王大語(yǔ)，王智勇，雒賢華，郭鳳儀

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.溫州大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

0 引言

電氣化鐵路中，列車(chē)通過(guò)受電弓滑板與接觸導(dǎo)線(xiàn)的滑動(dòng)接觸獲得電能，滑板與接觸導(dǎo)線(xiàn)之間的電接觸性能將直接關(guān)系到列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而接觸電阻是反映電接觸性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，故接觸電阻的影響因素及其建模一直備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注.

至今，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)粗糙表面接觸電阻問(wèn)題的研究已取得一些成果.文獻(xiàn)[1]建立了三維分形的接觸電阻模型，研究了分形參數(shù)對(duì)粗糙表面形貌的影響；文獻(xiàn)[2]分析了接觸載荷和分形參數(shù)對(duì)實(shí)際接觸面積、接觸電阻、電流密度的影響，表明增大接觸載荷和減小表面粗糙度可以防止電蝕發(fā)生；文獻(xiàn)[3]研究了粗糙度量級(jí)與分布形態(tài)對(duì)電樞與軌道接觸狀態(tài)的影響，研究表明接觸面越粗糙，電樞材料熔化越嚴(yán)重，接觸狀態(tài)越差；文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了一個(gè)隨機(jī)粗糙表面，對(duì)接觸界面凸峰接觸情況、應(yīng)力分布進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著法向壓力增大，凸峰接觸數(shù)目增大，接觸面積變大；文獻(xiàn)[5]提出一種表面粗糙度對(duì)含金涂層聚合物顆粒觸頭接觸電阻影響的模型，表明若要準(zhǔn)確計(jì)算接觸電阻，需充分考慮接觸面粗糙度；文獻(xiàn)[6]提出一種多場(chǎng)、多尺度的理論，得出機(jī)械載荷和電流作用下粗糙接觸面的電阻率和熱導(dǎo)率，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真得出接觸電阻與原有結(jié)果相比較，證明了該理論的可行性；文獻(xiàn)[7]對(duì)密封式繼電器觸點(diǎn)進(jìn)行形貌和失效分析，根據(jù)觸點(diǎn)表面接觸關(guān)系，建立了接觸電阻模型；文獻(xiàn)[8]提出一種融合觸點(diǎn)表面微觀粗糙度參數(shù)與宏觀性能參數(shù)的方法，并以接觸電阻為橋梁證明此方法的可行性；文獻(xiàn)[9]考慮石墨表面的氧化燒蝕，基于分形理論，建立了銅電極與石墨焊接池之間的接觸電阻模型，研究表明燒蝕作用會(huì)使接觸電阻增大.目前的研究大部分都是單獨(dú)研究速度、壓力、電流對(duì)表面粗糙度或接觸電阻的影響，還未有將粗糙度、接觸電阻兩者之間的關(guān)系聯(lián)系到一起的研究，探究粗糙度對(duì)接觸電阻的影響可以從微觀領(lǐng)域揭示接觸電阻變化的機(jī)理，對(duì)今后受電弓滑板的制備、接觸導(dǎo)線(xiàn)的選型以及弓網(wǎng)之間最優(yōu)接觸壓力的確定具有一定的指導(dǎo)意義.

近年來(lái)課題組一直從事弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸的研究工作[10-12]，已取得較為深入的研究成果.在此基礎(chǔ)上，本文利用自制滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)開(kāi)展載流摩擦實(shí)驗(yàn)，研究壓力、速度、電流以及運(yùn)行時(shí)間對(duì)摩擦副材料表面粗糙度的影響，并對(duì)接觸電阻與摩擦副表面材料粗糙度之間的關(guān)系進(jìn)行分析.

1 實(shí)驗(yàn)方案及現(xiàn)象

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

利用自行研制的滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)[10]，開(kāi)展不同接觸壓力、滑動(dòng)速度和接觸電流條件下的載流摩擦實(shí)驗(yàn).保證其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)，分別在接觸壓力60～100 N、滑動(dòng)速度50～100 km/h、接觸電流50～200 A、滑動(dòng)時(shí)間600～2 400 s 的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)使用接觸導(dǎo)線(xiàn)材料為銅，截面積為120 mm2，硬度HB值為96.2. 滑板材料為浸金屬碳，化學(xué)成分和性能參數(shù)見(jiàn)表1、表2.

