摘  要: 采用销—盘摩擦磨损试验机，试验了地铁钢铝复合轨的不锈钢覆层与浸金属石墨受电靴之间的载流摩擦磨损特性; 采用光学显微镜、显微硬度仪和表面轮廓仪等微观手段，分析了摩擦副的磨损机制。结果表明: 在相同的电流、法向载荷和相对滑动时间的条件下，随着相对运动速度的增大，复合轨与受电靴之间的载流摩擦因数减小，受电靴销试样的磨损率增大，复合轨不锈钢盘试样的硬度也略有增大，其磨损深度随之增大，但不锈钢盘试样的磨损比受电靴销试样的磨损小; 受电靴的石墨材料具有的自润滑功能，改善了导电轨和受电靴之间的摩擦特性，有利于减轻磨损。

关键词: 复合轨; 受电靴; 不锈钢; 浸金属石墨; 摩擦磨损

 

      地铁狭义上是指以地下运行为主的城市铁路系统或捷运系统，广义上为了配合修筑的环境，也有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都市地区的各种地下与地面的高密度交通运输系统。1863 年世界上首条铁路系统在伦敦开通，缓解了当时伦敦的交通堵塞问题。1969 年中国第一条地铁线路于北京建成通车，使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。至今，中国已经大约有 20 个城市拥有地铁交通。为了减低地铁隧道高度，导电轨( 第三轨和第四轨) 受流逐步得到广泛应用^［1］。为了提高导电性能，节约能源，满足易于安装、维护等需要，导电轨从初期的低碳钢导电轨发展到钢铝复合轨^［2］。虽然发达国家从 20 世纪 70 年代起，已开始使用钢铝复合式第三轨，现已拥有一套成熟的加工工艺，并将其广泛用于地铁和轻轨的供电系统中^［3］，但是我国至今对钢铝复合式供电系统的国产化应用较低，对其综合性能的研究，特别是载流摩擦学性能的研究缺乏试验依据^{［4 －5］}。基于此，本文对复合轨不锈钢覆层与浸金属石墨受电靴摩擦磨损特性进行了研究，以期为国产化钢铝复合轨的应用提供实验依据。

 

      为试验钢铝复合轨不锈钢覆层与受电靴在载流条件下的滑动摩擦磨损性能，本试验在充分借鉴了国内外载流摩擦磨损试验研究手段^{［6 －10］}的基础上，改进设计了 MG200 普通销盘摩擦磨损试验机，以实现地铁第三轨受流的实际运行工况的模拟。试样材料采用钢铝复合轨( 其不锈钢带覆层的化学成分质量分数为 17. 59% 的 Cr、其余为 Fe，硬度为173 HV) 和受电靴( 浸金属石墨材料，化学成分的质量分数为 61． 4% 的 C、其余为 Cu，硬度为 354 HV)分别购自 2 家欧洲公司。线切割从钢铝复合轨剥离出的不锈钢带，加工装配得到外径Φ276 mm、内径Φ208 mm、厚度 5 mm 的整体环试样; 线切割得到受电靴销试样( 尺寸为Φ10 mm × 24 mm) 。试验前用金刚石砂纸( 粒度号 1500^#) 对试样表面进行打磨，达到粗糙度为 1. 6 μm，用丙酮清洗试样的表面。

      本试验选择试验参数为: 销盘相对运动速度分别取为 50、80 和 110 km/h，法向压力均为 50 N，电流均为 50 A，相对干摩擦滑动时间均为 4 h。用实验机上配备的百分表( 精度为 0. 01 mm) 测量受电靴销试样的磨损量; 用表面轮廓台阶仪( AMBIOSXP － 2 型) 测量复合轨磨痕轮廓; 用显微硬度仪( MVK － H12 型) 测定试样表面维氏硬度; 用数据采集仪获得摩擦力数据; 用光学显微镜( OLYMPUS－BX60M 型) 观察磨痕表面形貌; 用数码相机拍摄试样表面形貌，对磨损形貌进行观察分析。

      试验得到图 1 所示的摩擦因数曲线。由图 1 可见，在不同的速度条件下的载流摩擦因数随时间的变化情况基本相似。在磨损初期摩擦因数均较大，但是随着摩擦磨损时间的延长，在 2 h ( 120 min) 左右逐渐减小，而后趋于稳定，在4 h( 240 min) 时摩擦副间的摩擦因数值基本稳定在 0． 25 到 0． 30 之间，且随着销盘相对运动速度的增大，摩擦因数呈现出略微减小的趋势。

