫，會(huì)使摩擦副表面發(fā)生熔融噴濺和高溫氧化，載流效率降低，載流穩(wěn)定性起伏增大(個(gè)別時(shí)候甚至超過(guò)了200%)，載流摩擦副的導(dǎo)電品質(zhì)嚴(yán)重惡化，材料損傷加重。但是，載流摩擦條件下產(chǎn)生的伴生電弧大多是短時(shí)小電流電弧，以前研究采用的電流和電壓偏大，產(chǎn)生的是長(zhǎng)時(shí)大電流電弧，因此，本文擬采用球(T2 銅)/板(T2 銅)滑動(dòng)載流摩擦副，在單點(diǎn)式載流摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行滑動(dòng)載流摩擦試驗(yàn)，探究不同分離速度小電流滑動(dòng)摩擦單電弧行為及其燒蝕危害。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的滑動(dòng)載流摩擦副試樣采用的是球試樣和板試樣。球試樣是將長(zhǎng)為20 mm、直徑為2.5 mm的T2純銅柱的一端加工成30°錐角的圓錐，尖端加工成半徑0.5 mm的球形。板試樣是將尺寸為500 mm×300 mm的T2純銅板切割為尺寸40 mm ×40 mm的方形板。試驗(yàn)前將球頭針試樣和板試樣分別用1 200#的金相砂紙打磨，再將其依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中清洗5 min后取出，準(zhǔn)備進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

在單點(diǎn)式載流摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)原理如圖1所示。以球(T2銅)/板(T2銅)試樣組成滑動(dòng)載流摩擦副，板試樣沿水平方向(Vx)運(yùn)動(dòng)，球試樣沿豎直方向(Vz)做分離運(yùn)動(dòng)，且球試樣接電源的正極，板試樣接電源的負(fù)極。采用恒流電源，試驗(yàn)前球試樣與板試樣相互接觸，并導(dǎo)通電流。試驗(yàn)時(shí)，用電壓表測(cè)量滑動(dòng)載流摩擦副兩端的實(shí)時(shí)電壓，用電流表測(cè)量接通電流后摩擦副通過(guò)的實(shí)時(shí)電流，采集并保存球試樣與板試樣分離過(guò)程中摩擦副兩端的電壓降、電流及兩試樣的位移。采用JSM-5610 LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope， SEM)觀察試驗(yàn)后球/板試樣的磨損燒蝕表面形貌，采用Nanofocus AG型三維表面形貌儀采集滑動(dòng)載流摩擦副的燒蝕區(qū)域表面三維形貌。

試驗(yàn)過(guò)程中，恒流電源的電壓為20 V，電流為20 A；板試樣的水平運(yùn)動(dòng)行程為20 mm，水平方向的速度Vx=10 mm/s；球試樣的豎直運(yùn)動(dòng)距離為5 mm，豎直方向的分離速度Vz分別為1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s和5 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單個(gè)單伴生電弧全壽命周期的電弧電壓和電流

圖2 單電弧電壓和電流的實(shí)時(shí)變化曲線

圖2是分離速度Vz為3 mm/s條件下，單次伴生電弧全壽命周期的單電弧電壓和電流的實(shí)時(shí)變化曲線。從電壓實(shí)時(shí)曲線可知：?jiǎn)伟樯娀∶壬埃妷簬缀鯙榱?，可以忽略不?jì)；單伴生電弧萌生后，電壓隨著時(shí)間的變化而逐漸增大；單伴生電弧湮滅后，電壓增大，達(dá)到開路電壓，并保持不變。從電流的實(shí)時(shí)變化曲線來(lái)看：?jiǎn)伟樯娀∶壬?，電流為穩(wěn)定接觸電流，略有波動(dòng)；單電弧萌生后，電流隨時(shí)間的變化而逐漸減小；單電弧湮滅后，電流降低為0 A，與電壓的變化趨勢(shì)相反。

由圖2可知：?jiǎn)未伟樯娀∪珘勖芷诘难葑冞^(guò)程可分為5個(gè)階段，與大電流條件下[18]單電弧燃燒分為萌生階段Ⅰ、金屬蒸汽電弧階段Ⅱ、金屬蒸汽電弧轉(zhuǎn)變空氣電弧的過(guò)渡階段Ⅲ、空氣電弧階段Ⅳ及湮滅階段Ⅴ相對(duì)應(yīng)。金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段在5個(gè)階段中所占的比例最大，是單電弧燃燒過(guò)程的主要階段，另外3個(gè)階段所占的比例則相對(duì)較小。單電弧金屬蒸汽電弧階段的電壓小于空氣電弧階段，空氣電弧階段的電流則小于金屬蒸汽電弧階段。

