图1 弓网载流摩擦磨损试验台示意图
Fig.1 Diagram of the pantograph-catenary current-carrying friction and wear test bench
摘要 弓网接触副是高速列车获取能量的唯一路径，决定了列车能量传递的安全与稳定。弓网运行条件苛刻，需同时面对全天候复杂环境、高速滑动振动、大容量电能传输等挑战，接触副出现过度磨耗与异常磨损。现有的弓网磨耗调控措施往往仅提升机械电气某单一方面性能，而综合性能难以同时满足大容量和长时服役需求。考虑到磁场在调控接触界面氧化与磨粒分布等方面的效应，提出引入纵向磁场的弓网磨耗主动调控思路。该文通过改变磁场参数，研究了磁场强度与极性对弓网接触副载流摩擦磨损性能的影响。结果表明：纵向磁场可有效降低摩擦系数的数值及波动性，且在载流工况下效果更显著；随着磁感应强度的增加，摩擦系数先降低后上升，磨损量则持续降低；不同极性磁场均有减缓摩擦磨损的作用。研究结果对需调版解决弓网异常磨耗问题的主动调控方法，以及提升弓网运行的稳定性具有指导意义。
关键词：高速铁路 磁场优化 弓网系统 载流摩擦 抗磨减摩
截至2020年底，我国高速铁路运营总里程已达3.8万km，居世界第一。高铁已成为人民日常生活、国家经济发展中必不可少的一部分。高速列车通过车顶受电弓与接触网（简称弓网）之间的滑动电接触获取电能，弓网关系是高速铁路三大基础关系之一，决定了列车能量传递的安全与稳定。实际运行时，弓网接触副运行条件严苛，需同时面对全天候环境、高速滑动振动、大功率电能传输等挑战。车速和功率提升后，弓网机械电气耦合加剧，弓网磨耗加剧，甚至出现异常磨损，服役寿命受到严重影响[1-5]。目前，国内外针对弓网异常磨耗调控措施的研究主要集中在新型滑板材料研制和弓网机械匹配关系改善两方面。其中，前者往往仅提升机械电气某单一方面性能，综合性能难以同时兼顾大容量电能传输和长服役寿命的工程实际需求；后者则在本质上仍属于被动保护，通过优化接触载荷与材料配副降低弓网离线率，在一定程度上可改善特定线路的服役状况，而对不同工况线路的普适性仍需加强[6-9]。因此，有必要开拓思路，探索新型有效、便捷的弓网主动保护措施。
在传统机械摩擦系统中，已尝试引入磁场优化摩擦系统的服役水平。例如，在加工业中通过磁化线圈给切削刀具施加磁场以减少刀具磨损；在采矿业中将球磨机中的普通高锰钢衬板替换为磁性衬板，可延长核心部件使用寿命，减少维修与更换成本等[10-11]。Y. Iida等[12]指出磁场通过促进位错向表面的聚集，提升了接触表面的硬度，从而提高了刀具的耐磨性；K. Kumagai等[13-14]指出磁场将磨粒吸附到接触表面，避免了金属的直接接触和粘着磨损，从而降低了磨损量；K. J. Chin等[15-16]指出磁场能提升接触区域的氧压，促进表面和磨粒的氧化，从而实现摩擦磨损量的降低。但在载流接触副中，磁场对表面膜生成、磨粒分布等的作用，除了对摩擦磨损性能产生影响外，还会对电接触特性造成一定影响[17]。磁场对这两种影响的竞争关系尚无研究，相关机理尚不明确。综上所述，前期的研究主要集中于磁场对纯机械接触副摩擦磨损性能的影响，对于弓网系统这种载流滑动电接触副，磁场在其摩擦磨损过程中起的作用是值得研究的新问题。
本文搭建了弓网滑动电接触模拟实验平台，研究了外加磁场对载流摩擦磨损的影响作用。具体表现为通过改变磁感应强度、磁场极性，研究了不同参数对弓网接触副摩擦系数与磨损率、电接触特性、表面形貌及接触温升等的影响规律，并对磁场影响的机理进行了分析。研究结果可为优化弓网载流摩擦磨损、提升弓网运行的稳定性提供借鉴。
为更贴合铁路弓网接触副运行方式，本文采用自制的直线往复式载流摩擦磨损试验台，示意图如图1所示，具体接触形式如图2所示。
图1 弓网载流摩擦磨损试验台示意图
Fig.1 Diagram of the pantograph-catenary current-carrying friction and wear test bench
图2 弓网接触副及其接触区域示意图
Fig.2 Diagram of of the pantograph-catenary contact pairs and their contact area
试验设备主要有载流摩擦试验台、磁场施加装置、恒流电源和数据采集系统。铜接触线由线夹固定于两柱之间，滑板由夹具固定于接触线下方。接触线与滑台呈一定角度倾斜布置，以模拟实际铁路弓网的“之”字形运动。磁场施加装置安装于滑板下方，通过调节永磁铁与滑板间的距离，可提供0～0.15T的稳定磁场。在线性滑轨的带动下，滑板与接触线接触，并做往复直线运动。夹具下方安装两个力传感器分别测量运行过程中的切向载荷和法向载荷。传感器下方的气缸可提供20～200N连续可调的法向载荷。电源可提供0～300A连续可调的直流电。数据采集系统可实时采集切向载荷、法向载荷、电压和电流的数值。
试验所用摩擦副为实际铁路使用的纯铜接触线和纯碳滑板。其中，接触线中铜的质量分数为99.9%，杂质主要为O，选取长度为1m；滑板中碳的质量分数为99.8 %，杂质主要为O和S，试样规格为100mm×35mm×35mm。