     试验得到图 1 所示的摩擦因数曲线。由图 1 可见，在不同的速度条件下的载流摩擦因数随时间的变化情况基本相似。在磨损初期摩擦因数均较大，但是随着摩擦磨损时间的延长，在 2 h ( 120 min) 左右逐渐减小，而后趋于稳定，在4 h( 240 min) 时摩擦副间的摩擦因数值基本稳定在 0． 25 到 0． 30 之间，且随着销盘相对运动速度的增大，摩擦因数呈现出略微减小的趋势。

      图 3 为钢铝复合轨的不锈钢钢带的盘试样( 如图 3( a) ) 和受电靴的销试样( 如图 3( b) ) 的原始形貌照片。与之相对照，图 4 为钢铝复合轨不锈钢钢带的磨损形貌照片。当销盘以相对运动速度 50km / h 完成载流磨损，盘试样的表面由原始的银灰色转变成银灰色和黑色相间的颜色，出现清晰的稀疏黑色石墨条纹( 如图 4( a) ) ，而当相对运动速度为110 km / h 的时候，盘试样的表面覆盖了一层黑色的石墨( 如图 4( b) ) 。

      图 5 为受电靴销试样的磨损表面形貌照片。当速度为 50 km/h 时，表面出现了稀疏的犁沟( 如图 5( a) ) ; 当速度为110 km/h 时，犁沟变得更宽( 如图5( b) ) 。

      试验后利用 MVK － H12 型显微硬度仪测量了盘试样表面维氏硬度，得到销盘相对运动速度分别为 50、80 和 110 km/h 时，复合轨不锈钢带的盘试样显微硬度分别对应为 202. 7、210. 3 和 211. 8 HV。相对于复合轨不锈钢带覆层的原始硬度，其表面硬度随着相对运动速度的增大均有所增加。

      使用 AMBIOS XP －2 型表面轮廓台阶仪，分别对复合轨不锈钢覆层盘试样在不同速度下的磨痕轮廓进行测量，划针滑动测量磨痕长度均为 12 mm，测量划痕的方向均为垂直于盘试样磨痕的方向。

      图 6 为钢铝复合轨不锈钢带覆层的盘试样磨损面磨痕轮廓划痕。对应于销盘相对速度 50、80 和110 km / h 时，测量得到磨痕最大深度分别为0. 571 7、1. 136 和 1. 985 μm。由图 6 可见，随着速度的增大，磨痕最大深度均有所增大，但从磨痕最大深度的数量级来看均处于 μm 量级，说明 3 种速度工况下磨损深度都较小，与销试样的 mm 数量级磨损量相比，盘试验的磨损均远小于销试样的磨损。

      复合轨不锈钢覆层盘试样与浸金属石墨销试样载流磨损时，试验初期摩擦副之间有一个磨合的过程，随后逐步进入一个稳定的磨损阶段，由图 1 和图 2 可见，摩擦因数和磨损率初期都较大，然后逐渐减小并趋于稳定。由图 3 和图 4 可见，试验过程中销试样的浸金属石墨材料发生转移，并逐步粘附在不锈钢覆层盘试样的摩擦表面。而石墨材料具有润滑功能，是一种较好的固体润滑材料。它处在摩擦副之间，改善了介面的微观接触特性，而随着相对运动速度的增大这种转移就更快( 如图 5) ，销试样的磨损率相应增加，而摩擦因数却随着石墨层的形成而减小，当形成稳定的石墨转移层时，摩擦因数也就随之趋于稳定，有利于减轻磨损。

      试验中黑色的受电靴石墨碎屑粘附在复合轨覆层表面，粘着的石墨材料和金属磨屑的层层堆积并逐步强化。试验后的硬度测试发现: 不锈钢覆层的表面硬度逐步提高; 不稳定的三体层使得盘试样的表面变得粗糙; 硬度较高，尺寸较大的三体磨粒在受电靴销试样表面形成了稀疏的犁沟，由图 3 和图 5 可见，且随着销盘相对运动速度的提高，销试样表面的犁沟有所加宽。

 

      本研究试验了地铁钢铝复合轨不锈钢覆层与浸金属石墨受电靴摩擦磨损特性，结论如下。

      1) 摩擦副之间的载流摩擦因数随着速度的增大略有减小。

      2) 浸金属石墨受电靴的磨损率在磨损初期较大，而后降低并趋于稳定，随着相对运动速度的增大磨损率增大。

      3) 复合轨不锈钢覆层的硬度随着速度的增大略有增大，其磨损量随着速度的增大而增大，但其磨损比受电靴的小。

      4) 受电靴石墨材料具有的自润滑功能，改善了导电轨和受电靴之间的载流摩擦特性，有利于减轻磨损。

      对钢铝复合轨和受电靴在不同电流、载荷、电极性等多工况条件下的载流摩擦磨损特性开展综合研究，将具有重要的科学意义和工程价值。