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摘 要：振动是影响控制棒驱动机构电连接器滑动电接触稳定性的重要因素之一。本文选用黄铜合金与纯铜作为电接触的试验材料。对课题组自主研发的滑动电接触试验机上增加外激振动源进行不同振动幅值的滑动电接触试验。将试验数据结合超景深显微镜，扫描电镜和EDS进行磨损机理分析。研究表明：小载荷滑动电接触的跑合期内动态接触电阻较大，导电性能较差。稳定期内动态接触阻值降低，导电性能得到改善。在稳定期内接触电阻的标准差会随着振动幅值的增加而增加，导电稳定性降低。在稳定期内接触副之间的磨损形式主要以粘着磨损，磨痕表面存在有材料转移所形成的堆积。摩擦磨损过程中产生的氧化物会被推离界面，减少了氧化磨损对接触电阻的影响。
关键词：控制棒驱动机构;电接触;滑动磨损;外激振动;氧化磨损
一、引言
控制棒驱动机构（简称驱动机构）是反应堆控制和保护系统的伺服机构，它安装在反应堆压力容器顶盖上，能够按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动，保持控制棒组件在指令高度，断电释放控制棒组件，使其在重力作用下快速插入堆芯，完成反应堆的启动、调节功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能。驱动机构线圈组件通过电连接器与控制电柜插头相连，传输电流控制驱动机构完成上述动作。驱动机构在运行过程中，由于外部激励，会产生振动，导致电连接器与插头产生相对滑动，影响电流信号传输的稳定性。
滑动电接触是实现两个相对运动机构间电流、电信号传递的重要组件，例如电连接器、滑动电位计、电刷等，并被广泛应用于航空、军工设备中，如雷达、导航仪等。其结构特点为接触副载荷小，以保证接触福自由运动。滑动电接触结构要求其动态接触电阻能保持一个稳定且较低的水平，以保证传递稳定的电流或者电信号。但许多精密设备在使用过程中不可避免地受到振动的影响，造成电流或者电信号传输的稳定性下降甚至电接触失效。Keiji Mashimo仿真了电连接器在外部激励振动下电连接器的滑动模式的改变。Flowers等人针对汽车中的电连接器进行了不同振动频率和振动幅值的电接触实验。刘新龙针对振动对静态电接触结构引起的微动问题，探究了载荷、微动幅值、电流、温度、气氛与粗糙度等因素对接触阻值和界面磨损的影响。杨红娟对弓网载流滑动磨损的研究中发现随着试验时间的增加，滑板滑动和电弧放电均会逐渐加剧，并且就此分析了电弧放电量和滑板振动的相关性。丁涛，董霖等人通过配副刚度控制滑动载流摩擦副运行过程中的振动，进而研究配副接触状态对滑动载流摩擦副的性能影响。以往的研究中，存在以下的不足点：1）研究对象集中于外部激励振动对紧固的电接触结构进行分析，并且主要以由振动引起的相对微动幅值和频率作为影响因素。2）对于振动对滑动电接触影响的研究主要集中于接触副之间不稳定接触所引起的内部激励振动。鲜有针对外部激励振动对滑动电接触结构的性能的研究。
本文以滑动电接触结构在振动环境下为基础，通过实验研究，结合磨损形貌，EDS等系统分析了振动幅值对滑动电接触结构的性能影响以及其磨损机理。为日后提高振动环境中的滑动电接触性能打下理论依据和基础，促进电接触可靠性工程的研究。
二、实验细节
研究不同振动幅值对滑动触头的电接触性能的影响。本试验研究基于课题组自主研发的微载荷高频往复电接触试验机，在滑动模块上增加外部激励振动源来实现垂直接觸界面的运动。上述设备整体结构示意图如图1（a）所示。该设备能以高采样率实时采集载荷、摩擦力以及电阻值。
