铜基接地电刷材料的制备及其滑动摩擦有限元分析

发布时间：2020-03-29 17:38

【摘要】：石墨/铜自润滑摩擦集电材料已广泛应用于受电弓滑板和电刷等导电摩擦器件,是高速列车电力牵引系统的常用配副材料。而列车运行速度的不断提高,对其在该领域的应用提出了更高的要求。制备新型摩擦集电材料,研究其摩擦磨损性能,可为开发确保列车安全运行的接地装置材料提供参考依据。本文采用粉末冶金法制备了不同石墨含量的铜基自润滑复合材料,分别研究了石墨含量对复合材料组织结构、物理性能和摩擦磨损性能的影响,并探讨了其磨损机理的变化;另外对接地电刷载流摩擦副的滑动摩擦过程进行了有限元模拟分析。进口接地电刷材料是由铜、石墨和SiO_2组成的石墨/铜复合材料,石墨和SiO_2在铜基体中均匀分布,铜基体呈网状结构;电刷的组织结构与成分不是引起异常磨耗的关键因素,可以作为复合材料制备的依据。制备得到的石墨/铜复合材料比较均匀致密,致密度能够达到96%左右。石墨含量能够影响石墨在铜基体中的分布状态,含量达到20 wt.%时,石墨颗粒之间产生联结,部分位置呈网状分布。随着石墨含量的增大,复合材料的密度和相对密度都降低,孔隙率增大,石墨含量超过15 wt.%时,相对密度降低明显;复合材料的硬度和导电率也随石墨含量增大而降低。随着石墨含量的增大,复合材料的摩擦系数和磨损率都呈先降低后升高趋势,在石墨含量为15 wt.%时达到最低值;石墨含量低于15 wt%时,磨损形式主要为黏着磨损和磨粒磨损,石墨含量15 wt.%的磨损表面损伤较小,石墨含量达到20 wt%时,磨损形式主要为黏着磨损和疲劳磨损。在40 N,600 r/min和60N,400 r/min条件下,摩擦过程中复合材料的摩擦系数更稳定,磨损表面损伤较小,摩擦磨损性能较好。利用ANSYS Workbench进行建模分析,得到了接触盘和接地电刷摩擦副温度场和应力场的分布情况。摩擦副的高温区出现在摩擦接触位置,并由内经向外呈梯度分布,接地电刷的高温区偏向摩擦出口处。应力场伴随着温度场的变化而变化,并与温度场相互作用。电流的加入使摩擦副的温度和应力增大,没有改变温度场和应力场的分布状态。
【图文】：

电力机车,受电,接触网

内部电机后通过接地系统到钢轨，再由钢轨回到电网。（a）接触网与受电弓系统（b）上接触式集电靴图1.1 电力机车受电装置Fig. 1.1 Powered device of electric locomotive受电弓滑板是电气化铁路弓网受电系统的重要组成部分，接触网与受电弓系统的结构如图1.1(a)所示。接触网导线根据列车对牵引供电的要求不同，具有不同选择。

示意图,接地装置,动车,电刷

对其造成电蚀。接地电刷与车轴共同构成车体的接地系统，接地电刷在接地系统中起至关重要的作用，因此对于接地电刷材料的研究同样是摩擦集电材料的一个发展方向。图1.2 动车接地装置Fig. 1.2 Grounding device of bullet train（2）电刷系统方面的应用电刷是电动机、发电机或其他旋转机械的固定部分和转动部分之间传输电能的装置，广泛适用于各种交直流发电机、同步电动机、电瓶直流电动机等，是电机的重要组成部分。前面提到的接地电刷，同样是电刷在轨道交通接地系统中的一种应用。图1.3为电刷系统的结构示意图。一般情况下，电刷固定不动，，接触盘处于旋转运动状态，电刷与接触盘滑动导电接触。接触盘要求具有高强度、高导电性、良好的耐腐蚀性及与电刷良好的匹配性，材质多为钢质或铜质。青铜铸件接触盘比钢质接触盘具有更好的滑动性能，应用范围
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U260.4;TB333

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