Page 78 - 《摩擦学学报》2021年第3期
P. 78

第 3 期                     孙逸翔, 等: 转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响                                       367

            水银滑环组成，其中实时电压、实时电流可由试验机                            和扫描电子显微镜(SEM，TESCAN VEGA3 SBH，捷
            记录并导出，接触电阻由摩擦副两端的电压除以电流                            克)观察磨痕表面微观结构与损伤情况，采用能谱仪

            计算得到.                                              (EDS，EDAX Octane SDD Series，美国)，分析摩擦副
                由于纯铜是电接触部件合金材料的基础材料，因                          表面的元素分布及含量.

            此选用T2纯铜(GB/T 2 059-2008)作为试验材料. 摩擦
                                                               2    结果与讨论
            副由是直径为120 mm的圆柱体陪侍样品和直径为80 mm
            且侧面曲率半径为100 mm的测试样品构成. 滚动载流                        2.1    转速对水环境下滚动载流摩擦性能的影响
            摩擦副潜在的应用是风电、雷达等中低速旋转导电部                                图2(a)是重复试验中一组不同转速下的实时摩擦
            件，其转速范围大约在不超过1 000 r/min量级. 为了分                    系数的变化规律. 当测试样品转速为30 r/min时，摩擦
            析转速对水下滚动载流摩擦失效的影响，测试样品-                            系数从试验初始(不足5 min)就急剧增加，然后在1.0上
            陪侍样品的转速分别设定如下：30~20、240~160、360~                   下波动. 转速为240 r/min时，前20 min摩擦系数缓慢上
            240和480~320 r/min四种不同转速，滚动时无滚滑比.                   升，之后急剧增至1.0后呈略微下降，保持在0.75附近.
            纯铜的屈服强度为244 MPa，泊松比为0.3，弹性模量                       转速为360和480 r/min，摩擦系数的变化趋势与240 r/min
            为110 GPa，根据Contact Mechanics中给出的方法          [13] ，  时基本一致. 随着转速的增加，最终摩擦系数呈下降
            铜的屈服极限接触压力为393 MPa. 接触载荷设定为                        趋势.
            40 N，接触压力约为240 MPa，小于铜屈服的临界接触                          图2(b)为转速对接触电阻的影响，接触电阻初始
            压力，确保铜盘处于弹性滚动接触状态. 试验前，所有                          值均在0.6 Ω. 转速30 r/min时，整个试验过程中接触电
                          #
                                #
                                        #
            样品表面用600 、1 000 和1 500 的砂纸预磨，然后用                   阻保持稳定. 240 r/min时，前75 min内接触电阻无明显
            乙醇超声清洗30 min. 在工程应用中，单个电接触点需                       变化，之后略微升高到0.85 Ω；360 r/min时，接触电阻
            要承载的电流范围是0~3 A，本文中选择1.5 A为初始                       在 37  min时 开 始 持 续 增 大 ， 100  min后 达 到 2.8  Ω；
            电流，由恒压电源输出. 试验过程中电压保持恒定，检                          480 r/min时，接触电阻从第18 min时开始增大，37~
            测实时电流和接触电阻，数据采样频率为50 Hz. 样品                        56 min时迅速增至4.8 Ω后呈波动增大趋势，100 min
                                   [14]
            对滚时持续向接触区供水 ，水滴速度为每秒2滴，保                           后达到6.4 Ω. 随着转速的增加，滚动载流摩擦副的接
            障接触区浸泡在水环境中. 在滚动试验过程中，可同                           触电阻呈上升趋势.
            步获得摩擦力(f)，接触载荷(Q)，摩擦系数(μ)，电压                           为揭示不同转速下水对载流摩擦的影响，本文中
            (V)电流(I)和接触电阻(R)等数据，在每种工作条件下                       统计了干、湿条件下的对比试验结果. 水、干态下滚动
            重复测试5次.                                            载流摩擦系数的变化趋势如图3(a)所示. 随着转速从
                试验后，使用线切割将圆盘试样沿径向切出检测                          30 r/min增至480 r/min，干态下摩擦系数从0.169降低
            用试样. 使用光学金相显微镜(DMi 8C，Leica，德国)和                   到0.09，水下摩擦系数从1.06降低到0.45. 在相同的转
            白光干涉三维形貌仪(Nano Focus，μsurf expert，德国)              速下，水下摩擦系数总是高于干态摩擦系数. 在干摩


                   1.2                                                7
                                                                            30 r/min
                                                                      6     240 r/min
                   1.0                                                5     360 r/min
                  Friction coefficient  0.8                          Contact resistance/Ω  4 3
                                                                            480 r/min
                   0.6
                                             30 r/min
                   0.4
                                             240 r/min
                                             360 r/min                2
                   0.2                                                1
                                             480 r/min
                   0.0                                                0
                     0     20    40    60    80    100                 0     20    40     60    80    100
                                  Time/min                                          Time/min
                             (a) Friction coefficient                          (b) Contact resistance

                     Fig. 2  Effect of rotation speed on friction coefficient and contact resistance in current-carrying rolling contact
                                         图 2    转速对滚动载流摩擦系数和接触电阻的影响
   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83