金属铜具有良好的导电性以及使用的广泛性。故本试验研究以黄铜丝（Cu，63.5%;Fe，0.01%;Pb，0.08%;P，0.015%;sn，0.005%;Zn，R.EM）与纯铜块（Cu，99.9%）分别作为上试样与下试样。其中黄铜丝的直径φ=lmm、弯曲直径d=5mm;纯铜块的尺寸为10×10×30mm。为使试验样品的初始条件一致，对于试样接触面均进行了抛光处理。
本试验根据ISO2631，设计5种不同的法向振动幅值（VibrationAmpltude=0mm（无振动）、0.5mm、1mm、1.5mm及2mm）。振动频率固定为5Hz。接触界面的滑动位移幅值固定为6mm，选取固定载荷水平200 mN，滑动频率定为4 Hz，恒定电流量为200 mA。对于接触电阻的测量方法如图1（b）所示。将滑动电接触结构与定值电阻按如图1（b）所示组成电阻系统，定值电阻值为10Ω。采用四线法对该电阻系统进行测量。
三、试验结果与讨论
（一）摩擦系数与电接触响应
不同振动幅值的摩擦系数变化曲线如图2（a）所示。摩擦系数曲线主要的趋势表现为“上升一下降一稳定”。摩擦磨损整体可分为两个阶段：跑合期和稳定磨损期。可以发现，无振动情况下，摩擦系数从实验初期便开始规律上升，无明显波动。在振动环境下，摩擦系数在上升阶段的变化不规律。但振动环境下的摩擦系数在稳定期的随着振动幅值增加而增加。这是由于加入振动后，滑动接触的稳定性降低，剪应力对接触微凸峰的破坏能力下降，破坏表面所需的摩擦力增加。
该实验的电阻变化趋势曲线如图2（b）所示，小于50mΩ的区域表示优良电阻阈值，50mΩ-1000 mΩ区域表示不良电阻阈值，大于1000 mΩ的区域为严重失效电阻阈值。开始实验前，静态接触电阻维持在10 mΩ左右。但随着实验的进行，接触电阻会立刻上升至一个较高的电阻值。这是由于接触副的相对滑动导致了其接触稳定性降低，接触副之间表面的微凸峰接触数量在滑动过程中减少且不稳定，实际接触面积减少。可以明显地发现，无振动情况下，电阻较快达到稳定期，且动态接触阻值恢复并维持在10mΩ左右，无明显的数值波动情况发生。在振动情况下，跑合阶段的整体接触阻值均高于无振动环境下的接触阻值。但可以发现，在试验的最终稳定阶段内，接触副的接触阻值均保持在10mΩ。说明在最终阶段，滑动与振动对接触电阻的影响降低。并且，接触副之间的磨粒等其他物质对接触电阻的不存在明显影响。 图3所示为不同循环次数与前19次循环内（共20次）电阻数据的波形示意图。本次试验采集卡所采用的采样率为1kHz，周期为4Hz，因此单次循环周期内的数据点数为250个，20次循环的总数据点数为5000个。
当循环次数为103次时，所有试验组20次循环周期内的电阻都处于较高的阈值内。因此，试验初期的电阻都处于较高的水平，试样之间的电接触性能较差。并且可以发现，随着振动幅值的增加，接触电阻的波动性也随之增大。当循环次数为104次时，因存在有一定工况未完成跑合，故无明显规律。当循环次数为3×104次时，可以观察到20次循环周期内的整体接触电阻值都在10mΩ，左右，属于接触性能良好的范围。但随着振动幅值的增加，在数据波形中开始出现阻值突升的数据点。虽然阻值突升的情况没有对稳定磨损期内的均值电阻产生较大影响，但振动的加入会影响稳定磨损期内电阻的稳定性，对电接触设备中电信号的传输稳定性产生影响。