试验前分别用300号和2000号的砂纸将滑板和接触线表面打磨平整。随后进行不同工况试验，试验条件见表1。用精度为0.1mg的电子天平测量试验前后滑板质量，计算磨损程度。由于接触线磨耗较小且不易拆卸，本次试验暂不考虑其磨耗。试验过程中，选取整个行程的一端作为拍摄角度，用三脚架固定手持式红外成像仪对接触区域进行拍摄，以表征滑板表面温度，其中红外设备测温量程为0～500℃，精度为±1℃，拍摄帧率设置为15帧/s。试验后用光学显微镜对滑板表面形貌进行观察，并利用X射线能谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）分析其表面成分。最后，通过算法对采集到的数据进行处理，得到各工况下平均摩擦系数与平均接触电阻。同时，为消除系统运行中产生的低频摩擦振动分量，在处理前先对采集到的数据进行中值滤波[18]。为减小误差，所得结果均为3次相同工况试验的平均值。
表1 试验条件
Tab.1 The test conditions
参数数值 磁感应强度/T0, 0.03, 0.06, 0.1, 0.15 磁场极性N极、S极 磁场方向纵向 电流/A0, 40 法向载荷/N90 速度/(m/s)1.5 运行时间/min60
定义磨损率w为
（1）
式中，m1为试验前滑板质量，mg；m2为试验后滑板质量，mg；S为相对滑动距离，km。
定义平均摩擦系数
为
（2）
式中，Fτi为动态切向力，N；Fni为动态法向力，N。
定义平均接触电阻R为
（3）
式中，Ui为接触副间动态电压，V；Ii为动态电流，A。
图3为不同工况下摩擦系数实时变化曲线及其平均值和标准差。图3a为无电流无外加磁场、无电流有外加磁场、有电流无外加磁场、有电流有外加磁场四种工况下摩擦系数随时间的实时变化曲线；图3b为各工况摩擦系数曲线对应的平均值和标准差。其中，标准差表征对应曲线的波动性。从图中可以看出，无电流无外加磁场工况下，摩擦系数在0.11～0.15之间变化，具有一定波动性。
图3 不同工况下摩擦系数实时变化曲线及其平均值和标准差
Fig.3 Variation of friction coefficient and its mean value and standard deviation under different working conditions
通入40A电流后，摩擦系数的波动性明显增大，在0.14～0.22之间变化。在起初的3min内，电流带来的温升软化了铜接触线，这使得相比于无电流工况摩擦系数略微降低[19]，如图3a初始阶段中局部放大部分。在之后的32min内，摩擦系数经历了两次明显增加。第一次发生在3min，摩擦系数由0.14提升至0.17，随后进入稳定波动阶段。此次摩擦系数提升的主要原因是，在载流摩擦副运行过程中，当接触状态变差，将在接触区域间隙产生电弧及电火花，其对碳滑板表面的烧蚀作用将使接触表面变粗糙，增加摩擦过程中的犁削分量及接触微凸体的变形分量，从而导致摩擦系数增加[20]。第二次发生在24min，摩擦系数由0.17增加至0.21，随后进入稳定波动阶段。摩擦系数再次提升的原因可能是电接触的实际接触面积极小，为离散的接触斑点[17]（见图2），而烧蚀造成的接触面变粗糙将进一步减小实际接触面积。当大电流通过这些小接触斑点时，会出现局部温度过高现象，如图4所示，接触区域出现了肉眼可见的红色高温斑点。利用红外成像仪可以测出，此时接触区域最高温度已经接近300℃。长时间的过高温度将弱化滑板的机械性能，引起开裂、掉块等现象，使得表面粗糙度进一步增加[21]，摩擦系数增大，且较第一次提升幅度更大。
图4 接触区域局部温度过高现象
Fig.4 Partially high temperature in the contact area
在载流工况下加入垂直于接触面、强度为0.1 T的稳恒磁场，摩擦系数明显减小，在0.12附近稳定波动。观察试验后接触表面，发现与无外加磁场工况相比，磁场工况下接触线表面的黑色碳转移层更加明显，而滑板表面铜转移量明显减少，且转移的铜由明显的亮黄色变为暗黑色。碳具有良好的自润滑性，碳转移量的增加促进了接触副间的润滑作用；氧化铜与碳之间的分子间作用力远小于铜与碳之间的分子间作用力，铜转移量的减少及其氧化程度的提升减缓了接触副间的粘着效应[22]，这两者的共同作用是导致摩擦系数及其波动性下降的主要原因。
为探究电流在磁场减摩中的作用，进行了无电流与有外加磁场的对照试验。该工况下摩擦系数在0.11～0.16之间变化，具有一定波动性。其摩擦系数的平均值及标准差与无电流、无外加磁场工况基本一致，表明磁场能否对弓网接触副起减摩作用与有无电流具有强相关性。
随后利用红外成像仪对实验后的滑板进行拍摄测温，结果如图5所示。其中，图5a为无电流、无外加磁场，白色虚线框内为滑板；图5b为有电流、无外加磁场；图5c为有电流、有外加磁场。无电流、无磁场工况的平均温度为20.4℃。此时滑板热量仅由机械摩擦产生，与室温相差不大。电流引入后，平均温度为46.5℃，较无载流工况提升近1倍。此时滑板热量为摩擦热、焦耳热和电弧热三者的叠加[23]。加入0.1T磁场后，平均温度为51.5℃，相较无磁场载流工况提升近10%，表明外加磁场对温度提升具有一定促进作用。温升增加的主要原因有两方面：一方面，磁场促进了氧化膜的生成，而铜氧化物的电阻率远大于金属铜[17]，使得接触电阻提升，增加了温升中焦耳热部分；另一方面，接触区域的磁感应强度分布并不均匀，其中微凸峰接触区的磁感应强度较大，而未接触区的磁感应强度较小。在接触线相对于滑板运动时，接触线表面微凸峰区域产生了一定频率的动态磁化现象。根据法拉第电磁感应定律，接触线内会产生感应电流[11,24]，这将进一步提升滑板表面温升。对比图5c与图5a、图5b可以发现，外加磁场后，滑板表面温度分布的不均匀程度增加。这可能是因为氧化膜在载流摩擦中处于“生成—破裂—再生成”的动态过程，使得滑板表面并未被氧化膜完全覆盖，故焦耳热分布不均匀。同时，动态磁化产生的感应电流并非均匀分布，也增加了表面温升分布的不均匀程度。结合以上不同工况下滑板表面红外分析，可以得出电流与减摩作用具有强相关性的原因是金属铜的氧化对温度很敏感，无载流工况下过低的温度会严重限制铜接触线表面及铜磨粒的氧化速率，从而抑制了磁场的减摩作用。
