受流摩擦?xí)r不同碳材料接觸點溫升的有限元分析

1滑動電接觸單元滑塊和導(dǎo)線相對滑動的接觸區(qū)域由分散的小接觸點組成。這些接觸點不僅支撐著負(fù)荷，還承受著摩擦和電流流經(jīng)接觸電阻器的熱流。因而電流收縮及機械載荷的高度集中會產(chǎn)生高密度的焦耳熱,隨著熱量的積累,接觸點溫度升高,材料性能改變,當(dāng)其不能繼續(xù)支撐接觸載荷時,接觸點遭受破壞,直到另一個合適的“冷”接觸點重新支撐載荷為止,如此構(gòu)成了滑動受流接觸條件下的磨損行為。接觸電阻是表征接觸表面電特性的參數(shù),對于點狀接觸的粗糙表面,接觸電阻可用下式計算:式中,Rc——接觸電阻;Re1、Re2——分別為兩接觸面的收縮電阻;Rσ——表面膜電阻;a——實際電接觸面的半徑;ρ1、ρ2——分別為兩種接觸材料的電阻率;σ——單位面積的表面膜電阻。實際接觸面具有一定的尺寸范圍,流經(jīng)該面的電流在接觸點處收縮。R.holm和J.P.Barber給出了用于實際計算電接觸面積的公式如下:式中,P——接觸壓力;A1——單一接觸點的面積;n——“A1”接觸點的數(shù)目;ξ——彈性變形的修正系數(shù);H——Meyer硬度。在滑動電接觸的條件下,R.Holm根據(jù)試驗結(jié)果統(tǒng)計得出同時出現(xiàn)的微小接觸單元的數(shù)量在5個～18個之間,并且這些接觸單元在接觸表面迅速地變化著。目前有關(guān)滑板材料受流磨擦中接觸點溫升問題的具體研究尚未見報道,所以本文根據(jù)有關(guān)的電接觸理論,在這一方面做一些探索性工作。2接觸點瞬態(tài)溫升有限元計算的假設(shè)條件采用有限元分析方法,對純碳滑板、浸金屬碳滑板以及銅基粉末冶金滑板材料與純銅導(dǎo)線配付受流摩擦?xí)r的接觸點瞬態(tài)溫升進(jìn)行分析計算。試驗條件下,用于有限元溫升計算的各種滑板接觸電阻的測量值及各項熱物理性能參數(shù)見表1。接觸點瞬態(tài)溫升有限元計算的主要假設(shè)條件如下:(1)接觸點界面摩擦力作功全部轉(zhuǎn)化為熱能,電流通過接觸電阻生成焦耳熱,二者皆被摩擦偶件全部吸收;(2)受流摩擦過程中的熱交換僅考慮熱傳導(dǎo)過程和放熱過程,不計熱輻射過程;(3)滑動受流接觸過程中,材料本身的特性、接觸表面的特性與時間和空間無關(guān);(4)各接觸點之間的距離足夠遠(yuǎn),其相互作用可以忽略;(5)滑板的初始溫度以及離接觸點足夠遠(yuǎn)處的滑板溫度為滑板體溫升的表面溫度;(6)將試驗導(dǎo)線的長度看作無限長,因而離接觸點足夠遠(yuǎn)的導(dǎo)線溫度為環(huán)境溫度,設(shè)為0℃。2.1碳滑動材料接觸點溫升分析計算中選取修正系數(shù)ξ=0.3、接觸點數(shù)量為10個。在試驗接觸壓力P=70N條件下,計算得到純碳材料每個接觸點的面積A1C=0.08mm2,名義接觸圓半徑aC=0.16mm。由滑板與導(dǎo)線受流磨損的微觀形貌分析可見,沿滑動方向具有犁溝現(xiàn)象,因而可以認(rèn)為橢圓型接觸面是比較切合實際的。設(shè)橢圓接觸面的長、短軸分別為αC和βC,則式中,γ——橢圓度系數(shù),取值為3。每個橢圓接觸點的收縮電阻Re1C為:式中,R(a,a)=與橢圓面積相同的圓形面積的接觸電阻;f(γ)——形狀系數(shù)。