表面织构对滑动电接触界面摩擦学行为的影响

目的利用表面织构减摩抗磨的优良特性,将其应用于电接触摩擦表面,探讨它对滑动电接触界面摩擦磨损及电接触可靠性的影响。方法利用激光系统制备2种织构,即方坑型表面织构(SPT)和沟槽型表面织构(GT),并与光滑表面的载流摩擦学信号进行对比分析。利用ABAQUS模拟试验,分析界面接触应力、电压和位移的变化特性。结果随着试验的进行,GT表面的摩擦因数逐渐增大,并与光滑表面达到同一水平(0.7),SPT表面的摩擦因数在整个试验过程中始终较低(0.4)。光滑表面在电接触过程中发生了多频振动现象,2种织构表面的振动信号非常微弱,尤其是SPT表面,仅出现了100 Hz的振动频率。光滑表面和GT表面出现较严重的磨损现象,而SPT表面磨损轻微。有限元分析结果表明,表面织构的存在能够避免应力集中现象,GT表面的应力较大(90MPa),且始终分布在沟槽棱边。结论在电接触状态下,2种织构表面均能不同程度地降低界面的摩擦因数和摩擦力,其中SPT表面的减摩降磨效果最显著。GT表面沟槽棱边的损伤和磨屑堆积是导致其逐渐失去减摩效果的主要原因。模拟分析结果证实,SPT表面织构的存在能避免应力集中,有利于改善磨损和降低振动强度。虽然GT表面的最大应力分布也具有时变特征,但是其值较大,且分布在沟槽棱边,导致沟槽织构的减摩效果逐渐减弱。

大电流高速滑动电接触界面热量分配过程

大电流高速滑动电接触环境下,多次发射后轨道表面出现铝沉积现象。电枢与铝沉积层在界面热源作用下发生熔化磨损会改变接触状态,严重影响滑动电接触性能。界面热源在电枢和沉积层轨道间的热分配特性是研究界面材料熔化磨损的基础,因此有必要对滑动电接触界面热量分配过程进行研究。该文首先建立了电枢和沉积层轨道热传递模型,获得了电枢和沉积层轨道温度分布方程。根据界面温度连续性,推导热分配控制方程,应用最小二乘估计法优化误差函数,提出了基于最小二乘估计法的界面热分配数值计算模型。基于热分配数值计算模型,研究分析了材料热参数、速度对热分配特性的影响规律,结果表明:材料热参数影响热分配曲线的初始值,速度影响热分配曲线的衰减速率,速度越大热分配随时间衰减越快。最后,通过理论分析探讨了枢轨界面热分配过程的物理机制,理论分析结果与数值计算结果一致。研究成果可以为界面热过程提供更加深入的理解,为界面材料熔化磨损特性的研究提供技术支持。

滑动电接触界面沉积层对电枢熔化的抑制效应研究

维持良好的滑动电接触性能是实现电磁轨道发射高频率和高效率工作的重要保证。重复发射时,轨道表面沉积层影响电枢表面熔化特性,进而改变接触状态,从而影响滑动电接触性能,因此有必要对沉积层作用下的电枢熔化特性进行分析。首先,通过分析沉积层受热过程,建立了沉积层熔化判断模型,并提出沉积层熔化判断条件;其次,基于沉积层熔化特性,建立了沉积层作用下的电枢熔化磨损计算模型,分析不同电流条件下沉积层熔化特性发现,载流量越大,沉积层熔化范围越大,并且启动低速阶段沉积层能够发生熔化,高速阶段沉积层不容易发生熔化;最后,开展重复发射试验,通过理论分析结合试验验证对电枢熔化的抑制特性进行研究。结果表明:沉积层厚度随着发射次数逐渐增加,沉积层全部熔化状态下,电枢最大熔化深度随发射次数呈逐渐减小的趋势。模型计算结果与试验测量结果变化趋势相同,说明沉积层熔化对电枢熔化有抑制效应。该文所建立模型及分析结果对深入理解重复发射时枢轨界面熔化磨损机理、提高滑动电接触性能具有重要意义。

