受流摩擦时不同碳材料接触点温升的有限元分析

受流摩擦时不同碳材料接触点温升的有限元分析

1滑动电接触单元滑块和导线相对滑动的接触区域由分散的小接触点组成。这些接触点不仅支撑着负荷，还承受着摩擦和电流流经接触电阻器的热流。因而电流收缩及机械载荷的高度集中会产生高密度的焦耳热,随着热量的积累,接触点温度升高,材料性能改变,当其不能继续支撑接触载荷时,接触点遭受破坏,直到另一个合适的“冷”接触点重新支撑载荷为止,如此构成了滑动受流接触条件下的磨损行为。接触电阻是表征接触表面电特性的参数,对于点状接触的粗糙表面,接触电阻可用下式计算:式中,Rc——接触电阻;Re1、Re2——分别为两接触面的收缩电阻;Rσ——表面膜电阻;a——实际电接触面的半径;ρ1、ρ2——分别为两种接触材料的电阻率;σ——单位面积的表面膜电阻。实际接触面具有一定的尺寸范围,流经该面的电流在接触点处收缩。R.holm和J.P.Barber给出了用于实际计算电接触面积的公式如下:式中,P——接触压力;A1——单一接触点的面积;n——“A1”接触点的数目;ξ——弹性变形的修正系数;H——Meyer硬度。在滑动电接触的条件下,R.Holm根据试验结果统计得出同时出现的微小接触单元的数量在5个～18个之间,并且这些接触单元在接触表面迅速地变化着。目前有关滑板材料受流磨擦中接触点温升问题的具体研究尚未见报道,所以本文根据有关的电接触理论,在这一方面做一些探索性工作。2接触点瞬态温升有限元计算的假设条件采用有限元分析方法,对纯碳滑板、浸金属碳滑板以及铜基粉末冶金滑板材料与纯铜导线配付受流摩擦时的接触点瞬态温升进行分析计算。试验条件下,用于有限元温升计算的各种滑板接触电阻的测量值及各项热物理性能参数见表1。接触点瞬态温升有限元计算的主要假设条件如下:(1)接触点界面摩擦力作功全部转化为热能,电流通过接触电阻生成焦耳热,二者皆被摩擦偶件全部吸收;(2)受流摩擦过程中的热交换仅考虑热传导过程和放热过程,不计热辐射过程;(3)滑动受流接触过程中,材料本身的特性、接触表面的特性与时间和空间无关;(4)各接触点之间的距离足够远,其相互作用可以忽略;(5)滑板的初始温度以及离接触点足够远处的滑板温度为滑板体温升的表面温度;(6)将试验导线的长度看作无限长,因而离接触点足够远的导线温度为环境温度,设为0℃。2.1碳滑动材料接触点温升分析计算中选取修正系数ξ=0.3、接触点数量为10个。在试验接触压力P=70N条件下,计算得到纯碳材料每个接触点的面积A1C=0.08mm2,名义接触圆半径aC=0.16mm。由滑板与导线受流磨损的微观形貌分析可见,沿滑动方向具有犁沟现象,因而可以认为椭圆型接触面是比较切合实际的。设椭圆接触面的长、短轴分别为αC和βC,则式中,γ——椭圆度系数,取值为3。每个椭圆接触点的收缩电阻Re1C为:式中,R(a,a)=与椭圆面积相同的圆形面积的接触电阻;f(γ)——形状系数。f(γ)～γ关系的曲线如图1所示。忽略铜导线的收缩电阻,则总表面膜电阻RσC为:RσC=RCC-Re1C/10(6)式中,RCC——碳滑板与铜导线的接触电阻。滑板与导线每一接触点上由表面膜电阻引起的热流密度qσC为:qσC=Ι2RσC10A1C(7)qσC=I2RσC10A1C(7)式中,I——试验电流。而接触面上由摩擦功引起的热流密度qfC为:qfC=fΡv10A1C(8)qfC=fPv10A1C(8)式中,v——滑动速度;f——摩擦系数。本文在有限元法分析中,尝试计算收缩电阻对滑板内部热源密度的影响。