载流摩擦磨损机理研究

发布时间：2020-08-21 07:28

【摘要】： 随着科学技术的进步,社会经济的发展,人类探索领域的不断扩大,遇到了众多特殊工况下的摩擦学问题,高速电气化铁路系统的受流是典型的载流条件下的特殊摩擦磨损问题,目前尚未见到地铁中使用的钢铝复合式第三轨和受电靴的载流摩擦磨损特性及机理的研究。本文通过对销-盘摩擦磨损试验机的夹具和控制部分进行改进,研制了载流摩擦磨损试验装置,并用其首次试验研究了地铁钢铝复合式第三轨与受电靴摩擦副之间的载流摩擦磨损特性。采用扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)、X射线衍射分析仪(XRD)、和表面轮廓台阶仪等微观手段,系统研究了电流、速度、极性、法向压力等对钢铝复合式第三轨与受电靴摩擦副之间的载流摩擦磨损特性,揭示了摩擦副的磨损机制;试验还在CETRUMT-2试验机上用自行设计的夹具,研究了支撑刚度对载流摩擦磨损特性的影响。研究得到的主要结论和结果如下: 1、随着电流和速度的增大,磨损体积损失相应增大;电流、法向压力和速度等的综合作用导致摩擦表面的温升,是影响载流摩擦副的摩擦磨损特性的重要因素,相应于温度增大,磨损体积损失增大;表面过渡层中的水膜电解出的氧离子导致受电靴材料的结合力削弱,表面逐渐疲劳而破坏,受电靴接正极时的磨损量略大于接负极时的磨损量;表面轮廓分析表明,钢铝复合轨的磨损量随着速度的增大略有增大,但磨损量比受电靴的销试样小得多,只在微米量级。随着电流的增大,摩擦系数出现较小范围内的波动,有先增大然后减小的趋势;随着速度的增大,摩擦系数减小;不同极性条件下摩擦系数都比较接近,受电靴接正极时的摩擦系数略微较接负极时大。 2、载流时摩擦系数随着法向压力的增大呈现出增大的趋势,而无电时摩擦系数随着法向压力的增大呈现出减小的趋势。载流磨损体积损失随着法向压力的增大均呈现出现先快速减小而后缓慢增大的“U”形变化趋势,发现存在一个最佳法向压力,此压力下的磨损体积损失最小,且随着速度的增大最佳法向压力相应增大。建立的磨损量-法向压力-速度三维关系模型(W-F-Vmodel)能与实际的试验结果较好的吻合,它对于载流摩擦磨损系统磨损的定量预测,对于最优磨损条件的确定等都具有积极的意义。地铁第三轨受流时,对应于一定的运行速度,最佳法向压力是最佳的工作压力,此时既能保证顺利受流,又能使得摩擦副材料总损失量较小,从而对确保行车安全,降低维护频率,节约地铁运行成本等都有一定的实用价值。 3、钢铝复合轨和受电靴的受电磨损机制主要是机械磨损和电气磨损,四种机械磨损机制分别为粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损和疲劳磨损。电气磨损和机械磨损相互加强,电弧烧蚀导致了比机械磨损大得多的磨损,磨损过程表现为多种机制综合作用的结果。 4、变支撑刚度试验结果表明:加载系统的支撑刚度对载流摩擦磨损有影响,不同的支撑刚度条件下,随着载荷降低,载荷的振幅均增大,且弹性加载的载荷振幅总体上小于刚性加载;对变形能的试验揭示了弹簧的摩擦耗能与变形能的比值越大,吸振能力越强,载流磨损量越小。实际载流工况中,采用合理的支撑刚度加载,能较好地降低载荷的振幅,减少电弧烧蚀,保证良好的受流。 5、基于摩擦学的三公理,建立了载流摩擦磨损系统构成图和系统过程图,以及载流摩擦磨损电传导电路模型,为载流摩擦磨损的研究奠定了分析基础,能较好的解释电因素对摩擦磨损的作用。研究结果在很大程度上丰富对载流摩擦磨损的研究,对接续的研究工作具有重要的意义。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH117.1
【图文】：

系统图,受流,弓网,系统图

和机动车数量的迅猛增长，乘坐地铁像巴黎人一样出行，方便、快捷和经济的交通已成为大城市市民的新梦想。图2一l弓网受流系统图2一2第三轨受流系统1563年地铁(Subway，Metro，Masstransitrailway，unde誉oundrailway)产生于英国伦敦，最初由蒸汽机驱动，1890年实现了电气化。中国最早的地铁是建设始于1965年北京地铁「64]，目前，已开始运营地铁的城市有北京，天津，上海，广州，深圳，武汉，南京，大连，重庆，香港，台北，高雄等12个城市共440公里，中国是人口大国，但是目前中国地铁的通车总里程还没有英国伦敦市一个城市多。随着近些年来中国经济的高速增长

受电,受流器,接触网

eontacts”tem)和接触轨(通常称第三轨— Thirdrail， Contaetrail，Conduetorrall，)两种形式[63]。架空式接触网主要用于电气化铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路和地铁(见图2一l)，第三轨式接触网(见图2一2)主要用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨 (lightrailtransit，LRT)。如图2一3所示，第三轨供电系统就是在列车行走的两条运行轨(Runningrail)以外，再加上第三轨 (Thirdrail， ConduetorRail， EleetrieRail)。第三轨通常设于其中一条运行轨的外侧或两运行轨之间，电动列车转向架伸出的受流器(见图2一4)通过集电靴(又称流靴

复合导电,导电轨

受电靴侧部接触受流(c)下部接触受流(d)图2一6接触轨的二种接触受流方式受电靴一一一一一一一一一 iii{{{八八八{八八八一一一甲一几厂{六厂叹}厂厂铆铆钉了 }}}一一一一一一 {{{{{不锈钢带铝本体图2一7钢铝复合导电轨图2一8钢铝复合轨结构和上接触式受电靴发达国家使用第三轨导电初期，采用的是低碳钢导电轨，我国早期的北京地铁、天津地铁也是采用的低碳钢导电轨(DU52型)，但是随着快速轨道交通的发展，工业技术的进步，工程人员对导电轨提出了更高的要求，他们一直在寻找低碳钢导电轨的一种新的替代材料以及新型结构，目的是增加导电轨的导电性、减少电流损耗和加大导电轨的一次输电距离、减少变电站的数量、减小机械磨损、降低电化学腐蚀、减轻导电轨重量、使搬运及装配更容易和较低的制造成本。通常一些金属材料如铝、铜等具有极好的导电性能，

【引证文献】