圖3是不同分離速度下單伴生電弧的電流和載流效率的變化曲線。圖3a是單伴生電弧在不同分離速度時(shí)電流的實(shí)時(shí)變化曲線，從圖3a中可以看出：不同分離速度時(shí)，單電弧燃燒全過(guò)程5個(gè)階段的界線變得模糊，個(gè)別階段甚至缺失，表明小電流條件下單伴生電弧的燃燒并不穩(wěn)定。圖3b為不同分離速度時(shí)，單電弧在金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段的載流效率變化曲線。載流效率是指載流摩擦過(guò)程中實(shí)際電流平均值與給定電流的比值，用于評(píng)價(jià)載流性能。由圖3b可知：分離速度較低時(shí)，金屬蒸汽電弧階段的載流效率相對(duì)穩(wěn)定，約為65.02%；隨著分離速度的增大，金屬蒸汽電弧階段的載流效率急劇下降，當(dāng)分離速度為5 mm/s時(shí)，載流效率甚至降低到32.56%。分離速度較低時(shí)，空氣電弧階段的載流效率穩(wěn)定值約為33.52%；隨著分離速度的增大，載流效率同樣急劇下降，分離速度為5 mm/s時(shí)，載流效率降低到了17.43%，表明單電弧的載流性能隨分離速度的增大而下降。比較金屬蒸汽電弧階段與空氣電弧階段載流效率的大小，可以看出：金屬蒸汽電弧階段的載流效率遠(yuǎn)大于空氣電弧階段的載流效率，但這兩個(gè)階段的載流效率都不高，表明單伴生電弧雖然是一種導(dǎo)電形式，但其對(duì)導(dǎo)電品質(zhì)明顯是有害的，與大電流單電弧對(duì)導(dǎo)電品質(zhì)有害的結(jié)論相一致[19]。

(a) 不同分離速度時(shí)電流隨時(shí)間的變化曲線

(b) 不同分離速度時(shí)載流效率的變化曲線

圖3 不同分離速度時(shí)單伴生電弧的電流和載流效率的變化曲線

2.2 不同分離速度下單伴生電弧的功率、燃弧時(shí)長(zhǎng)和弧長(zhǎng)

圖4是不同分離速度時(shí)單伴生電弧功率的實(shí)時(shí)變化曲線。單伴生電弧功率的大小等于電壓與電流的乘積[20]。從單個(gè)單伴生電弧功率的實(shí)時(shí)變化曲線來(lái)看：分離速度為2 mm/s時(shí)，單電弧萌生前，功率的實(shí)時(shí)大小在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，其值約為20 W；隨著單伴生電弧的萌生，功率急劇增大，達(dá)到最大值后保持穩(wěn)定，在110 W左右波動(dòng)，約是單電弧萌生前的5.5倍；隨著單電弧的湮滅，功率又迅速下降為0 W,表明單電弧的萌生增大了導(dǎo)電功率輸出。對(duì)照單伴生電弧全過(guò)程的5個(gè)階段，可以看出：金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段的功率大小相差并不大，中間3個(gè)階段約占整個(gè)過(guò)程的90%。比較不同分離速度的功率變化曲線發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)坞娀∪紵龝r(shí)，功率的穩(wěn)定值在110 W左右波動(dòng)，表明小電流單電弧的功率輸出受分離速度的影響不大。比較不同分離速度時(shí)單伴生電弧實(shí)時(shí)功率的變化趨勢(shì)，可以看出：?jiǎn)坞娀∪紵龝r(shí)輸入的能量[21](單伴生電弧實(shí)時(shí)功率與時(shí)間的積分)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖5是不同分離速度時(shí)小電流單電弧的燃弧時(shí)長(zhǎng)和最大弧長(zhǎng)(燃弧時(shí)長(zhǎng)與分離速度的乘積)的變化曲線。從燃弧時(shí)長(zhǎng)曲線來(lái)看：不同分離速度時(shí)單電弧的燃弧時(shí)長(zhǎng)略有波動(dòng)，但相差不大，為1.4～1.9 ms，不超過(guò)2.0 ms。從單電弧的最大弧長(zhǎng)變化曲線來(lái)看：隨著分離速度的增大，最大弧長(zhǎng)逐漸增大，其值從1.472 μm增大到9.444 μm。

圖4不同分離速度時(shí)單伴生電弧功率的實(shí)時(shí)變化曲線

圖5不同分離速度時(shí)單伴生電弧的燃弧時(shí)長(zhǎng)和最大弧長(zhǎng)的變化曲線

2.3 摩擦燒蝕表面的微觀形貌

圖6是電壓20 V、電流20 A、水平相對(duì)滑動(dòng)速度為10 mm/s、分離速度為3 mm/s的條件下，單電弧燒蝕后板試樣的SEM圖片。圖6a是燒蝕區(qū)微觀全貌照片，圖6b～圖6d分別是圖6a中a、b、c區(qū)域的放大圖。a區(qū)域呈現(xiàn)熔池凝固形貌，凝固物平鋪于摩擦副表面，存在大量氣泡，附著有少量的細(xì)小顆粒，表明該區(qū)域發(fā)生了熔融，如圖6b所示。b區(qū)域呈現(xiàn)條狀凝固形貌，多層重疊，方向雜亂，條狀物形成的原因是液態(tài)金屬噴濺凝固，表明該區(qū)域發(fā)生了多次不同方向的噴濺，如圖6c所示。c區(qū)域存在球形凝固物，其形成原因是液滴在空中飛行過(guò)程中，由于表面張力作用形成球形，并發(fā)生凝固，最后落在磨損面上，表明該區(qū)域發(fā)生了濺落，如圖6d所示。此外，在熔融區(qū)域和較遠(yuǎn)溫度變化很小的區(qū)域，存在既無(wú)融化，也無(wú)濺落的熱影響區(qū)[18]。因此，單電弧的燒蝕區(qū)域存在熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)和熱影響區(qū)，但熔融區(qū)、噴濺區(qū)和濺落區(qū)這3個(gè)區(qū)域的界線不明確，方向不明確。