图5 不同工况下滑板表面温度
Fig.5 Surface temperature of strip under different working conditions
为了进一步探究磁场对摩擦磨损性能的影响机理，开展了不同磁感应强度的试验，摩擦磨损性能随磁感应强度变化如图6所示。
图6 摩擦磨损性能随磁感应强度变化
Fig.6 Variation of friction and wear performance with magnetic induction intensity
由图6可以看出，随着磁感应强度的增加，磨损率不断降低，且下降速率先加快后减缓。这一趋势可以利用磁场对界面氧化、磨粒分布和位错移动的影响进行解释。首先，大气中氧气具有良好的顺磁性，氮气等其余气体则具有抗磁性[13]。外加磁场将氧气聚集于磁感应强度较高的微凸峰接触区，提升了该区域氧气浓度[11]。同时，外加磁场能促进接触线内部铜离子的扩散速率，降低铜表面的氧化激活能，从而促进氧化膜的形成。氧化膜在高温、重载等极端环境下具有降低摩擦磨损的作用[25]。主要表现为，氧化膜隔离了实际接触，降低了粘着效应；氧化膜可以抑制铜材料的转移，防止磨粒堆积变大，减缓了磨粒磨损；氧化膜可以固定碳原子，促进碳聚集于接触线表面，形成致密稳定的碳保护层。这也是接触线表面碳转移增加，滑板表面铜转移减少且颜色由亮变暗的原因。其次，在载流工况下，接触副摩擦产生的铜磨粒带电。在磁场中可以将它简化为一段通电导线，将受到电动力作用[26]。通过左手定则可以判断出，磨粒所受的电动力是向着远离接触区的方向。这使得磨粒能及时排出接触区域，减缓了磨粒磨损。最后，外加磁场的引入会改变金属材料内部的内应力，使位错增加并聚集于表面。当磁感应强度过大时，位错向表面移动，逐渐聚集形成微裂纹，增加了铜接触线表面的粗糙程度，阻碍了磁场的减磨作用。因此，随着磁感应强度增加，磁场的减磨效果趋于稳定。
与磨损率不同，随着磁感应强度的增加，摩擦系数呈“V”形变化。初始阶段摩擦系数缓慢下降，在0.1T达到最小值0.136 1后，迅速上升。摩擦系数的转折现象可以通过竞争机制进行解释。一方面，前文提出的磁场促进氧化膜生成和磁场降低接触面间磨粒数量，减缓了粘着效应和磨粒磨损，起到了减摩作用。另一方面，过高的磁感应强度促进了接触线表面微裂纹的形成，提升了铜的表面粗糙度，使得接触斑点数量和实际接触面积增加，起到了加剧摩擦的作用。由于电流的软化效应可以减缓磁化表面微裂纹的形成，故磁感应强度较小时减摩的作用在竞争中占据主导地位；当磁感应强度大于0.1T后，磁化表面微裂纹对加剧表面粗糙度的影响逐渐不可忽视，即加剧摩擦的作用在竞争中开始占据主导地位。最终形成了摩擦系数的转折现象。
接触副摩擦磨损性能随磁场极性的变化如图7所示，可以看出0.1T的N极、S极磁场均起到了减缓摩擦、降低磨损的作用，而不同磁场极性的降低程度基本相同。磁场对表面氧化的影响只取决于磁感应强度的大小，与磁场极性没有直接关系。而铜磨粒在磁场中受到的电动力与磁场极性直接相关。通过左手定则可以判断出，虽然不同磁场极性下磨粒所受的电动力方向相反，但都是向着远离接触区的方向，对摩擦磨损均起到抑制作用。因此不同磁场极性对摩擦系数和磨损率的降低效果差异不大。
由前文可知，磁场对氧化膜生成、材料转移及磨粒分布会产生作用，这势必也会对弓网接触状态产生一定影响[27-28]。为衡量磁场调控方法的可行性，应对外加磁场后接触副间电接触特性进行评估。接触电阻是弓网电接触性能最关键的表征参数，其大小可以衡量弓网间接触状态是否良好[29-31]。
图7 不同磁场极性下摩擦磨损性能变化
Fig.7 Variation of the friction and wear performance with magnetic field polarity
进行载流无外加磁场、载流N极磁场（0.1T）和载流S极磁场（0.1T）三种工况试验，处理得到接触电阻分别为29.56mΩ、31.02mΩ和30.23mΩ，这表明引入外加磁场后，接触电阻略微增加。主要原因是磁场促进了接触表面氧化膜的生成，使得膜电阻增加，而膜电阻是接触电阻的重要组成部分之一。同时，与2.3节类似，不同磁场极性下电接触性能变化差异不大。对比2.2节，0.1T的外加磁场可使摩擦系数和磨损率分别降低29.62%和52.33%，而接触电阻增加不超过5%，表明磁场调控方法具有可行性。
不同工况（无电流、无外加磁场；有电流、无外加磁场；有电流、S极磁场；有电流、N极磁场）下滑板表面形貌及成分如图8所示。其中，图8a～图8d为相机拍摄的滑板宏观表面，可以看出无电流、无外加磁场时，滑板表面主要是机械摩擦产生的划痕，存在明显的铜材料转移现象。在引入40A电流后，滑板表面铜转移量明显增加，且出现了电弧烧蚀痕迹。烧蚀将增加滑板的磨损率，同时提升表面粗糙度。而大量的铜转移，使得原本的碳-铜接触部分转变为铜-铜接触，加剧了接触副间的粘着效应。在载流情况下引入0.1T磁场后，滑板表面的铜转移量明显减少，且转移的铜由无磁场的亮黄色转变为暗黑色。图8e、图8f为光学显微镜拍摄的滑板微观表面，具体位置分别为图8b、图8d中的区域A和B，可以看出在无外加磁场载流工况下，滑板表面损伤严重，存在明显的烧蚀坑和铜转移。而加入磁场后，表面较为平整，铜转移量减少。随后选