f(γ)～γ關(guān)系的曲線如圖1所示。忽略銅導(dǎo)線的收縮電阻,則總表面膜電阻RσC為:RσC=RCC-Re1C/10(6)式中,RCC——碳滑板與銅導(dǎo)線的接觸電阻?；迮c導(dǎo)線每一接觸點上由表面膜電阻引起的熱流密度qσC為:qσC=Ι2RσC10A1C(7)qσC=I2RσC10A1C(7)式中,I——試驗電流。而接觸面上由摩擦功引起的熱流密度qfC為:qfC=fΡv10A1C(8)qfC=fPv10A1C(8)式中,v——滑動速度;f——摩擦系數(shù)。本文在有限元法分析中,嘗試計算收縮電阻對滑板內(nèi)部熱源密度的影響。對于長短軸分別為α和β的橢圓接觸面積,引入特性參數(shù)μ,電接觸物體內(nèi)部等電位的半橢圓面符合以下方程:x2α2+μ+y2β2+μ+z2μ=1(9)x2α2+μ+y2β2+μ+z2μ=1(9)x、y、z軸向的半軸長度分別為:√α2+μ?√β2+μ?√μα2+μ??????√?β2+μ?????√?μ√收縮電阻Re為:Re=ρ4π∫∞0dμ√(α2+μ)(β2+μ)μ(10)因而參數(shù)在μ1～μ2之間的熱源密度為:qv=3Ι2ρ∫μ2μ1dμ√(α2+μ)(β2+μ)μ16π(√(α2+μ2)(β2+μ2)μ2)-√(α2+μ1)(β2+μ1)μ1)(11)接觸點橢圓的長短軸之比為9∶1,可以近似采用二維模型進(jìn)行有限元計算。由于滑板接觸點的溫升時間很短,約為毫秒數(shù)量級,因而流過接觸點的50Hz交流電流可以隨機出現(xiàn)在0～200√2A之間的任意微小區(qū)域。為簡化計算,并且不失一般性,選取試驗電流的有效值200A作為計算定值,以便相互對比。試驗滑動速度為80km·h-1。圖2中曲線1為計算得到的純碳滑板材料接觸區(qū)的瞬態(tài)最高溫升θ隨時間t的變化關(guān)系。由于條件所限,試驗所用材料的熱容量、導(dǎo)熱系數(shù)以及電阻率目前只能在常溫下進(jìn)行測量,因而圖中接觸時間大于0.1ms的曲線采用虛線表示,顯示最高溫升的變化趨勢。圖3(a)～(c)為純碳滑板材料滑動接觸時間分別是0.01ms,0.1ms和1ms的接觸點截面溫升圖。圖形寬度為2βC,可以看出最高溫升區(qū)域是在滑板的亞表面處。由于銅導(dǎo)線溫度低、導(dǎo)熱系數(shù)大,致使滑板接觸表面熱量散失大,因而最高溫升區(qū)域發(fā)生在碳滑板材料內(nèi)部。純碳滑板在無電流條件下,純滑動摩擦1ms后接觸點溫升計算的結(jié)果示于圖4,最高溫度約為238℃?？梢钥闯?造成接觸點溫升的主要因素是由電流通過接觸電阻引起的焦耳熱。2.2浸金屬碳4熱值測試參照純碳滑板材料滑動受流摩擦?xí)r的瞬態(tài)溫升分析方法和假設(shè)條件,每個接觸橢圓面的長、短軸分別為:αM=aM·γ=0.315mm(12)βM=aM/γ=0.035mm(13)計算得到浸金屬碳滑板材料接觸表面的瞬態(tài)溫升變化如圖2中曲線2所示。圖5(a)～(c)為浸金屬碳滑板滑動接觸時間分別是0.01ms,0.1ms和1ms的接觸點截面溫度場,圖形寬度為2βM,同樣最高溫升區(qū)域仍然是在滑板的亞表面區(qū)域。