图4（a）～（b）为COF与ECR达到稳定时间与波动期及稳定期的动态阻值标准差的统计图。从图4（a）可以明显观察到COF与ECR达到稳定的时间相近。说明实验过程中，当磨损形式产生变化时，也将影响电接触副之间动态阻值的变化，两者息息相关。图4（b）表明随着振动幅值的增加，EClK數据的标准差也随之增加。并且振动幅值2mm时，稳定期的接触电阻值标准差高达无振动时期的7～9倍。说明存在振动的情况下，接触电阻均值即使在同一水平，但其稳定性仍比无振动的情况较差。振动可能会造成接触副之间的完全离线或者不完全离线，导致电阻存在瞬间的激增，影响了电信号传递的稳定性。在对电信号传递有高要求的电子设备中，应做好相应的减振措施，减少振动对电信号稳定性的不良影响。
在本研究中，试验过程中所产生的焦耳热功率P主要有两部分产生。分别为触电的焦耳热平均功率Pe（单位时间内电阻所产生的的热量）和Pf（单位时间内摩擦产生的热量）。其中Pe与电阻、电流有关。根据经典的电功率公式所得，Pe可根据公式1计算：
因试验所采用的保护电路存在分流的情况，因此施加于接触副之间的电流I会在接触副电阻增大后一定降低。根据并联电路分流比例公式可得Pe的计算公式2
接触副在摩擦过程中会产生热量，同时在材料之间及材料与环境之间传递。但实际工程中难以对摩擦时所产生热量进行计算，因此假设接触副在往复摩擦过程中所做的功转化为热量。接触副之间的摩擦热功率Pf可用公式3计算：
图5所示为试验过程中的功率曲线图。通过图5（a）可发现，振动环境下的电热功率高于无振动环境中的电热功率。这是由于振动中电接触副之间接触不稳定导致了电阻的升高。对比图5（a）与（b）可发现，在试验初期的跑合阶段中，电热功率的整体数值高于同时期的摩擦热功率，并且也基本高于试验最终阶段的摩擦热功率。说明在试验初期的跑合过程中，电流对接触界面的热平衡影响占据了主要部分。因此，高电热功率导致了此时接触界面温度的升高，电接触材料表面更易被软化。软化的金属表面可更容易因摩擦而产生磨损。
通过图5（c）可知，在电接触副完成跑合磨损后，摩擦热功率占据了总热功率的主要部分。这是由于电接触副在试验最终阶段的导电性能良好，从而电热功率降低，对电接触副之间的热平衡影响降低。并且由于结束跑合后，接触副之间的摩擦力增加，由于摩擦力引起的摩擦热功率上升。因此可知，电热功率与摩擦热功率将会先后对电接触副之间的热平衡产生影响，电接触摩擦磨损中为持续不断有较高热功率产生的过程。
（二）磨损分析
图6（a）为3×104次滑动循环后，不同振动幅值的磨痕表面形貌200倍超景深光镜图，图6（b）为200倍光镜图中蓝色框线区域的800倍光镜图及其二维形貌。从图6（a）可以明显观察到由于电接触摩擦磨损过程中产生的氧化物滞留于磨痕表面，磨痕表面的整体颜色以黑色为主。通过图6（b）可以发现，磨痕存在一些金黄色的凸块，并且通过二维形貌数据可知金黄色凸块的高度明显高于暗色区域。因此，滑动电接触过程中，虽然有大量的氧化物产生，但实际上凸块将先于氧化物与上试样接触，这些凸块在电接触过程中将直接与上试样接触，形成“金属一金属一金属”三体接触。该种接触方式相较于“金属一氧化物一金属”的接触方式拥有更好的电接触性能，接触阻值大大降低。各种工况下，磨痕表面的磨损情况并没有明显的区别。说明试验所用振动幅值的改变对稳定磨损期内电接触式样表面磨损的影响无明显区别。