电磁发射中铝电枢与不同材料导轨间的滑动电接触特性

电磁轨道发射中,电枢与导轨间的滑动电接触状况直接影响发射效果和身管寿命。为此对发射过程中滑动电接触特性开展了研究,探寻改善电枢与导轨接触界面接触状态的方法。在充电电压和放电时序相同的条件下,将铝电枢分别在T2紫铜、H62黄铜、6061铝合金3种材料导轨上进行发射试验,测量炮口电压和电枢电流并进行分析,得到不同接触材料间的接触电阻曲线。通过对比分析曲线,得到电枢与不同材料导轨间的接触状况及转捩规律。结果表明:在上述3种试验条件下,所有接触电阻曲线具有相似的变化趋势和转捩特点,而且铝电枢与铝导轨间的电接触性能最佳,接触电阻最小且发射后的导轨表面状态最好。根据转捩经常发生于电流下降至峰值电流80%～90%的时刻的特点,采用提高驱动电流的大小,使电枢在此之前出膛的方法,能有效避免转捩发生。

不同载流条件下滑动电接触特性

不同载流情况下,引起滑动接触面温升的主要因素有摩擦热、焦耳热、电弧热。接触面的温升使接触材料表面发生物理化学变化,从而改变了接触面成分,同时反过来影响接触面的滑动电接触性能。论文通过对铜基粉末冶金滑板、浸铜碳滑板两种滑板材料与铜锡导线的对磨实验,分析了两种滑板材料在受流摩擦时的磨损行为。研究表明:随着电流的增大,两种滑板材料的接触电阻、温度以及磨耗率都在增大,浸铜碳滑板材料的接触电阻变化率较小,但接触表面的温度偏高,该滑板磨耗率变化较小,受流磨损性能较好。

电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触

从滑动电接触电阻大小的角度,详细分析了在时序放电条件下,两颗重约为5g的电枢,以速度为1 000m/s,166Hz连续发射试验。通过近似计算电流所流经轨道电阻及电枢体电阻所产生的温升,对滑动电接触电阻的影响。结果表明:连续发射运行模式下,受轨道表面温度上升的影响,第二发电枢的滑动接触电阻略高于第一发电枢的滑动接触电阻,表面滑动电接触性能受到温升的影响,在两连发的发射情况下,其影响虽不是很大,但多发高频连续发射就必须考虑热管理问题。

弓网系统滑动电接触最优压力载荷的确定

弓网系统中,接触压力的大小直接影响列车的受流稳定性和滑板、接触网导线的使用寿命。本文通过浸金属碳滑板与铜导线的对磨实验,分析了不同载流、速度以及变化压力情况下的滑板受流和磨损情况,通过数据拟合建立电流相对稳定系数、磨损率与电流、速度和压力的预测模型,由于磨损率与电流相对稳定系数存在彼此冲突的矛盾关系,因此应用设计的多目标粒子群算法求解电流相对稳定系数和磨损率的Pareto最优前沿解,最后通过基于信噪比的多目标决策方法确定基于电流稳定性相对最好、磨损率相对最小情况下的最优压力载荷,为电力机车的实际运行调整压力载荷提供理论基础。

基于相对稳定系数的滑动电接触特性

利用自行研制的高性能滑动电接触实验机,对铜基粉末冶金滑板的滑动电接触特性进行实验研究。通过引入两个相对稳定系数和载流效率值对实验结果进行分析,得出滑板的滑动电接触特性与接触压力、滑动速度和接触电流之间的关系。在滑动速度恒定的条件下,增大接触压力,摩擦系数会增大,却改善了滑板的受流质量和摩擦副的摩擦稳定性,从而使磨耗率呈现先减小后增大的U字形变化规律,磨耗率最小时对应的接触压力阈值随接触电流的增大而增大。在接触压力恒定条件下,摩擦副的摩擦系数随滑动速度的增加不断减小,但其摩擦稳定性及受流质量却不断恶化,磨耗率随滑动速度的增加而减小,随接触电流的增加而增大。