圖6為滑動接觸時間1ms,浸金屬碳滑板無電流摩擦?xí)r的接觸點溫升計算結(jié)果,最高溫度約為378℃。因而,造成浸金屬碳滑板接觸點溫升的主要因素仍然是由接觸電阻引起的焦耳熱。2.3銅基粉末451由于銅基粉末冶金滑板的硬度高于銅導(dǎo)線,因而采用銅導(dǎo)線的硬度計算接觸面積。每個接觸橢圓面的長、短軸分別為:αS=aS·γ=0.285mm(14)βS=aS/γ=0.032mm(15)計算得到銅基粉末冶金滑板材料接觸表面的瞬態(tài)溫升變化如圖2中曲線3所示。圖7(a)～(c)為銅基粉末冶金滑板滑動接觸時間分別是0.01ms,0.1ms和1ms的接觸點截面溫度場,圖形寬度為2βS?？梢钥闯?與碳系滑板材料不同,銅基粉末冶金滑板材料的最高溫升區(qū)域趨向于滑板表面。這是由于與碳系材料相比,銅基粉末冶金材料的熱導(dǎo)率大得多,因而最高溫升區(qū)域更接近表面。由于銅基粉末冶金滑板的電阻率相對較低,接觸電阻熱也低,因而接觸點溫升的熱源所占比例與以上兩種滑板材料不同,是以摩擦熱為主。根據(jù)點接觸的溫升計算,接觸時間1ms時的最高溫升值為219℃,溫升比較低。3不同4熱性能4脂板材料受流磨損試驗為研究各種滑板材料在不同溫度下的化學(xué)性能,對其進(jìn)行了熱失重(TGA)及差熱分析(DTA)試驗,以便根據(jù)以上滑板材料的溫升計算,對比分析各種滑板材料在受流磨損試驗中的行為。圖8為各種滑板材料的TGA和DTA試驗結(jié)果。(1)“da”試驗與tga試驗結(jié)果對比圖8(a)為純碳材料的TGA、DTA試驗曲線。TGA試驗曲線表明,純碳滑板材料在空氣條件下,加熱溫度達(dá)到620℃時,開始出現(xiàn)失重,最大失重率為96%。試驗溫度最高為1000℃,失重曲線處于平衡狀態(tài)。由DTA試驗曲線可以看出,當(dāng)溫度達(dá)到600℃時,開始出現(xiàn)放熱現(xiàn)象,說明發(fā)生了氧化反應(yīng):C+O2→CO2在高溫下,碳與氧氣反應(yīng)還可以生成CO:C+1/2O2→CO碳與氧結(jié)合生成CO或CO2氣體,并放出熱量。當(dāng)溫度達(dá)到720℃時,出現(xiàn)放熱峰值。TGA與DTA兩種試驗結(jié)果基本吻合。根據(jù)試驗結(jié)果,純碳滑板材料在升溫過程中,反應(yīng)過程單一,在600℃左右開始出現(xiàn)強烈氧化現(xiàn)象,隨著溫度的升高,碳滑板材料基本被消耗掉,只剩下約4%的雜質(zhì)。(2)材料的氧化溫度浸金屬碳材料的TGA、DTA試驗曲線如圖8(b)所示。在TGA的試驗中,溫度在540℃開始出現(xiàn)明顯失重,總失重率為65%。試驗最高溫度同樣為1000℃,主要失重過程已基本完成。同樣DTA試驗溫度達(dá)到540℃時,開始出現(xiàn)放熱現(xiàn)象,說明浸金屬碳材料中的碳被氧化而放出熱量,溫度達(dá)到610℃時,出現(xiàn)放熱峰值。根據(jù)試驗結(jié)果可知,浸金屬碳滑板試樣的氧化溫度稍低于純碳滑板,這可能是由于浸金屬碳滑板材料中碳的處理工藝差別所致。由于浸金屬碳滑板材料中金屬元素的含量相對較低,所以熱失重及差熱試驗曲線中不能充分反映出金屬元素的熱學(xué)行為,如低熔點金屬的熔化吸熱反應(yīng)難以體現(xiàn)。(3)熱反應(yīng)溫度的影響圖8(c)為銅基粉末冶金材料的TGA和DTA試驗結(jié)果。