对于长短轴分别为α和β的椭圆接触面积,引入特性参数μ,电接触物体内部等电位的半椭圆面符合以下方程:x2α2+μ+y2β2+μ+z2μ=1(9)x2α2+μ+y2β2+μ+z2μ=1(9)x、y、z轴向的半轴长度分别为:√α2+μ‚√β2+μ‚√μα2+μ−−−−−−√‚β2+μ−−−−−√‚μ√收缩电阻Re为:Re=ρ4π∫∞0dμ√(α2+μ)(β2+μ)μ(10)因而参数在μ1～μ2之间的热源密度为:qv=3Ι2ρ∫μ2μ1dμ√(α2+μ)(β2+μ)μ16π(√(α2+μ2)(β2+μ2)μ2)-√(α2+μ1)(β2+μ1)μ1)(11)接触点椭圆的长短轴之比为9∶1,可以近似采用二维模型进行有限元计算。由于滑板接触点的温升时间很短,约为毫秒数量级,因而流过接触点的50Hz交流电流可以随机出现在0∼200√2A之间的任意微小区域。为简化计算,并且不失一般性,选取试验电流的有效值200A作为计算定值,以便相互对比。试验滑动速度为80km·h-1。图2中曲线1为计算得到的纯碳滑板材料接触区的瞬态最高温升θ随时间t的变化关系。由于条件所限,试验所用材料的热容量、导热系数以及电阻率目前只能在常温下进行测量,因而图中接触时间大于0.1ms的曲线采用虚线表示,显示最高温升的变化趋势。图3(a)～(c)为纯碳滑板材料滑动接触时间分别是0.01ms,0.1ms和1ms的接触点截面温升图。图形宽度为2βC,可以看出最高温升区域是在滑板的亚表面处。由于铜导线温度低、导热系数大,致使滑板接触表面热量散失大,因而最高温升区域发生在碳滑板材料内部。纯碳滑板在无电流条件下,纯滑动摩擦1ms后接触点温升计算的结果示于图4,最高温度约为238℃。可以看出,造成接触点温升的主要因素是由电流通过接触电阻引起的焦耳热。2.2浸金属碳4热值测试参照纯碳滑板材料滑动受流摩擦时的瞬态温升分析方法和假设条件,每个接触椭圆面的长、短轴分别为:αM=aM·γ=0.315mm(12)βM=aM/γ=0.035mm(13)计算得到浸金属碳滑板材料接触表面的瞬态温升变化如图2中曲线2所示。图5(a)～(c)为浸金属碳滑板滑动接触时间分别是0.01ms,0.1ms和1ms的接触点截面温度场,图形宽度为2βM,同样最高温升区域仍然是在滑板的亚表面区域。图6为滑动接触时间1ms,浸金属碳滑板无电流摩擦时的接触点温升计算结果,最高温度约为378℃。因而,造成浸金属碳滑板接触点温升的主要因素仍然是由接触电阻引起的焦耳热。2.3铜基粉末451由于铜基粉末冶金滑板的硬度高于铜导线,因而采用铜导线的硬度计算接触面积。每个接触椭圆面的长、短轴分别为:αS=aS·γ=0.285mm(14)βS=aS/γ=0.032mm(15)计算得到铜基粉末冶金滑板材料接触表面的瞬态温升变化如图2中曲线3所示。图7(a)～(c)为铜基粉末冶金滑板滑动接触时间分别是0.01ms,0.1ms和1ms的接触点截面温度场,图形宽度为2βS。可以看出,与碳系滑板材料不同,铜基粉末冶金滑板材料的最高温升区域趋向于滑板表面。这是由于与碳系材料相比,铜基粉末冶金材料的热导率大得多,因而最高温升区域更接近表面。由于铜基粉末冶金滑板的电阻率相对较低,接触电阻热也低,因而接触点温升的热源所占比例与以上两种滑板材料不同,是以摩擦热为主。根据点接触的温升计算,接触时间1ms时的最高温升值为219℃,温升比较低。3不同4热性能4脂板材料受流磨损试验为研究各种滑板材料在不同温度下的化学性能,对其进行了热失重(TGA)及差热分析(DTA)试验,以便根据以上滑板材料的温升计算,对比分析各种滑板材料在受流磨损试验中的行为。图8为各种滑板材料的TGA和DTA试验结果。(1)“da”试验与tga试验结果对比图8(a)为纯碳材料的TGA、DTA试验曲线。TGA试验曲线表明,纯碳滑板材料在空气条件下,加热温度达到620℃时,开始出现失重,最大失重率为96%。试验温度最高为1000℃,失重曲线处于平衡状态。由DTA试验曲线可以看出,当温度达到600℃时,开始出现放热现象,说明发生了氧化反应:C+O2→CO2在高温下,碳与氧气反应还可以生成CO:C+1/2O2→CO碳与氧结合生成CO或CO2气体,并放出热量。