高速滑动电接触表面的温度测量

       在电系统工作中，都是将电信号通过元器件相互传导，而多个元器件之间表面接触并进行电信号传输的复杂电气状态，称之为电接触。而电接触学涉及到电气设计、机械制造、材料改进、环境优化、物理、化学分析等多个方面。我们不断将电接触学的概念和理论应用到电连接的可靠性问题研究方面，就形成了现代电接触理论。现代社会中，拖动系统、电力系统、自动控制系统等大型复杂电系统中，一般由电机、电器、控制器件、自动化仪表及计算机等组成，这其中包括了成千上万的电接触。在电流等流通时，周围环境往往察觉不到电接触间信号的传递、发生，但电接触元器件性能的优劣却与大型电气系统的正常运行息息相关，如果其中一个或者多个电接触元器件性能失效，轻者带来电力系统的大面积瘫痪，重者将会引起道路交通事故、飞机坠落等造成人员伤亡，其后果将会非常严重。为了保证电接触过程中导体接触表面电流的持续性，建立安全可靠的金属——金属接触，我们需要对滑动电接触过程中接触表面的复杂机械电气现象进行进一步的了解，对接触界面的一些基本现象，如接触电阻的变化、应力载荷、表面温度等进行实时监测，为研究合适的措施和手段以减小损伤，以达到提高电接触的运行可靠性以及摩擦副材料的工作寿命的最终目的，为社会创造更大经济利益提供技术依据。

      摩擦磨损是滑动电接触过程中的主要特征，分为机械摩擦磨损和电摩擦磨损两部分。在滑动电接触过程中，载流摩擦磨损即受流摩擦磨损，是一种在强电磁场等恶劣环境中进行滑动摩擦，其导件接触表面之间通过载流的特殊摩擦行为。载流摩擦磨损是机械摩擦系统与电接触系统二者耦合作用、相互影响之间的结果，一般是在高速、大载流条件下进行，其特征与普通的干摩擦所带来的磨损类似，但其现象较普通的滑动摩擦磨损更为明显。与传统仅仅单纯的机械摩擦副相比，载流下的摩擦副在高速滑动中明显多了一个电接触导流系统，摩擦副在高速滑动过程中机械接触摩擦与电接触摩擦耦合作用。由于在载流摩擦磨损过程中加入了载流，电场、电流以及电弧等的多因素作用都会对滑动摩擦副性能产生影响。在摩擦副高速滑动过程中，引起一些机械效应与热效应，包括机械摩擦热、接触电阻热以及电火花和电弧会给接触表面带来大量热量，改变接触表面状态和特征，进一步加剧载流摩擦磨损。

      在目前大型复杂电系统设备中，滑动电接触是其应用非常广泛的接触元件。尽管元器件的耗材很少，但非常重要。由于在设计中导体表面一般都是金属——金属接触，其中不乏贵重金属，故造价昂贵。在复杂电系统中，20A~250A是常用中小电流，400A及以上为强电流，而大载流滑动条件下，机械与电气耦合作用会严重加剧这些电接触元器件的磨损，直接造成设备维护维修成本提高。

       而滑动电接触导件的表面温度作为深入了解滑动电接触状态是否良好的重要参数，其接触表面瞬态高温会改变接触表面环境，烧蚀接触表面，加重器件摩擦磨损，所以对大载流下滑动电接触区域表面温度场的研究对研究降低接触面间的磨损、减小接触元件间磨损、延长其工作寿命有着重要的作用。

      大载流高速滑动电接触研究的主要背景是高速电气化铁路系统，例如地铁、城市轻轨、磁悬浮列车等城市轨道交通的电力传输系统工业使用的发电机航空航天领域火箭升空过程但当相对滑动速度达到km/s时甚至更高时，可应用于电磁发射中，导轨和电枢之间属于高速滑动电接触。

      而在我们日常生活中，最常见的滑动电接触是高速电气化铁路系统，铁路弓网系统中接触网导线与受电弓滑板之间的载流接触属于典型滑动电接触，目前的高速电气化机车系统所受载流一般在400A~850A左右。在整个弓网系统中，滑板与导线之间运行速度非常快，但其接触表面实际面积却非常小，在小接触面内传输大电流，载流通过接触面时会产生较高的接触电阻热，加上相对滑动产生的机械摩擦热以及接触表面中断形成的电弧热，三种热耦合作用使接触表面的温度快速上升，对接触区域产生严重的烧蚀等电气磨损，而随着滑动时间的不断增加，电烧蚀会造成滑板与导线接触区域之间坑洼不平，进而改变弓网系统的摩擦磨损性能及导电性能，从而影响电动机车的正常行驶以及使用寿命。

      在高速滑动电接触过程中，物体一般处于电磁场、温度场、应力场耦合的复杂环境，滑动电接触元件在机械、电气两方面上相互依赖、彼此制约、互相作用的。在滑动电接触过程中，接触表面会产生不同程度的温升，特别是在大载流、高速的情况下，滑动电接触表面温度会迅速升高，瞬态产生的高温不仅严重影响接触元件的导电性能，也严重腐蚀元件接触表面，导致金属合金接触表面耐磨损性能下降，可能引发意外事故，造成严重损失。因此，直接测量高速滑动电接触表面瞬态温度、进而分析温度对接触表面烧蚀、质量损失等方面带来的影响，为以后继续对大载流下高速滑动电接触表面的物理特性的深入研究提供重要依据。