弓网滑动电接触电流稳定性研究

弓网系统受流稳定性直接决定电力机车在高速、重载下能否稳定、安全地运行。而影响受流稳定性的因素主要有接触压力、滑动速度,因此本文利用自制实验机模拟弓网系统运行状态,分析研究了速度、压力等参数对弓网系统受流稳定性的影响,提出了电流稳定性的评价指标。从理论上分析了接触斑点数目的改变是影响电流稳定性的主要因素,并通过实验数据利用BP神经网络建立接触压力与电流稳定系数、滑动速度、接触电流之间的关系模型,通过模型可以得出当前速度和电流条件下满足电流稳定性要求的最小接触压力。

滑动电接触磨损量最小的最佳载荷实验

为了揭示滑动电接触载流摩擦磨损特性,寻找最优的运行条件,以弓网系统受流为研究对象,对法向载荷如何影响受电弓滑板和接触导线之间载流磨损特性进行了实验研究.研究结果表明:无电流条件下,磨损量随着法向载荷的增加递增;载流条件下则表现出明显不同的磨损特性:随着法向载荷的增大,磨损量呈现出先减小而增加的变化趋势,且下降率大于上升率,同时定义了磨损量最小时的法向载荷值为最佳法向载荷,发现最佳法向载荷值随着速度的增大相应增大.当法向载荷大于此值时,主要磨损为机械磨损,法向载荷小于此值时,主要磨损为电气磨损.该研究结果对最优载荷的研究具有指导意义.

重复推进滑动电接触的试验研究

重点研究了低速条件下重复推进对电枢与导轨的接触状态、初速等的影响。试验采用6路时序脉冲功率电源、10 mm方口径装置和U型单体铝电枢,利用建立的试验系统进行重复推进试验。试验结果表明:随着重复次数增加,电枢和导轨的接触状态趋于良好,电枢启动时间提前,初速增大。说明在电枢低速运动条件下,重复试验中导轨表面遗留富含铝的堆积物对下一次试验的滑动电接触有积极作用。

波动压力载荷下弓网滑动电接触特性研究

列车运行过程中的弓网压力载荷以类似正弦形式波动,波动载荷对弓网系统滑动电接触性能有显著影响。文中利用销盘式实验机模拟弓网系统接触圧力的波动状态,实验分析了在不同电流密度、运行速度的工况下,压力波动幅度和波动频率对弓网系统受流和磨损的影响机理。研究表明:压力载荷在波动状态下,压力波动幅度的增大和运行速度的增大都会导致载流效率降低和销试样的磨损率增大;电流密度的增大会导致磨损率增大和载流效率的先增后减;压力波动频率的变化对载流效率和销试样的磨损率影响不明显。电弧烧蚀和温度升高造成销表面粗糙是导致磨损率增大和载流效率降低的主要原因。压力波动幅度、运行速度和电流密度是影响弓网滑动电接触摩擦磨损和载流效率的主要因素。

波动载荷下弓网滑动电接触失效研究

电力机车高速运行时,接触电流、压力波动和机车的运行速度均会影响弓网间的可靠接触。通过浸金属碳滑板与铜导线的对磨实验,得到接触电阻随接触电流、滑动速度、压力波动幅度和压力波动频率变化的特性规律。采用极限学习机(ELM)建立接触电阻与接触电流、滑动速度、压力波动幅度、压力波动频率的预测模型;综合考虑接触电阻和电流稳定系数,提出弓网滑动电接触失效判据。分析得出弓网接触失效机理:接触压力波动幅度和滑动速度增大使得弓网间摩擦振动加剧,接触电阻增大超过临界值,接触失效。在此基础上根据接触电阻概率分布建立失效概率模型,最后分析给出一定工况条件下弓网滑动电接触的失效概率。

高速滑动电接触下轨道槽蚀损伤问题研究

总结最近10余年多次电磁轨道发射过程中产生的轨道槽蚀损伤研究工作,介绍电磁轨道槽蚀损伤的形貌、分布、成分分析和影响因素,归纳迄今为止提出的电磁轨道槽蚀损伤形成物理机制,并对未来电磁轨道槽蚀损伤研究方向提出建议。