取有电流、无外加磁场和有电流、有外加磁场工况下，滑板表面有铜转移的摩擦区域进行EDS分析，结果如图8g、图8h所示，可以看出不管是否加磁场，滑板表面均含有C、O、S、Cu元素。而外加磁场后，显示出更高的碳峰、氧峰及更低的铜峰，其中氧的质量百分比提升2.83倍。这与滑板表面观察到的宏观变化一致，表明在载流工况下外加磁场使碳滑板表面氧化磨损占比增加，促进了严重磨损向轻微磨损的转变。主要原因是相对于原本存在的电气烧蚀、粘着磨损、磨粒磨损三种损伤形式，氧化磨损对接触表面的伤害程度更低[21-22,25]。
图8 不同工况下表面形貌及成分变化
Fig.8 Surfaces morphology and component of strip under different working conditions
1）对弓网滑动电接触系统引入纵向磁场可有效降低接触副的摩擦系数及其波动；虽然滑板整体温升略有增大，但是受电弓滑板的载流摩擦磨损状态显著改善，因此磁场可作为一种有效延长滑板使用寿命的主动控制方法。
2）引入的磁感应强度在0～0.15T范围内变化时，摩擦系数先下降后上升，在0.1T达到最小值0.136 1；受电弓滑板的磨损率则持续降低，在0.15T时减磨效果可达到78.9 %。
3）不同极性的磁场均有降低摩擦磨损的作用，且两种极性下减磨效果差异不大。
4）接触表面微观分析表明，在载流工况下外加磁场后，氧化磨损与电气磨损等综合作用下的接触表面的磨损状况得到改善。
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Abstract The C-Cu contacts in the pantograph-contact line systems are the only way for the train to obtain energy, which determines the safety and stability of energy transfer. The operating conditions of the pantograph and catenary are harsh, because they are necessary to face the challenges of all-weather complicated environment, high-speed sliding vibration, and large-capacity power transmission. This leads to excessive and abnormal wear. The existing wear control measures of the C-Cu contacts only improve a single aspect of mechanical or electrical performance. However, the comprehensive performance is difficult to meet the requirements of large capacity and long-term service simultaneously. Considering the effects of the magnetic field in regulating the oxidation of the contact interface and the abrasive particle distribution, a new idea of active control of the wear loss between the C-Cu contact interface with the axial magnetic field was proposed.
A linear reciprocating current-carrying friction test bench is built to simulate the operation mode of the high-speed railway pantograph-contact line system. The influence of magnetic field intensity and polarity on the current-carrying friction and wear performance of the C-Cu contacts is studied by changing the magnetic field parameters.