銅基粉末冶金滑板材料的TGA試驗是一個增重過程。當(dāng)加熱溫度達(dá)到580℃時,滑板材料開始出現(xiàn)明顯增重,增加重量達(dá)到14%。由DTA試驗可以看出,當(dāng)溫度達(dá)到590℃時,開始出現(xiàn)放熱尖峰,620℃達(dá)到最大值,出現(xiàn)快速氧化反應(yīng)。銅基粉末冶金材料中的金屬元素與氧結(jié)合生成金屬氧化物MnOm而放出熱量。680℃和840℃分別還有兩個小的放熱峰,說明此時金屬氧化速度加快。4熱流密度和溫度根據(jù)上述滑板材料接觸點瞬態(tài)溫升的計算以及TGA和DTA試驗結(jié)果,對比不同材料受流摩擦性能分析如下:(1)碳系材料比銅基粉末冶金材料的溫升速度和溫度高得多。引起這一現(xiàn)象的主要原因是由于碳系材料的電阻率偏高以及熱導(dǎo)率較低。降低滑板材料的電阻率,可以有效降低受流摩擦?xí)r的接觸電阻;提高材料的熱導(dǎo)率可以加快接觸點的熱流擴散,降低接觸點溫度。(2)純碳滑板材料與浸金屬碳滑板材料,接觸點溫升在約0.1ms以內(nèi)是比較接近的。超過這一時間,碳滑板的溫升增加趨勢大大超過浸金屬碳材料。雖然純碳材料的接觸電阻相對較大,但其硬度相對較低,使接觸區(qū)的面積增大,因而由接觸電阻造成的熱流密度與浸金屬碳滑板材料的接近。在摩擦功相當(dāng)?shù)臈l件下,溫度較低時,二者溫升比較接近。當(dāng)溫度較高時,一方面由于浸金屬碳材料接觸面積小,相對熱源量也小,同時其熱導(dǎo)率相對較大,高的溫差致使傳導(dǎo)的熱量也多,因而溫升速度變慢,低于純碳材料。(3)根據(jù)純碳滑板材料的TGA和DTA試驗結(jié)果,碳滑板材料在600℃時開始出現(xiàn)氧化。碳滑板材料接觸點瞬態(tài)溫升的計算表明,在受流接觸時間約為3×10-2ms時,滑板材料近表層最高溫升已達(dá)到600℃。由于碳滑板材料內(nèi)部的開口氣孔率為13%～15%,富含空氣,可以推測在碳材料亞表面處的最高溫升區(qū)域出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,并隨溫度的升高,氧化加劇。(4)浸金屬碳材料的開口氣孔率僅為2%～3%,一方面浸漬的金屬元素增加了碳材料的強度,另一方面浸漬的金屬元素降低了碳材料內(nèi)部的氧含量。雖然近表面區(qū)域的溫度也達(dá)到碳的氧化溫度,但氧化速度要慢得多,同時高溫區(qū)的溫升速度和溫度也比純碳材料低,所以浸金屬碳材料的耐受流磨損性能相對提高。(5)銅基粉末冶金材料由于電阻率低,熱導(dǎo)率高,受流滑動摩擦?xí)r接觸點溫度約220℃,低于材料的氧化起始溫度(580℃)。接觸點的溫升只在一定程度上降低了材料的強度而增加磨損量。計算分析表明,引起銅基粉末冶金材料受流摩擦?xí)r接觸點溫升的主要因素是摩擦熱,所以與純摩擦狀態(tài)相比,受流摩擦?xí)r接觸點的溫升不是銅基粉末冶金材料嚴(yán)重磨損的主要因素。5金屬碳材料熱磨粒磨損機理綜上所述,在接觸壓力為70N、電流200A以及滑動速度80km·h-1的試驗條件下,碳系滑板材料受流摩擦中接觸點亞表層的溫升都達(dá)到了碳的氧化溫度,純碳材料此時會出現(xiàn)高溫氧化