图7展示了1000次循环下试样表面的磨损光镜图。从图7（a）可以发现无振动情况下，1000次循环后，表面存在一定的犁沟和划痕。说明了无振动情况下，电接触副界面之间的接触稳定性较好。接触副之间存在稳定的咬合力度，接触界面的金属之间发生了严重的磨粒磨损，纯铜试样表面发生了塑性变形。图7（b）与（c）为1mm与2mm振动幅值下的磨损光镜图。可以发现，图7（b）与（c）中的磨痕深度较浅，无较深的犁沟存在，并且划痕中均匀地嵌有较多的黑色氧化物。说明此工况下铜试样表面的磨损较弱，振动一定程度上减少了跑合期的磨粒磨损。在图7（d）中可见到大量的黑色氧化物被堆积于磨痕端部。该现象说明了氧化磨损产生的氧化物会因往复运动而离开接触界面，并随着滑动而被推至磨痕端部。经过多次循环后，端部堆积有大量的氧化物颗粒。因为滑动摩擦过程中的这种自清洁作用，可有效地减少滞留于磨痕中的冗余物质。在电接触副的接触关系电路为若干个“金属一金属”低阻值电阻与“金属一氧化物一金属”高阻值电阻并串联，整体阻值较低。因此，磨损磨损过程中的氧化磨损对电阻影响被削弱，在试验最终阶段的电阻值都保持在良好的阈值范围内。
图8为磨痕表面的x射线能谱分析结果（EDS）及扫描电子显微镜图（SEM），图9为磨痕表面的元素成分分析结果统计图。其中图8（a）为磨痕表面EDS结果曲线图，图8（b）为EDS检测区域的电镜图，并且依次为未试验的表面及振动幅值为0-2mm的磨痕表面。通过图8（a）中的曲线及图9的元素成分比例统计图可以发现，未经过试验的试样初始表面基本无明显的氧元素，说明试样初始表面无明显的氧化物堆积，因此未开始试验时的初始电接触性能良好。经过实验后的磨痕表面的氧元素含量均有一定程度的增加。并且覆盖有来自于上试样中的锌（Zn）元素。该结果表明了试验中产生了一定的氧化磨损，磨痕表面的氧含量增加。但是，通过ECR.曲线已知在试验最终阶段，接触电阻值仍将恢复到良性接触阻值的范围内。因此可说明一定程度的氧化磨损并不会影响整体的接触阻值水平。可明显观察到，经过电摩擦试验后的磨痕表面，均分布有一定黏附层。该情况是由于粘着磨损导致了材料转移，上试样的材料经过磨损剥落后黏附于下试样磨痕表面，形成材料堆积层。 图10（a）为滑动电接触中，电接触结构的磨损对于动态接触电阻值影响的示意图。接触电阻值是由实际接触微凸峰数量所决定。在摩擦系数较小的时候，微凸峰不产生明显的弹性形变。且试验初期的接触副属于球与平面的点接触，静态电接触状态下的实际接触面积本就较小。开始滑动后接触微凸峰数量大量减少，实际接触面积减少。因此电接触阻值增大，且阻值波动性较大。随着实验进行，摩擦系数增大，上试样被磨损为平面。接触副逐渐变为平面与平面的面接触，名义接触面积增加，能同时接触到的微凸峰数量更多。且摩擦系数增大引起接触微凸峰的弹性变形增大。因此，接触副之间的实际接触面积增大，接触电阻不因滑动造成和个别微凸峰之间的接触不稳定而升高。滑动对电接触阻值的波动性影响降低。
图10（b）为氧化磨损与电阻的关系示意图。在试样未试验之前的静态接触方式为触点S-b。铜试样、膜电阻、黄铜试样三者形成“金属一膜电阻一金属”的串联电阻。该串联电阻三个部分的电阻值都很低，因此整体接触电阻同样很低，电接触性能良好。经过滑动磨损后的接触方式为触点S-a。氧化磨损所产生的绝缘氧化物滞留于磨痕的沟槽中，但氧化物并未致密地覆盖整个磨痕，仍存在有较大区域的金属堆积层。氧化物与凸块将分别与式样接触。该种接触方式可等效视为凸块与氧化物形成并联电阻。由并联关系可知，整体阻值不大于阻值最小的电阻。因此，滑动电接触过程中的氧化磨损不会对接触阻值产生明显的影响。
四、结论
本文中通过对微载荷高频往复电接触试验机上增加激励振动源的方法来研究电连接器滑动触头于振动环境下的电接触性能。本文根据试验机所获得的摩擦力和电阻值数据，结合磨痕形貌和成分分析，得出以下结论：
