Page 34 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 卢铜钢, 等: 洛伦兹力与温度场作用下枢轨摩擦磨损特性 477

0.25
250 Preload
Lorentz force
200 Contact force 0.20
Force/kN 150 Contact resistance/mΩ 0.15

100
50 0.10
0.05
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) Contact pressure vs time (b) Contact resistance vs time

Fig. 4 Contact pressure and contact resistance between armature and rails with time
图 4 枢轨间接触压力和接触电阻随时间的变化曲线

运动，枢轨之间接触面位置随电枢的运动是不断变化 柱状图如图5所示. 由于枢轨间形成的接触电阻在轨
的，且枢轨之间的热量也按分配系数分别传递到轨道 道接触带上的位置是时刻不断发生变化的，因此依据
和电枢的接触表面. 在电枢运动过程中，电枢接触表 图1(b)中位移曲线，将轨道长度按每0.1 ms内电枢位
面上的热量随发射时间不断累积，而轨道上传递的热 移的距离进行离散化处理，即将整体轨道离散化为
载荷却随接触位置改变发生变化. 因此，电枢和轨道 18段，同时将接触面产生的热量也以每0.1 ms的间隔
接触面上的热载荷设置需要分情况讨论进行分析. 进行离散化处理，将每段对应的平均热流量施加到对
轨道接触表面分布的平均热流量和位移离散化 应的轨道表面上.

200
16
14 150
Average heat flux/10 6 W 10 8 6 4 Displacement/mm 100
12

50

0 2 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Part/N Part/N
(a) Histogram of average heat flow (b) Histogram of displacement
Fig. 5 Histogram between average heat flow and displacement
图 5 平均热流量与位移之间柱状图

电枢接触表面焦耳热流总量和离散后摩擦热流 场和应力场的数值计算.

量分别如图6和图7所示. 在电枢运动过程中，电枢表 2.2 计算结果分析
面始终与轨道接触，因此接触电阻生热和摩擦热在电 电枢出膛时刻(1.8 ms时刻)轨道接触表面温度场
枢表面是1个累积过程. 在计算分析电枢表面温度场 分布情况如图8所示. 观察图像可以发现，电枢出膛
时，首先利用有限元软件Maxwell瞬态场计算电枢体 后，轨道整体温度分布不均匀，整条导轨上温度场呈
的电流密度，其中电枢表面设置0.5 mm薄层模拟接触 阶梯状分布，且最高温度区域出现在电枢发射初始阶

电阻，接触电阻设置为0.045 mΩ；然后将电流密度数 段，最高温度为553.04 ℃. 图9为沿轨道发射方向轨道
据传导至ANSYS Workbench有限元分析软件瞬态温 表面温度曲线. 由图9中曲线可以看出，轨道接触面上
度场分析模块中，同时将离散化摩擦热流密度施加到 的温度明显上升，同时在初始位置出现了两次温度峰
电枢接触表面；最后设置边界条件对电枢体进行温度 值，第一次峰值是由于电流短时间内达到峰值引起，