原文信息：
SHEN MingXue*, JI DeHui, HU Qiang, XIAO Li & LI QiuPing. Current-carrying tribological behavior of C/Cu contact pairs in extreme temperature and humidity environments for railway catenary systems. Science China Technological Sciences, 2024, 67(8): 2537–2548, https://doi.org/10.1007/s11431-024-2688-7
内容介绍
近期，华东交通大学沈明学教授团队在Science China Technological Sciences上发表题为“Current-carrying tribological behavior of C/Cu contact pairs in extreme temperature and humidity environments for railway catenary systems”（铁路弓网系统C/Cu接触副在极端温湿度环境下的载流摩擦学行为）的研究论文，报道了温度、湿度、电流以及交变条件下弓网系统C/Cu载流接触副摩擦系数、接触电阻等的演变规律，讨论了三种参数影响下接触副的摩擦学行为和载流特性的差异。
载流摩擦副因可传输信号和电力而广泛应用于电力机车、电磁轨道炮、工业发电机、电动机等领域。随着工作条件的逐渐恶化，现有的技术手段已难以满足苛刻的运维要求。载流摩擦副的接触状态受环境和操作条件的影响很大，许多接触副如弓网系统长期在开放的环境中运行服役，易受到外界因素的强烈干扰。特别是列车经历长隧道、大温差的高寒铁路时，弓网系统常会遭受温湿度的交替变化，而呈现出季节性的异常磨损。环境温湿度导致的接触表面形成的水、霜、冰等均会改变摩擦副的接触表面，间接地触发氧化反应或是电弧烧蚀等现象，使得摩擦副发生严重磨损（包括机械磨损和电气磨损），同时会恶化系统的受流质量。从另一角度来说，任何影响摩擦热产生、传递与耗散以及摩擦表面膜、表面轮廓属性的因素都对系统的摩擦学特性起着决定性作用。而环境温度、湿度以及电流变化均是摩擦热以及表面膜发生变化所需关注的外界条件。然而，温、湿度的变化对载流接触副材料的磨损影响鲜有报道，这限制了对极端环境下载流系统磨损失效机理的认识。因此，研究温/湿度对接触副的载流摩擦学行为的影响具有十分重要的现实意义。
该工作取样于弓网系统现役碳滑板材料，以C/Cu 为研究对象，利用环境可控载流摩擦磨损试验台考察了温度、湿度、电流以及在交变工况下的摩擦系数、接触电阻的演变规律，并且通过分析各恒定参数下的磨损率以及磨损表面微观形貌等的变化，研究了环境温/湿度以及电流对C/Cu接触副在载流摩擦学性能上形成的差异，旨在为温湿度环境多变的载流系统磨损机理提供理论支撑。
图1 温湿度可控载流摩擦试验台示意图. (a) 试验台; (b) 载流电路; (c) 制冷模块
表1 试验参数
研究结果表明：温度、湿度、电流参数对C/Cu载流接触副的摩擦磨损行为性能有显著影响，形成的表面状态是应用条件的直接结果，并可支撑所观察到的磨损指标等变化行为。温度的降低显著提高了接触副的摩擦系数，广泛增加了碳的磨损和铜表面的粗糙度。材料表面的氧化在低温下被减缓。由于接触面积和氧化膜的耦合效应，接触电阻并未随温度的降低而持续增加。室温下的湿度变化对接触副的摩擦系数和接触电阻的影响小于温度变化的影响，干燥的环境使碳材料表面易于氧化和开裂，而高湿度会导致磨损增大和电弧的产生。高电流条件通常会恶化C/Cu接触副的摩擦学性能。当不施加电流时，摩擦系数非常高，并且有较多的铜材料转移。在高电流下，铜软化后易于被碳的微凸体和磨料颗粒犁削，导致摩擦系数降低。
图2 不同温、湿度和电流下C/Cu摩擦副的摩擦系数、接触电阻等摩擦磨损性能指标
