Page 129 - 《摩擦学学报》2021年第1期

126 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

delamination, abrasive wear and oxidation wear.
Key words: fretting wear; Cu-Mg alloy; displacement amplitude; plastic deformation; fatigue delamination

微动是由于机械振动、循环载荷、电磁冲击和热 为了模拟接触网整体吊弦在紧固区域绞线内部之间
循环等在接触表面之间发生小振幅相对运动引起的 [1-2] . 的微动磨损行为，对偶试样选取相同材料的CuMg0.4
微动可以造成接触表面摩擦磨损，引起构件咬合、松 合金，并将其加工成直径10 mm 的球体，表面粗糙度
动或形成污染源；同时也可能加速裂纹的萌生、扩展， 小于0.02 μm. 所有试验样品在试验前用无水乙醇超声
使构件的疲劳寿命大大降低 [3-6] . 微动损伤普遍存在于 清洗15 min，去除材料表面油脂及污染物，然后放置
机械行业、航空航天器和铁路运输等领域中，是其关 干燥箱中存储备用.
键部件失效的主要原因之一 [7-9] . 高速铁路(以下简称
高铁)已成为当今轨道交通发展的重要方向，吊弦作 表 1 铜镁合金化学成分含量表(质量分数)
为高铁接触网系统的“支架”，是确保弓网关系的安全 Table 1 Chemical composition of CuMg0.4 alloy
(weight fraction)
性和良好受流质量的关键部件 [10-11] . 长期在张紧状态
w(Mg)/% w(Fe)/% w(Ni)/% w(Mn)/% w(Sn)/% w(Cu)/%
下承受频繁的振动和冲击，吊弦断裂失效问题日益突
0.4 0.003 0.003 0.005 0.029 Margin
[12]
出. 刘曦阳等 对现场断裂吊弦进行了失效分析，在
吊弦钳压管紧固部位发现了大量微动磨损的痕迹，确 1.2 试验方法
定了微动磨损是整体吊弦断裂失效的主要原因之一. 采用球/平面接触方式，在研制的微动试验机(型
铜镁合金具有较高的机械强度和良好的导电性，已广 号为MFC-01)上进行微动磨损试验，试验机结构示意
泛用于高铁接触线和整体吊弦的制备材料 [13-14] . 目前 图如图1所示. 切向位移由压电陶瓷驱动器控制输出，
针对铜镁合金的研究主要集中在加工工艺和组织性 通过连杆及上夹具带动上试样往复运动，位移范围为
能(力学性能和电学性能)方面 [15-19] ，对于铜镁合金的 0~180 μm，位移信号由压电陶瓷驱动器内置位移传感
磨损问题，尤其是微动损伤问题研究甚少. 魏超等 [20] 器检测；法向载荷通过直线滑台向下运动压缩弹簧施
进行了铜镁合金弯曲微动疲劳试验，建立了其疲劳寿 加在样品上，并由弹簧顶端的压力传感器测得；下样
[21]
命S-N曲线. 薛博凯等 研究了载流条件对铜镁合金 品安装在下夹具上，整个下样品台被固定在高精度直
的弯曲微动疲劳的影响，发现载流会降低铜镁合金的 线导轨上，摩擦力传感器安装在导轨板和底座之间，
微动疲劳寿命. 微动磨损造成的表面损伤，是导致零 用于测定微动试验过程中的动态摩擦力.
[22]
部件疲劳断裂的重要原因之一 ，但目前的研究侧重 微动试验在常温大气环境下进行，环境温度为
在微动疲劳方面，还未系统开展铜镁合金微动磨损方 20~25 ℃，相对湿度为50%~60%，试验参数设置如下：
面的研究. 法向载荷F 为60 N；位移幅值D为2.5、5、10、20、40、
n
本文作者开展了铜镁合金的微动磨损试验，研究 60和80 μm；循环次数N为3×10 次，运动频率为f为5 Hz.
4
铜镁合金在不同位移幅值下的微动磨损特性，着重分 为了保证试验数据的可靠性，每个条件下的试验重复
析其随位移幅值的损伤演化过程. 研究成果为改善铜 3次. 摩擦系数被定义为接触界面的切向力(传感器直
镁合金材料磨损问题提供基础理论及试验数据，对保 接测得)与恒定法向载荷的比值(k=F /F ). 平均摩擦系
t n
障我国高速铁路安全运营具有重要意义. 数取整个微动过程中瞬态摩擦系数的统计平均值；磨
损体积利用三维形貌仪配套软件(Vision 64)计算得出.
1 试验部分
试验完成后，用光学显微镜(OM，MV 3000)以及扫描
1.1 试验材料 电子显微镜(SEM，Quanta 2000)对磨痕形貌及损伤机
试验原材料选用目前高铁接触网整体吊弦常用 制进行分析，并结合EDX能谱仪(EDAX-7 760/68M)对
材料，牌号为JTMH(CuMg0.4)的铜镁合金，测得σ = 磨损区域进行能谱分析. 利用三维形貌仪(Contour GT)
0.2
263 MPa，σ =273 MPa，化学成分列于表1中. 将原材料 测定磨痕三维形貌及磨损体积.
b
加工成尺寸为10 mm×10 mm×3 mm的平面试样，选取
2 结果与讨论
10 mm×10 mm表面作为微动磨损试验表面，并依次用
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800 、1 000 、1 500 、2 000 、3 000 水砂纸逐级研磨后 2.1 微动运行状态
用Al O 抛光粉抛光至表面粗糙度R 为0.01~0.02 μm. 图2给出了铜镁合金在恒定法向载荷60 N，不同
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