（一）滑动电接触的磨损过程主要分为两部分：跑合期和相对稳定期。跑合期的滑动接触电阻整体较高，且波动大。相对稳定期的滑动接触阻值与静态接触阻值接近，但其波动性随振动幅值的增加而增加，会出现瞬间开路失效。
（二）稳定磨损期的摩擦系數随着振动幅值的增加而增加，振动环境下产生黏着磨损所需的摩擦热功率越高，并且试验初期无振动工况的磨损更为明显。说明越高振动幅值工况下的接触副之间的磨损能力越弱。
（三）氧化磨损对稳定磨损期的整体接触电阻影响不明显。摩擦磨损过程中产生的氧化物会因往复运动而被排出界面，减少了氧化磨损对接触电阻的影响。
关键词：控制棒驱动机构;电接触;滑动磨损;外激振动;氧化磨损
一、引言
控制棒驱动机构（简称驱动机构）是反应堆控制和保护系统的伺服机构，它安装在反应堆压力容器顶盖上，能够按照指令带动控制棒组件在堆芯内上下运动，保持控制棒组件在指令高度，断电释放控制棒组件，使其在重力作用下快速插入堆芯，完成反应堆的启动、调节功率、保持功率、正常停堆和事故停堆等功能。驱动机构线圈组件通过电连接器与控制电柜插头相连，传输电流控制驱动机构完成上述动作。驱动机构在运行过程中，由于外部激励，会产生振动，导致电连接器与插头产生相对滑动，影响电流信号传输的稳定性。
滑动电接触是实现两个相对运动机构间电流、电信号传递的重要组件，例如电连接器、滑动电位计、电刷等，并被广泛应用于航空、军工设备中，如雷达、导航仪等。其结构特点为接触副载荷小，以保证接触福自由运动。滑动电接触结构要求其动态接触电阻能保持一个稳定且较低的水平，以保证传递稳定的电流或者电信号。但许多精密设备在使用过程中不可避免地受到振动的影响，造成电流或者电信号传输的稳定性下降甚至电接触失效。Keiji Mashimo仿真了电连接器在外部激励振动下电连接器的滑动模式的改变。Flowers等人针对汽车中的电连接器进行了不同振动频率和振动幅值的电接触实验。刘新龙针对振动对静态电接触结构引起的微动问题，探究了载荷、微动幅值、电流、温度、气氛与粗糙度等因素对接触阻值和界面磨损的影响。杨红娟对弓网载流滑动磨损的研究中发现随着试验时间的增加，滑板滑动和电弧放电均会逐渐加剧，并且就此分析了电弧放电量和滑板振动的相关性。丁涛，董霖等人通过配副刚度控制滑动载流摩擦副运行过程中的振动，进而研究配副接触状态对滑动载流摩擦副的性能影响。以往的研究中，存在以下的不足点：1）研究对象集中于外部激励振动对紧固的电接触结构进行分析，并且主要以由振动引起的相对微动幅值和频率作为影响因素。2）对于振动对滑动电接触影响的研究主要集中于接触副之间不稳定接触所引起的内部激励振动。鲜有针对外部激励振动对滑动电接触结构的性能的研究。
本文以滑动电接触结构在振动环境下为基础，通过实验研究，结合磨损形貌，EDS等系统分析了振动幅值对滑动电接触结构的性能影响以及其磨损机理。为日后提高振动环境中的滑动电接触性能打下理论依据和基础，促进电接触可靠性工程的研究。
二、实验细节
研究不同振动幅值对滑动触头的电接触性能的影响。本试验研究基于课题组自主研发的微载荷高频往复电接触试验机，在滑动模块上增加外部激励振动源来实现垂直接觸界面的运动。上述设备整体结构示意图如图1（a）所示。该设备能以高采样率实时采集载荷、摩擦力以及电阻值。
金属铜具有良好的导电性以及使用的广泛性。故本试验研究以黄铜丝（Cu，63.5%;Fe，0.01%;Pb，0.08%;P，0.015%;sn，0.005%;Zn，R.EM）与纯铜块（Cu，99.9%）分别作为上试样与下试样。其中黄铜丝的直径φ=lmm、弯曲直径d=5mm;纯铜块的尺寸为10×10×30mm。为使试验样品的初始条件一致，对于试样接触面均进行了抛光处理。
