基于单点接触的载流摩擦电弧形成及损伤机制研究

摘要

高速铁路的弓网系统和高压电力开关系统等是典型的载流摩擦副，在滑动接触过程中传递电能。载流摩擦电弧是载流摩擦副运行中经常出现的伴生现象，恶化导电品质和摩擦磨损性能，因此，研究载流摩擦电弧的形成及损伤机制具有重要理论和实际意义。
　　本文在面-面载流摩擦接触行为分析的基础上，提出了单点动态接触模拟粗糙表面接触峰摩擦运动过程及载流/摩擦行为的方法。
　　本文采用控制与传感技术，基于虚拟仪器的Labview平台开发软件，研制了单点接触载流摩擦电弧试验机，具有对燃弧过程中的多个信号进行同步采集和试验后数据再现功能，实现在不同的极性、电流和速度等条件下的载流摩擦电弧形成及损伤机制的研究。
　　在单点接触载流摩擦电弧试验机上，进行了载流摩擦电弧的形成和烧蚀过程的同步化研究，结果表明：根据电弧电流和电弧电压的变化规律，载流摩擦电弧分为起弧、稳定燃烧和熄弧阶段。燃弧过程中载流电弧的状态发生变化，经历金属蒸气态电弧和气体态电弧两个阶段。根据烧蚀特征，电弧烧蚀表面可分为烧蚀坑区、熔化区、平整区和沉积区。通过对试验结果的同步化分析得出：烧蚀坑区和熔化区主要发生在起弧阶段和稳定燃弧阶段，光亮区发生在熄弧阶段，沉积区发生在整个燃弧阶段。
　　在单点接触载流摩擦电弧试验机上，进行了不同极性下载流摩擦电弧的形成和烧蚀机理研究，结果表明：当钨针为阳极铜试样为阴极时，燃弧强烈，燃弧时间长并伴有大量蒸气溢出，阳极钨针烧蚀严重，阴极铜试样烧蚀较轻；当钨针为阴极铜试样为阳极时，燃弧程度减弱，燃弧时间短，有少量蒸气溢出，阴极钨针烧蚀较轻，阳极铜试样烧蚀严重。根据试验结果得出：载流摩擦电弧具有显著的极性特征，阳极烧蚀严重，而阴极烧蚀较轻，提出把载流摩擦电弧的运动端作为阳极，同时阳极采用导热性能好并且熔点高的材料，可抑制电弧形成和减轻电弧烧蚀。
　　在单点接触载流摩擦电弧试验机上，进行了不同电流下载流摩擦电弧的燃弧过程和烧蚀机理研究，结果表明：小电流时，电弧燃烧不稳定，燃弧时间短，不出现电弧电流和电弧电压的过冲现象；大电流时，电弧燃弧稳定，有大量蒸汽溢出，过冲现象严重。随着电流增加，电弧载流效率缓慢增加，电弧烧蚀坑深度先是增加后降低，烧蚀坑长度持续增加。
　　在单点接触载流摩擦电弧试验机上，进行了不同速度下载流摩擦电弧的燃弧过程和烧蚀机理研究，结果表明：低速时，燃弧时间长，电弧燃烧稳定；速度较高时，燃弧时间短，电弧跳跃不稳定。随着速度增加，载流效率呈缓慢增加趋势。速度较低时，电弧热量输入多，电弧烧蚀严重，形成深的烧蚀坑，表面有大量气孔；速度较高时，电弧热量输入少，电弧烧蚀减轻，表面有大量小的突起。
　　本文根据不同条件下单点接触载流摩擦电弧的形成和烧损机理研究，进行了载流摩擦电弧对载流摩擦副性能影响的分析。摩擦电弧本身性能决定其载流效率低，导电不稳定，同时烧蚀引起表面不平整使表面接触状态变差，表面发生材料转移和氧化使表面接触电阻增大，导电品质恶化。电弧热引起材料表面熔化形成熔化层，可起到润滑作用降低摩擦系数。烧蚀表面形成的突起、硬而脆的氧化层以及沉积物，在剪切力作用下容易脱落，加剧摩擦副磨损。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题依据

1.2 国内外研究现状

1.3 载流电弧研究中存在的问题

1.4 课题的研究内容

第二章 载流摩擦副粗糙表面接触峰摩擦运动及载流行为研究

2.1 载流摩擦副摩擦行为

2.2 载流摩擦副间电路模型

2.3 载流摩擦副粗糙表面接触峰摩擦/载流行为

2.4 基于单点动态接触行为模拟载流摩擦副间微凸峰的摩擦/载流行为

2.5 单点接触载流摩擦电弧试验机设计方案的提出

2.6 本章小结

第三章 单点接触载流摩擦电弧试验机的研制

3.1试验机的主要功能和主要参数

3.2 试验机的机械和运动系统

3.3 测控系统

3.4 试验机功能实现试验验证

3.5 本章小结

第四章 试验方案和试验内容

4.1 试验方案

4.2 试验内容

4.3 本章小结

第五章 载流摩擦电弧燃弧过程和烧蚀的同步化研究

5.1 载流电弧燃弧性能

5.2 载流电弧的烧蚀性能

5.3 本章小结

第六章 极性对载流摩擦电弧特性的影响

6.1 试验参数和试验内容

6.2 试验结果和分析

6.3 本章小结

第七章 电流对载流摩擦电弧特性的影响

7.1 试验参数和试验内容

7.2 试验结果和分析

7.3 电流对载流摩擦电弧烧蚀性能的影响

7.4 本章小结

第八章 速度对载流摩擦电弧特性的影响

8.1 试验参数和试验内容

8.2 试验结果和分析

8.3 本章小结

第九章 载流摩擦电弧对载流摩擦副导电品质和摩擦磨损性能影响

9.1 载流摩擦电弧及其引起的损伤

9.2 载流摩擦电弧对载流摩擦副摩擦磨损性能的影响

第十章 研究结论与展望

10.1 本文研究工作总结

10.2 本文的创新点

10.3 对后期研究的展望

参考文献

致谢

附录：攻读博士学位期间的主要成果