Page 35 - 《摩擦学学报》2021年第4期

478 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

600
60
500
Joule heat flow/10 5 W 30 Temperature/℃ 400
45

300

15

0 200
100
0.000 0 0.000 5 0.001 0 0.001 5 0.002 0
0 500 1 000 1 500 2 000
Time/s Length of rails/mm

Fig. 6 Total heat flow at armature contact surface Fig. 9 Temperature curve of the rail surface along
图 6 电枢接触面热流总量 the launch direction
图 9 沿发射方向轨道表面温度变化曲线
35 程极短，轨道表面产生的温度纵向扩散只发生在2 mm
30 范围内. 轨道表面最高温度为553.04 ℃，横截面纵向
Friction heat flow/10 5 W 20 低. 轨道接触表面2 mm区域内温度迅速下降，轨道表
深度2 mm以下区域，轨道内部温度分布均匀且数值较
25

面材料极易发生性质改变. 由温度曲线的变化趋势，
15
10
度下轨道磨损状态提供有力的理论支撑.
5 可以进一步对轨道表面进行分层处理，为研究不同温
0 电枢出膛时刻接触表面温度分布情况如图11所
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Part/N 示，可见电枢出膛时刻接触表面最高温度为2 471.3 ℃，

Fig. 7 Friction heat flow after discretization 超过铝合金材料熔点650 ℃，电枢接触表面发生熔化，
图 7 离散后摩擦热流量 同时整个发射过程中表面温度逐渐向电枢体内部纵
向扩散. 电枢喉部温度约为300 ℃，主要原因是由于电
A: Transient thermal
Temperature 流的趋肤效应导致电流密度在喉部发生集中. 由电枢
Type: Temperature
Unit: ℃ 表面最高温度变化情况(图12)可以发现，0~0.5 ms
Time: 1.8e-003
内电枢最高温度缓慢上升，且总体温度低于铝材料熔
553.04 Max
495.87 化温度；0.5~1.5 ms时刻内电枢最高温度迅速上升，接
438.69
381.52 触表面温度超过2 000 ℃，远远高于材料熔点；1.5 ms
324.34
267.17 直至发射结束，电枢最高温度又趋于平缓且有缓慢下
209.99
152.82 降趋势，但最高温度一直处于材料熔点之上. 在电枢
95.641
38.465
−18.71 Min X Y 发射初期，施加的脉冲电流较小，枢轨间接触电阻产
Max 0 250 500 mm Z 生的热流量较小，电枢表面最高温度变化缓慢；发射

Fig. 8 Temperature distribution of the rail surface 中期，脉冲电流急剧上升达到峰值，电枢表面获得的
at the time of discharge 热流量增大，表面温度呈急剧上升趋势；发射后期，脉
图 8 出膛时刻轨道表面温度分布情况
冲电流逐渐下降，接触面热流量下降，且向电枢内部
传递，因此电枢表面温度逐渐趋于平缓.
随着电枢速度的提高及枢轨接触压力的增大，累积的
在电枢接触表面纵向上超过铝材料熔点的最大
摩擦热造成枢轨接触面上第二次温度明显上升，直至
厚度为电枢熔化层厚度. 电枢熔化层厚度随时间变化
电枢出膛阶段，电流逐渐减小，枢轨接触面上的焦耳热
曲线如图13所示，可见在电枢发射初期，熔化层厚度
逐渐减小，轨道上的整体温度逐渐稳定在200 ℃左右. 几乎未发生改变；0.5 ms时刻后，熔化层厚度迅速
轨道纵向截面的温度扩散情况和轨道纵向截面 增大，一直持续到电枢出膛，电枢表面熔化层厚度约
温度变化曲线如图10所示. 从电枢发射至出膛整个过 为0.45 mm. 图14为电枢尾部截面纵向扩散深度分布