表1 滑板材料化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 mass fraction of chemical composition of slide material

表2 滑板材料性能參數(shù)Tab.2 performance parameters of sliding plate materials

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用熱成像儀采集滑板表面溫度信息.實(shí)驗(yàn)后使用電子顯微鏡采集滑板表面形貌圖像，并使用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量浸金屬碳滑板表面輪廓的算數(shù)平均差Ra，Ra為取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算數(shù)平均值，是粗糙度最主要的評(píng)定參數(shù).每次實(shí)驗(yàn)后取樣5 次，求出5 次Ra的平均值.

1.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

接觸壓力為70 N，滑動(dòng)速度為70 km/h，給定電流150 A，此時(shí)接觸電阻波動(dòng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖1.由圖1可知，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，接觸電阻一直在隨時(shí)間變化.

圖1 接觸電阻隨時(shí)間變化Fig. 1 contact resistance variation with time

在接觸壓力、接觸電流、滑動(dòng)時(shí)間相同，滑動(dòng)速度不同的實(shí)驗(yàn)條件下，采集實(shí)驗(yàn)后滑板表面掃描電鏡圖像見(jiàn)圖2.

圖2 不同速度下滑板表面形貌Fig.2 surface morphologies of slides at different speeds

在接觸壓力、滑動(dòng)速度、滑動(dòng)時(shí)間相同，接觸電流不同的實(shí)驗(yàn)條件下，采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滑板表面溫度，見(jiàn)圖3.

圖3 不同電流條件下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滑板最高溫度Fig.3 maximum temperature of the slides under different currents

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 為不同實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)后粗糙度、接觸電阻隨接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流、滑動(dòng)時(shí)間的變化.

由圖4（a）可知，在其他實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，接觸壓力越大，粗糙度的值越小，接觸電阻值也越小.當(dāng)給定的接觸壓力較小，在60～70 N 時(shí)，隨著接觸壓力的增大，粗糙度與接觸電阻的減小幅度較大.隨著接觸壓力的持續(xù)增大，粗糙度與接觸電阻的減小幅度也逐漸減小.

由圖4（b）可知，其他實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，隨著滑動(dòng)速度的不斷提升，粗糙度與接觸電阻逐漸增大，并且增大趨勢(shì)較大.隨著速度的進(jìn)一步提高，粗糙度與接觸電阻的增大幅度略有減小.

由圖4（c）可知，其他實(shí)驗(yàn)條件一定時(shí)，實(shí)驗(yàn)給定的電流值越大，粗糙度越小，接觸電阻的值越小.

由圖4（d）可知，在接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流一定時(shí)，實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，粗糙度越小，接觸電阻越小.且隨著滑動(dòng)時(shí)間逐漸增大，粗糙度的變化越不明顯，而當(dāng)滑動(dòng)時(shí)間大于1 800 s 時(shí)，接觸電阻略有增大，隨后趨于平穩(wěn).

圖4 不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)粗糙度、接觸電阻的影響Fig.4 influence of different experimental conditions on roughness and contact resistance

3 理論分析

3.1 不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)摩擦副粗糙度的影響

（1）接觸壓力對(duì)摩擦副粗糙度的影響

受電弓與接觸網(wǎng)接觸事實(shí)上是通過(guò)碳滑板與導(dǎo)線(xiàn)的接觸面上的接觸斑點(diǎn)相互接觸，通過(guò)這些斑點(diǎn)來(lái)傳導(dǎo)電流[13].當(dāng)有外力作用在微觀粗糙不平的接觸面上時(shí)，會(huì)發(fā)生彈性形變和塑性形變，當(dāng)作用在接觸面上的壓力較小時(shí)，接觸斑點(diǎn)大多發(fā)生彈性形變，壓力持續(xù)增大，則更多的接觸斑點(diǎn)上會(huì)發(fā)生塑性形變.

當(dāng)滑動(dòng)速度不變的情況下，隨著接觸壓力的增大，滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)相互摩擦，產(chǎn)生摩擦熱，摩擦力與摩擦熱的計(jì)算為

式（1）～式（2）中，f為動(dòng)態(tài)滑動(dòng)摩擦力，N；μ為摩擦系數(shù)；F為靜態(tài)接觸壓力，N；W為摩擦力做的功，J；s為相對(duì)滑動(dòng)距離，m.