The results show: (1) When the strength of the magnetic fields changes in the range of 0～0.15 T, the wear amount of the carbon strip decreases continuously, and the antiwear effect can reach 78.9% at 0.15 T. The friction coefficient decreases and then increases, reaching the minimum value of 0.136 1 at 0.1 T. The changing trend of wear amount can be explained by the influence of the magnetic field on interface oxidation, wear particle distribution, and dislocation movement. The effect of magnetic field on friction has two sides. Under certain conditions, it can slow down friction, while under other conditions, it can promote friction. The mutual competition between them forms the turning phenomenon of friction coefficient. (2) The antifriction effect of magnetic field is more significant under current-carrying conditions. This is mainly because the low-temperature environment without current inhibits the oxidation of the metal-copper interface. (3) Different magnetic field polarities all have the effect of reducing friction and wear. And there is no significant difference between the two polarities. (4) The microscopic analysis of the contact surface shows that the proportion of oxidation wear increases after applying the axial magnetic field under current-carrying conditions, which promotes the transition from severe wear to slight wear. (5) Introducing the axial magnetic field into the C-Cu sliding electric contact system can effectively reduce the friction coefficient and wear amount. Although the overall temperature rise and contact resistance of the carbon strip are slightly increased, the current-carrying friction and wear state is significantly improved. Therefore, the magnetic field can be used as an active control method to prolong the service life of the carbon strip.
The research results have a guiding significance for developing new active control methods of abnormal wear and improving the stability of the pantograph-contact line systems.
Keywords：High-speed railway, magnetic field optimization, pantograph-catenary system, current-carrying friction, anti-wear and friction-reducing
国家自然科学基金资助项目（51837009，52077182, 51807167）。
收稿日期 2021-06-01
改稿日期 2021-07-29
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210795
中图分类号：U225
何志江 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：hezhijiang2009@163.com
杨泽锋 男，1989年生，讲师，硕士生导师，研究方向为弓网电弧与电接触。E-mail：yangzefeng@foxmail.com（通信作者）
（编辑 赫蕾）