本试验根据ISO2631，设计5种不同的法向振动幅值（VibrationAmpltude=0mm（无振动）、0.5mm、1mm、1.5mm及2mm）。振动频率固定为5Hz。接触界面的滑动位移幅值固定为6mm，选取固定载荷水平200 mN，滑动频率定为4 Hz，恒定电流量为200 mA。对于接触电阻的测量方法如图1（b）所示。将滑动电接触结构与定值电阻按如图1（b）所示组成电阻系统，定值电阻值为10Ω。采用四线法对该电阻系统进行测量。
三、试验结果与讨论
（一）摩擦系数与电接触响应
不同振动幅值的摩擦系数变化曲线如图2（a）所示。摩擦系数曲线主要的趋势表现为“上升一下降一稳定”。摩擦磨损整体可分为两个阶段：跑合期和稳定磨损期。可以发现，无振动情况下，摩擦系数从实验初期便开始规律上升，无明显波动。在振动环境下，摩擦系数在上升阶段的变化不规律。但振动环境下的摩擦系数在稳定期的随着振动幅值增加而增加。这是由于加入振动后，滑动接触的稳定性降低，剪应力对接触微凸峰的破坏能力下降，破坏表面所需的摩擦力增加。
该实验的电阻变化趋势曲线如图2（b）所示，小于50mΩ的区域表示优良电阻阈值，50mΩ-1000 mΩ区域表示不良电阻阈值，大于1000 mΩ的区域为严重失效电阻阈值。开始实验前，静态接触电阻维持在10 mΩ左右。但随着实验的进行，接触电阻会立刻上升至一个较高的电阻值。这是由于接触副的相对滑动导致了其接触稳定性降低，接触副之间表面的微凸峰接触数量在滑动过程中减少且不稳定，实际接触面积减少。可以明显地发现，无振动情况下，电阻较快达到稳定期，且动态接触阻值恢复并维持在10mΩ左右，无明显的数值波动情况发生。在振动情况下，跑合阶段的整体接触阻值均高于无振动环境下的接触阻值。但可以发现，在试验的最终稳定阶段内，接触副的接触阻值均保持在10mΩ。说明在最终阶段，滑动与振动对接触电阻的影响降低。并且，接触副之间的磨粒等其他物质对接触电阻的不存在明显影响。 图3所示为不同循环次数与前19次循环内（共20次）电阻数据的波形示意图。本次试验采集卡所采用的采样率为1kHz，周期为4Hz，因此单次循环周期内的数据点数为250个，20次循环的总数据点数为5000个。
当循环次数为103次时，所有试验组20次循环周期内的电阻都处于较高的阈值内。因此，试验初期的电阻都处于较高的水平，试样之间的电接触性能较差。并且可以发现，随着振动幅值的增加，接触电阻的波动性也随之增大。当循环次数为104次时，因存在有一定工况未完成跑合，故无明显规律。当循环次数为3×104次时，可以观察到20次循环周期内的整体接触电阻值都在10mΩ，左右，属于接触性能良好的范围。但随着振动幅值的增加，在数据波形中开始出现阻值突升的数据点。虽然阻值突升的情况没有对稳定磨损期内的均值电阻产生较大影响，但振动的加入会影响稳定磨损期内电阻的稳定性，对电接触设备中电信号的传输稳定性产生影响。
图4（a）～（b）为COF与ECR达到稳定时间与波动期及稳定期的动态阻值标准差的统计图。从图4（a）可以明显观察到COF与ECR达到稳定的时间相近。说明实验过程中，当磨损形式产生变化时，也将影响电接触副之间动态阻值的变化，两者息息相关。图4（b）表明随着振动幅值的增加，EClK數据的标准差也随之增加。并且振动幅值2mm时，稳定期的接触电阻值标准差高达无振动时期的7～9倍。说明存在振动的情况下，接触电阻均值即使在同一水平，但其稳定性仍比无振动的情况较差。振动可能会造成接触副之间的完全离线或者不完全离线，导致电阻存在瞬间的激增，影响了电信号传递的稳定性。在对电信号传递有高要求的电子设备中，应做好相应的减振措施，减少振动对电信号稳定性的不良影响。