普遍認(rèn)為接觸面的摩擦系數(shù)與粗糙度有關(guān)[14]，當(dāng)粗糙度一定時(shí)，施加接觸壓力越大，弓網(wǎng)之間產(chǎn)生的摩擦力就越大，列車(chē)運(yùn)行中作用在接觸斑點(diǎn)上的橫向剪切力也就越大，這會(huì)加劇材料的磨損；同時(shí)，在運(yùn)行路程一定時(shí)，摩擦副表面的摩擦力越大，產(chǎn)生的摩擦熱也就越多，摩擦熱會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生軟化，原本發(fā)生彈性形變的接觸斑點(diǎn)更容易發(fā)生塑性形變，導(dǎo)致摩擦副表面的粗糙程度變小.因此，由圖4（a）可以看出，隨著接觸壓力的進(jìn)一步增大，摩擦副表面越來(lái)越光滑，能從發(fā)生彈性形變轉(zhuǎn)化為塑性形變的接觸斑點(diǎn)越來(lái)越少，接觸表面粗糙度變化幅度也就越來(lái)越小.

（2）滑動(dòng)速度對(duì)摩擦副粗糙度的影響

當(dāng)接觸壓力不變的情況下，滑動(dòng)速度較低時(shí)，機(jī)械振動(dòng)幅度較小，動(dòng)態(tài)接觸壓力的變化并不明顯，不會(huì)對(duì)材料的磨損造成較大影響，所以接觸表面粗糙度的變化很小.

但是由圖4（b）可知，當(dāng)速度大于60 km/h 之后，粗糙度開(kāi)始明顯增大.這是因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中，隨著滑動(dòng)速度的不斷加快，弓網(wǎng)系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)幅度不斷增大，會(huì)有離線(xiàn)的情況發(fā)生，產(chǎn)生電弧.滑動(dòng)速度越快，離線(xiàn)時(shí)間越長(zhǎng)，單次電弧持續(xù)時(shí)間也就越長(zhǎng)；同時(shí)，速度越快會(huì)使離線(xiàn)率大幅上升，燃弧率的升高也會(huì)導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)電弧產(chǎn)生的總能量更大.觀察圖2（a）、圖2（b）可知，滑動(dòng)速度為60 km/h 時(shí)，電弧并未對(duì)接觸面造成過(guò)多侵蝕，滑板表面磨損大多為機(jī)械磨損；當(dāng)滑動(dòng)速度為90 km/h時(shí)，可以看出電弧會(huì)對(duì)接觸面造成了嚴(yán)重的侵蝕，材料因高溫而蒸發(fā)、轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了大量的侵蝕坑，從而導(dǎo)致接觸面粗糙度發(fā)生明顯變化.

（3）接觸電流對(duì)摩擦副粗糙度的影響

在接觸壓力和滑動(dòng)速度一定時(shí)，隨著電流增大，接觸溫度升高[15].

由圖3（a）、圖3（b）可以看出，當(dāng)接觸電流為50 A 時(shí)，滑板表面最高溫度為35.2 ℃，當(dāng)接觸電流達(dá)到200 A 時(shí)，滑板表面最高溫度為203 ℃，這表明接觸電流越大，產(chǎn)生的焦耳熱也就越多，接觸面材料溫度也就越高.隨著溫度的上升，材料會(huì)發(fā)生軟化，相同的接觸壓力作用在接觸面上時(shí)，接觸斑點(diǎn)更容易發(fā)生磨損，使接觸面更加光滑，粗糙度更小.

（4）滑動(dòng)時(shí)間對(duì)摩擦副粗糙度的影響

在接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流大小都一定時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)滑動(dòng)時(shí)間的增加，接觸斑點(diǎn)上累積的摩擦熱、焦耳熱逐漸上升，材料發(fā)生軟化，接觸斑點(diǎn)更容易被磨損，接觸面變得更加光滑.結(jié)合圖4（d）可知，當(dāng)滑動(dòng)時(shí)間超過(guò)1 200 s，粗糙度減小幅度逐漸減小，這是因?yàn)殡S著滑動(dòng)時(shí)間的增加，能發(fā)生塑性形變的接觸斑點(diǎn)越來(lái)越少，接觸面的光滑程度不會(huì)發(fā)生太大的變化，故粗糙度變化幅度趨于平穩(wěn).

3.2 不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)摩擦副接觸電阻的影響

（1）接觸壓力對(duì)摩擦副接觸電阻的影響

由圖4（a）可以看出，隨著壓力增大，接觸電阻呈減小的趨勢(shì).當(dāng)壓力作用在接觸面時(shí)，硬度大的接觸斑點(diǎn)發(fā)生彈性形變，硬度小的發(fā)生塑性形變.隨著壓力增大，發(fā)生塑性形變的接觸斑點(diǎn)越來(lái)越多[16].同時(shí)，壓力增大導(dǎo)致表面粗糙度減小，這會(huì)讓很多之前未發(fā)生接觸的空隙產(chǎn)生接觸，接觸斑點(diǎn)總數(shù)增加，接觸總面積增大，接觸電阻變小.