当温度达到720℃时,出现放热峰值。TGA与DTA两种试验结果基本吻合。根据试验结果,纯碳滑板材料在升温过程中,反应过程单一,在600℃左右开始出现强烈氧化现象,随着温度的升高,碳滑板材料基本被消耗掉,只剩下约4%的杂质。(2)材料的氧化温度浸金属碳材料的TGA、DTA试验曲线如图8(b)所示。在TGA的试验中,温度在540℃开始出现明显失重,总失重率为65%。试验最高温度同样为1000℃,主要失重过程已基本完成。同样DTA试验温度达到540℃时,开始出现放热现象,说明浸金属碳材料中的碳被氧化而放出热量,温度达到610℃时,出现放热峰值。根据试验结果可知,浸金属碳滑板试样的氧化温度稍低于纯碳滑板,这可能是由于浸金属碳滑板材料中碳的处理工艺差别所致。由于浸金属碳滑板材料中金属元素的含量相对较低,所以热失重及差热试验曲线中不能充分反映出金属元素的热学行为,如低熔点金属的熔化吸热反应难以体现。(3)热反应温度的影响图8(c)为铜基粉末冶金材料的TGA和DTA试验结果。铜基粉末冶金滑板材料的TGA试验是一个增重过程。当加热温度达到580℃时,滑板材料开始出现明显增重,增加重量达到14%。由DTA试验可以看出,当温度达到590℃时,开始出现放热尖峰,620℃达到最大值,出现快速氧化反应。铜基粉末冶金材料中的金属元素与氧结合生成金属氧化物MnOm而放出热量。680℃和840℃分别还有两个小的放热峰,说明此时金属氧化速度加快。4热流密度和温度根据上述滑板材料接触点瞬态温升的计算以及TGA和DTA试验结果,对比不同材料受流摩擦性能分析如下:(1)碳系材料比铜基粉末冶金材料的温升速度和温度高得多。引起这一现象的主要原因是由于碳系材料的电阻率偏高以及热导率较低。降低滑板材料的电阻率,可以有效降低受流摩擦时的接触电阻;提高材料的热导率可以加快接触点的热流扩散,降低接触点温度。(2)纯碳滑板材料与浸金属碳滑板材料,接触点温升在约0.1ms以内是比较接近的。超过这一时间,碳滑板的温升增加趋势大大超过浸金属碳材料。虽然纯碳材料的接触电阻相对较大,但其硬度相对较低,使接触区的面积增大,因而由接触电阻造成的热流密度与浸金属碳滑板材料的接近。在摩擦功相当的条件下,温度较低时,二者温升比较接近。当温度较高时,一方面由于浸金属碳材料接触面积小,相对热源量也小,同时其热导率相对较大,高的温差致使传导的热量也多,因而温升速度变慢,低于纯碳材料。(3)根据纯碳滑板材料的TGA和DTA试验结果,碳滑板材料在600℃时开始出现氧化。碳滑板材料接触点瞬态温升的计算表明,在受流接触时间约为3×10-2ms时,滑板材料近表层最高温升已达到600℃。由于碳滑板材料内部的开口气孔率为13%～15%,富含空气,可以推测在碳材料亚表面处的最高温升区域出现氧化现象,并随温度的升高,氧化加剧。(4)浸金属碳材料的开口气孔率仅为2%～3%,一方面浸渍的金属元素增加了碳材料的强度,另一方面浸渍的金属元素降低了碳材料内部的氧含量。虽然近表面区域的温度也达到碳的氧化温度,但氧化速度要慢得多,同时高温区的温升速度和温度也比纯碳材料低,所以浸金属碳材料的耐受流磨损性能相对提高。(5)铜基粉末冶金材料由于电阻率低,热导率高,受流滑动摩擦时接触点温度约220℃,低于材料的氧化起始温度(580℃)。接触点的温升只在一定程度上降低了材料的强度而增加磨损量。计算分析表明,引起铜基粉末冶金材料受流摩擦时接触点温升的主要因素是摩擦热,所以与纯摩擦状态相比,受流摩擦时接触点的温升不是铜基粉末冶金材料严重磨损的主要因素。5金属碳材料热磨粒磨损机理综上所述,在接触压力为70N、电流200A以及滑动速度80km·h-1的试验条件下,碳系滑板材料受流摩擦中接触点亚表层的温升都达到了碳的氧化温度,纯碳材料此时会出现高温氧化