Page 33 - 《摩擦学学报》2021年第4期

476 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

2 枢轨界面温度场分析 电枢位移为1.99 m. 增强型电磁轨道炮有限元网格模
型如图2所示，枢轨接触区域网格细化，电枢体网格尺

2.1 计算条件 寸为2 mm，内轨道网格尺寸为4 mm. 在有限元分析过
在Maxwell瞬态电磁场分析中，施加的脉冲电流 程中，内轨道外表面固定约束，与电枢接触内表面自
曲线如图1(a)所示，脉冲电流峰值为663.4 kA，电流放 由；电枢体沿发射方向自由运动；外表面与外界热交
电时间为1.8 ms. 在发射过程中，电枢速度和电枢位移 换方式设置为自然对流. 由于摩擦磨损发生在枢轨接触
变化曲线如图1(b)所示，电枢出膛速度为2 003.9 m/s， 区域，因此给出了电枢和内轨道的几何尺寸，如图3所示.

700
2 000 2.0
600 Velocity
Displacement
500 1 500 1.5
Current/kA 400 Velocity/(m/s) 1 000 1.0 Displacement/m
300
200 500 0.5
100
0 0.0
0
0.000 0 0.000 5 0.001 0 0.001 5 0.002 0 0.000 0 0.000 5 0.001 0 0.001 5 0.002 0
Time/s Time/s
(a) Current (b) Velocity and displacement
Fig. 1 Current，velocity and displacement curve of armature with time
图 1 电流、速度、位移随时间变化曲线

y
力，进而得到枢轨间总体接触压力变化. 枢轨间的接
触压力由洛伦兹力和过盈力共同提供，保证高速运动
过程中枢轨间良好的接触状态，枢轨间接触压力随时
间变化曲线如图4(a)所示. 枢轨之间的接触压力主要
x
由洛伦兹力提供，作用于电枢与轨道接触表面，并垂
z 直于接触表面指向轨道方向. 过盈产生的预紧力只在
发射初期为枢轨间良好的接触提供必要的接触压力.
Fig. 2 Finite element mesh model model
在脉冲电流上升阶段，垂直于轨道方向的洛伦兹力和
of electromagnetic railgun
图 2 电磁轨道炮有限元网格模型 枢轨间接触压力逐渐增大，但两者之间增加并不呈线
性关系. 由接触电阻计算公式(1)可知，枢轨间接触电

10 mm 阻变化趋势如图4(b)所示. 通过分析变化曲线，接触电
20 mm 阻变化趋势大致可分为三部分：急剧下降阶段、平稳
阶段和稳步上升阶段. 0~0.4 ms时刻可以看作急剧下
降阶段，电枢由静止开始运动，脉冲电流急剧上升至
17 mm 峰值导致接触压力增大，接触电阻迅速减小；0.4~0.8 ms
5 mm
时刻可以看作平稳阶段，接触电阻为0.045 mΩ左右，
4 mm 48 mm 10 mm 当电流达到峰值时，枢轨间接触压力最大，枢轨间接
触电阻最小，大约为0.040 mΩ；0.8 ms至电枢出膛可以
Fig. 3 Geometric dimensions of the armature and rails 看作稳步上升阶段，随着电流的逐渐减小，枢轨间接
图 3 电枢轨道的几何尺寸
触压力逐渐减小，电枢和轨道间的接触斑点数目减
电磁轨道炮发射过程中，加载图1(a)所示脉冲电 少，接触电阻逐渐增加.
流，计算整个发射过程中每时刻电枢受到的洛伦兹 在电磁轨道炮发射过程中，电枢和轨道发生相对