(a) 燒蝕區(qū)的全貌圖

(b) 圖6a中a區(qū)域的局部放大圖

(c) 圖6a中b區(qū)域的局部放大圖

(d) 圖6a中c區(qū)域的局部放大圖

圖6 單電弧燒蝕后板試樣的SEM圖

圖7a是分離速度為5 mm/s的條件下，板試樣滑動(dòng)載流摩擦單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌圖，圖7a中燒蝕區(qū)(主要是發(fā)生熔融、噴濺和濺落的區(qū)域)相對(duì)原始表面光滑平坦，原始表面上存在的犁溝形貌中斷。圖7b是圖7a中原始表面a位置的截面輪廓曲線圖，從圖7b可以看出：原始表面輪廓曲線中，最大高度為18.721 μm，最小高度為-17.214 μm，最大高度差為35.935 μm。圖7c是圖7a中穿過(guò)燒蝕區(qū)b位置的截面輪廓曲線圖，從圖7c可以看出：燒蝕區(qū)的長(zhǎng)度約為200 μm，輪廓曲線在零點(diǎn)附近波動(dòng)，最大高度差小于9 μm，遠(yuǎn)小于板試樣原始表面的粗糙度，在此條件下，板試樣的燒蝕區(qū)將原始表面的凸起峰熔融燒蝕，填充表面的犁溝溝壑，使得燒蝕區(qū)表面變得光滑平整。故小電流條件下單電弧燒蝕有利于改善載流摩擦副表面質(zhì)量，同時(shí)，其造成的材料損傷與大電流條件下電弧造成嚴(yán)重材料損傷的結(jié)論并不一致[20]。

(a) 單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌

(b) 圖7a中a位置的截面輪廓圖

(c) 圖7a中b位置的截面輪廓圖

圖7 板試樣滑動(dòng)載流摩擦單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌及截面輪廓圖

圖8是采用電壓20 V、電流20 A、水平相對(duì)滑動(dòng)速度為10 mm/s，不同分離速度條件下，板試樣上單電弧燒蝕區(qū)的面積和最大高度差的變化曲線，其中，燒蝕區(qū)包括熔融區(qū)、噴濺區(qū)和濺落區(qū)3個(gè)區(qū)域。圖8a是不同分離速度下單電弧燒蝕區(qū)的面積變化曲線。由圖8a可知：隨著分離速度的增加，單電弧燒蝕區(qū)的面積先減小后增大，其最小值約為0.023 mm2。圖8b是不同分離速度下燒蝕區(qū)輪廓曲線上最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差(下稱最大高度差)。由圖8b可以看出：隨著分離速度的增大，燒蝕區(qū)的最大高度差呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明燒蝕區(qū)表面平整程度隨分離速度的增大而增大。燒蝕區(qū)面積和最大高度差變化是電弧極性斑點(diǎn)、電弧能量過(guò)程和電弧運(yùn)動(dòng)等因素共同作用的結(jié)果，一定程度上代表了單電弧造成材料損傷的程度。

(a) 燒蝕區(qū)面積

(b) 燒蝕區(qū)最大高度差

圖8 不同分離速度下板試樣燒蝕區(qū)的面積和最大高度差的變化曲線

3 結(jié)論

(1)從電壓、電流及功率的角度看，單伴生電弧的演變過(guò)程可分為萌生、金屬蒸汽電弧、過(guò)渡、空氣電弧及湮滅5個(gè)階段。其中，隨著時(shí)間變化，電流逐步減小，電壓逐步增大，最終達(dá)到開路電壓，中間3個(gè)階段的功率相差不大，電弧功率達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)，其大小約為110 W，約是滑動(dòng)接觸時(shí)消耗功率的5.5倍。

(2)隨著分離速度的增加，單伴生電弧的最大弧長(zhǎng)從1.472 μm逐漸增大到9.444 μm。單電弧的功率和燃弧時(shí)長(zhǎng)變化不大，試驗(yàn)條件下單電弧的穩(wěn)定功率均在110 W上下波動(dòng)，燃弧時(shí)長(zhǎng)為1.4～1.9 ms。

(3)單電弧的燒蝕區(qū)域存在熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)和熱影響區(qū)，但熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)這3個(gè)區(qū)域的界線和方向不明確。小電流單電弧條件下板試樣的燒蝕區(qū)表面變得光滑平整。隨著分離速度的增加，燒蝕區(qū)面積先減小后增大，最小值約為0.023 mm2，燒蝕區(qū)表面平整程度增大。