弓网系统滑动电接触瞬态温度场仿真研究

弓网系统瞬态温升会影响摩擦副的材料特性,进而加速系统磨耗。为减小弓网系统温度场引起的磨损,对其瞬态特性进行了研究。利用COMSOL Multiphysics软件建立了仿真模型,利用试验机,采用非接触式测温方法,验证了模型的有效性。对温度场瞬态过程进行仿真研究,结果表明,运行过程中,最高温度区由接触面逐渐转移至碳板内部,温度由接触区向四周呈递减趋势;在碳板接触区后端出现"高温拖尾"现象,拖尾长度随时间逐渐增大。上述研究结论对进一步研究滑板温度特性具有借鉴意义。

高性能滑动电接触实验机的设计与研制

为了对电力机车受电弓滑板与接触网导线的载流磨耗特性进行实验研究,分析了磨耗稳定态出现的规律,制作了一台高性能滑动电接触实验机。实验机实现了电气化铁路受电弓滑板与接触网导线之间的实际载流磨耗运行环境的模拟,在不同的配对关系和实验条件下,通过下位机检测出所有待测量参数并与上位机进行串行通信。上位机对采集数据进行分类保存,并对测量结果进行分析处理,生成所需各种波形曲线。结果表明,实验机结构设计合理、参数测量准确,能够模拟多种实际运行环境。

波动载荷作用下弓网滑动电接触接触失效研究

弓网滑动电接触接触失效判定对机车安全运行与进一步提速有重要意义。笔者立足于实际的机车运行工况,利用自行设计的弓网滑动电接触实验机做弓网滑动电接触失效研究实验,实验研究不同波动载荷、速度和电流条件下载流稳定系数的变化规律,并进行相应的理论分析。根据载流稳定系数失效判据,获得不同工况下保持可靠接触的临界条件。通过实验数据并运用梯度下降与模拟退火算法训练模糊推理系统,建立波动载荷、速度、电流和载流稳定系数之间的关系模型。通过模型可判断机车运行时弓网滑动电接触是否处于接触失效状态。

银基滑动电接触材料的研究进展

鉴于银基滑动电接触材料在微型电机、精密电子仪表等装置中的重要性,对此类材料的种类、制备工艺及研究进展进行了归纳与阐述。同时,分析了熔铸加工法、内氧化法、粉末冶金法等银基滑动电接触材料的制备工艺。结合现阶段研究工作,研发和改进制备工艺,加强基础理论研究、添加多组元进行材料改性是今后银基滑动电接触材料发展的主要方向。

脉冲大电流高速滑动电接触下轨道槽蚀现象的总结与分析

电磁轨道炮驱动电流可达数兆安,发射速度>2 km/s,恶劣的膛内发射环境会对轨道造成槽蚀损伤。为此综合已有试验数据和文献论据,讨论了槽蚀位置、深度、长度以及沉积物形状、厚度和组成成分等,并依据试验现象对槽蚀和沉积的产生机理进行分析。起始位置的槽蚀是由高温下材料热软化以及高应力下材料屈服形变引起的;之后随着温度升高、电枢熔化,延展槽蚀形成机理则有两种解释:一种是熔铝夹杂固态铝冲刷轨道形成槽蚀;另一种是熔铝与轨道的铜材料形成共晶液,冲刷形成槽蚀。最后基于槽蚀、沉积的形成机理分析,对轨道以及电枢的设计提出改进型建议,以尽量减轻轨道损伤,延长轨道的使用寿命。对槽蚀机理的分析研究工作将对电磁轨道炮脉冲大电流高速滑动电接触理论及发射器的工程化研制起到积极作用。

有限体积法在滑动电接触问题中的应用

为了对滑动电接触问题中枢轨接触面的物理现象进行深入分析,建立了二维导轨式电磁发射装置的数值计算模型。采用有限体积法的全隐格式对电磁扩散方程进行离散,得到了考虑速度趋肤效应时的磁感应强度及电流密度分布云图,并将计算结果与现有文献中采用有限差分法得到的结果进行对比。结果表明:两种方法所得到的磁感应强度与电流密度的分布趋势及数值基本一致,验证了所编写的有限体积法程序的正确性。