當(dāng)壓力達(dá)到90 N 以上時(shí)，能再發(fā)生塑性形變的接觸斑點(diǎn)已經(jīng)很少，未發(fā)生實(shí)際接觸的空隙也很少[17].因此接觸斑點(diǎn)數(shù)量變化減小，接觸面積增大的幅度變小，所以接觸電阻變化率也將減小.

（2）滑動(dòng)速度對(duì)摩擦副接觸電阻的影響

在接觸壓力、接觸電流一定時(shí)，速度的增大，會(huì)使弓網(wǎng)之間的機(jī)械振動(dòng)加劇，滑板與導(dǎo)線(xiàn)之間接觸狀態(tài)變差，產(chǎn)生離線(xiàn)電弧，對(duì)接觸面的材料造成侵蝕，侵蝕坑使接觸面之間產(chǎn)生空隙，導(dǎo)致一部分接觸斑點(diǎn)喪失，接觸面積減小，接觸電阻增大.

當(dāng)滑動(dòng)速度大于90 km/h 時(shí)，此時(shí)機(jī)械振動(dòng)不再加劇，滑板表面粗糙度不會(huì)繼續(xù)大幅度改變，接觸斑點(diǎn)數(shù)目不再大幅變化，接觸面積減小程度變小，因此接觸電阻的變化率也減小.

（3）接觸電流對(duì)摩擦副接觸電阻的影響

從圖4（c）中可以看出，接觸電阻隨接觸電流的增大而減小.這是因?yàn)樵龃蠼佑|電流，會(huì)使接觸面之間的焦耳熱增加，溫度的升高使材料更容易發(fā)生軟化并利于更多的接觸斑點(diǎn)發(fā)生塑性形變，降低了接觸面的粗糙度，增大接觸面積，使接觸電阻減小.

同時(shí)，接觸面材料溫度的改變會(huì)導(dǎo)致其電阻率發(fā)生變化，溫度越高電阻率就越大，接觸電阻也就越大.但在實(shí)驗(yàn)中，因接觸斑點(diǎn)軟化促進(jìn)塑性形變發(fā)生致使接觸電阻變小的趨勢(shì)大于因溫度升高導(dǎo)致電阻率增大致使接觸電阻變大的趨勢(shì)[11]，故最終接觸電阻程減小的趨勢(shì).二者之間相互作用，使接觸電阻減小量并不是很大.

（4）滑動(dòng)時(shí)間對(duì)摩擦副接觸電阻的影響

在接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流一定時(shí)，滑動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，接觸電阻越小.滑板的載流磨損過(guò)程可以分為跑合期、相對(duì)穩(wěn)定期兩個(gè)階段[12]，滑動(dòng)時(shí)間小于1 200 s 時(shí)處于跑合期，這個(gè)階段內(nèi)磨耗率隨時(shí)間的增加而降低，實(shí)際接觸斑點(diǎn)數(shù)量增加，接觸面積變大，接觸電阻減??；1 200 s 后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定期，磨耗率趨于穩(wěn)定，接觸面積變化較小，接觸電阻變化也就較小.

持續(xù)運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)之間的產(chǎn)生的摩擦熱、焦耳熱越來(lái)越多，溫度的上升導(dǎo)致滑板材料的電阻率增大，所以圖4（d）中可以看到，當(dāng)滑動(dòng)時(shí)間大于1 800 s 后，接觸電阻稍有升高的趨勢(shì).

4 結(jié)論

（1）開(kāi)展滑動(dòng)電接觸載流摩擦實(shí)驗(yàn)，研究弓網(wǎng)滑動(dòng)摩擦副表面粗糙度特性，研究表明：接觸壓力、接觸電流越大，滑動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，摩擦副表面粗糙度越?。换瑒?dòng)速度越大，摩擦副表面粗糙度越大.

（2）從摩擦副表面粗糙度特性入手，研究其對(duì)接觸電阻的影響，從微觀方面探究接觸電阻的變化規(guī)律.隨著接觸壓力的增大，接觸面粗糙度值越小，接觸電阻越?。浑S著速度的增大，電弧侵量越大，接觸面粗糙度值越大，接觸電阻越大；運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，接觸面粗糙度值越小，接觸電阻越小.

（3）電流大小對(duì)粗糙度有較大的影響，但最終對(duì)接觸電阻影響較小.隨著電流密度的增大，粗糙度值減小趨勢(shì)較明顯，但接觸電阻減小幅度較小.