在本研究中，试验过程中所产生的焦耳热功率P主要有两部分产生。分别为触电的焦耳热平均功率Pe（单位时间内电阻所产生的的热量）和Pf（单位时间内摩擦产生的热量）。其中Pe与电阻、电流有关。根据经典的电功率公式所得，Pe可根据公式1计算：
因试验所采用的保护电路存在分流的情况，因此施加于接触副之间的电流I会在接触副电阻增大后一定降低。根据并联电路分流比例公式可得Pe的计算公式2
接触副在摩擦过程中会产生热量，同时在材料之间及材料与环境之间传递。但实际工程中难以对摩擦时所产生热量进行计算，因此假设接触副在往复摩擦过程中所做的功转化为热量。接触副之间的摩擦热功率Pf可用公式3计算：
图5所示为试验过程中的功率曲线图。通过图5（a）可发现，振动环境下的电热功率高于无振动环境中的电热功率。这是由于振动中电接触副之间接触不稳定导致了电阻的升高。对比图5（a）与（b）可发现，在试验初期的跑合阶段中，电热功率的整体数值高于同时期的摩擦热功率，并且也基本高于试验最终阶段的摩擦热功率。说明在试验初期的跑合过程中，电流对接触界面的热平衡影响占据了主要部分。因此，高电热功率导致了此时接触界面温度的升高，电接触材料表面更易被软化。软化的金属表面可更容易因摩擦而产生磨损。
通过图5（c）可知，在电接触副完成跑合磨损后，摩擦热功率占据了总热功率的主要部分。这是由于电接触副在试验最终阶段的导电性能良好，从而电热功率降低，对电接触副之间的热平衡影响降低。并且由于结束跑合后，接触副之间的摩擦力增加，由于摩擦力引起的摩擦热功率上升。因此可知，电热功率与摩擦热功率将会先后对电接触副之间的热平衡产生影响，电接触摩擦磨损中为持续不断有较高热功率产生的过程。
（二）磨损分析
图6（a）为3×104次滑动循环后，不同振动幅值的磨痕表面形貌200倍超景深光镜图，图6（b）为200倍光镜图中蓝色框线区域的800倍光镜图及其二维形貌。从图6（a）可以明显观察到由于电接触摩擦磨损过程中产生的氧化物滞留于磨痕表面，磨痕表面的整体颜色以黑色为主。通过图6（b）可以发现，磨痕存在一些金黄色的凸块，并且通过二维形貌数据可知金黄色凸块的高度明显高于暗色区域。因此，滑动电接触过程中，虽然有大量的氧化物产生，但实际上凸块将先于氧化物与上试样接触，这些凸块在电接触过程中将直接与上试样接触，形成“金属一金属一金属”三体接触。该种接触方式相较于“金属一氧化物一金属”的接触方式拥有更好的电接触性能，接触阻值大大降低。各种工况下，磨痕表面的磨损情况并没有明显的区别。说明试验所用振动幅值的改变对稳定磨损期内电接触式样表面磨损的影响无明显区别。
图7展示了1000次循环下试样表面的磨损光镜图。从图7（a）可以发现无振动情况下，1000次循环后，表面存在一定的犁沟和划痕。说明了无振动情况下，电接触副界面之间的接触稳定性较好。接触副之间存在稳定的咬合力度，接触界面的金属之间发生了严重的磨粒磨损，纯铜试样表面发生了塑性变形。图7（b）与（c）为1mm与2mm振动幅值下的磨损光镜图。可以发现，图7（b）与（c）中的磨痕深度较浅，无较深的犁沟存在，并且划痕中均匀地嵌有较多的黑色氧化物。说明此工况下铜试样表面的磨损较弱，振动一定程度上减少了跑合期的磨粒磨损。在图7（d）中可见到大量的黑色氧化物被堆积于磨痕端部。该现象说明了氧化磨损产生的氧化物会因往复运动而离开接触界面，并随着滑动而被推至磨痕端部。经过多次循环后，端部堆积有大量的氧化物颗粒。因为滑动摩擦过程中的这种自清洁作用，可有效地减少滞留于磨痕中的冗余物质。在电接触副的接触关系电路为若干个“金属一金属”低阻值电阻与“金属一氧化物一金属”高阻值电阻并串联，整体阻值较低。因此，磨损磨损过程中的氧化磨损对电阻影响被削弱，在试验最终阶段的电阻值都保持在良好的阈值范围内。
图8为磨痕表面的x射线能谱分析结果（EDS）及扫描电子显微镜图（SEM），图9为磨痕表面的元素成分分析结果统计图。其中图8（a）为磨痕表面EDS结果曲线图，图8（b）为EDS检测区域的电镜图，并且依次为未试验的表面及振动幅值为0-2mm的磨痕表面。通过图8（a）中的曲线及图9的元素成分比例统计图可以发现，未经过试验的试样初始表面基本无明显的氧元素，说明试样初始表面无明显的氧化物堆积，因此未开始试验时的初始电接触性能良好。经过实验后的磨痕表面的氧元素含量均有一定程度的增加。并且覆盖有来自于上试样中的锌（Zn）元素。该结果表明了试验中产生了一定的氧化磨损，磨痕表面的氧含量增加。但是，通过ECR.曲线已知在试验最终阶段，接触电阻值仍将恢复到良性接触阻值的范围内。因此可说明一定程度的氧化磨损并不会影响整体的接触阻值水平。可明显观察到，经过电摩擦试验后的磨痕表面，均分布有一定黏附层。该情况是由于粘着磨损导致了材料转移，上试样的材料经过磨损剥落后黏附于下试样磨痕表面，形成材料堆积层。 图10（a）为滑动电接触中，电接触结构的磨损对于动态接触电阻值影响的示意图。接触电阻值是由实际接触微凸峰数量所决定。在摩擦系数较小的时候，微凸峰不产生明显的弹性形变。且试验初期的接触副属于球与平面的点接触，静态电接触状态下的实际接触面积本就较小。开始滑动后接触微凸峰数量大量减少，实际接触面积减少。因此电接触阻值增大，且阻值波动性较大。随着实验进行，摩擦系数增大，上试样被磨损为平面。接触副逐渐变为平面与平面的面接触，名义接触面积增加，能同时接触到的微凸峰数量更多。且摩擦系数增大引起接触微凸峰的弹性变形增大。因此，接触副之间的实际接触面积增大，接触电阻不因滑动造成和个别微凸峰之间的接触不稳定而升高。滑动对电接触阻值的波动性影响降低。
图10（b）为氧化磨损与电阻的关系示意图。在试样未试验之前的静态接触方式为触点S-b。铜试样、膜电阻、黄铜试样三者形成“金属一膜电阻一金属”的串联电阻。该串联电阻三个部分的电阻值都很低，因此整体接触电阻同样很低，电接触性能良好。经过滑动磨损后的接触方式为触点S-a。氧化磨损所产生的绝缘氧化物滞留于磨痕的沟槽中，但氧化物并未致密地覆盖整个磨痕，仍存在有较大区域的金属堆积层。氧化物与凸块将分别与式样接触。该种接触方式可等效视为凸块与氧化物形成并联电阻。由并联关系可知，整体阻值不大于阻值最小的电阻。因此，滑动电接触过程中的氧化磨损不会对接触阻值产生明显的影响。
四、结论
本文中通过对微载荷高频往复电接触试验机上增加激励振动源的方法来研究电连接器滑动触头于振动环境下的电接触性能。本文根据试验机所获得的摩擦力和电阻值数据，结合磨痕形貌和成分分析，得出以下结论：
（一）滑动电接触的磨损过程主要分为两部分：跑合期和相对稳定期。跑合期的滑动接触电阻整体较高，且波动大。相对稳定期的滑动接触阻值与静态接触阻值接近，但其波动性随振动幅值的增加而增加，会出现瞬间开路失效。
（二）稳定磨损期的摩擦系數随着振动幅值的增加而增加，振动环境下产生黏着磨损所需的摩擦热功率越高，并且试验初期无振动工况的磨损更为明显。说明越高振动幅值工况下的接触副之间的磨损能力越弱。
（三）氧化磨损对稳定磨损期的整体接触电阻影响不明显。摩擦磨损过程中产生的氧化物会因往复运动而被排出界面，减少了氧化磨损对接触电阻的影响。