脈衝大電流高速滑動電接觸界面電流熔蝕特性研究

《脈衝大電流高速滑動電接觸界面電流熔蝕特性研究》是依託華中科技大學，由夏勝國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：脈衝大電流高速滑動電接觸界面電流熔蝕特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：夏勝國
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

電磁軌道發射技術中電樞導軌之間是一種脈衝大電流高速滑動電接觸。其接觸面上最大電流密度接近材料的承受極限，可達40kA/mm,電流作用時間為幾個毫秒。電接觸受到電流自身產生的幾十特斯拉的強磁場作用，電樞在導軌上的最高滑動速度可達2km/s。本項目旨在研究這種極限條件下的電接觸界面材料的電流熔蝕特性。考察電流、速度等因素對熔蝕模式、熔蝕量等電流熔蝕特性的關係規律，分析電流熔蝕的發生機理和傳播規律；建立電流熔蝕理論模型，研究液態熔蝕材料的電動力學特性及其對電接觸性能的影響規律；研究電流下降對熔蝕模式以及液態熔蝕材料行為方式的影響，嘗試進行電流下降沿轉捩的物理機制研究。本項目的研究結果一方面將促進電磁軌道發射技術的進步，另一方面，還將有助於深化人們對脈衝大電流作用下的高速滑動電接觸現象的認識，具有很好的學術和套用價值。

結題摘要

電流熔蝕效應是指脈衝大電流高速滑動電接觸中由於樞軌接觸面上電流極高且分布極不均勻，導致的電樞材料熔化現象。該效應是電接觸性能劣化和導致轉捩的重要原因，也會在樞軌接觸面上形成金屬液化層，影響接觸面潤滑特性，是本領域的重要研究方向。本課題深入研究了電流熔蝕模式、影響因素和機理、發生髮展過程及熔蝕產生的金屬液化層特性，為極限滑動電接觸裝置設計和理論研究提供支撐。 根據電流熔蝕形貌及其潤滑特徵，總結出三種熔蝕模式：壓力約束熔蝕、擴張性熔蝕和貫通性熔蝕。電流熔蝕呈現出不同的模式是由於磁擴散現象發展的程度不同以及液態鋁的流動所導致。隨著電流增長，在壓力約束熔蝕下潤滑效應不斷增強，但進入擴張性熔蝕模式後，潤滑效應隨之進入飽和狀態，直到進入貫通性熔蝕後潤滑效應才繼續增強。 基於磁擴散方程的樞軌電磁場分布仿真表明，電流傾向於集中在壓力集中區域的邊緣而不是內部，這是由於壓力集中區域內部接觸電阻較小導致磁擴散係數較小，使得高頻電流脈衝難以擴散進入。仿真還分析了材料和壓力分布對磁擴散的影響，並根據實驗結果討論了仿真分析的正確性。 結合實驗和理論分析確定了電流熔蝕的起始位置和擴展規律，並討論了產生的機理。結果表明，熔蝕的起始位置是初始過盈壓力集中區域的邊緣，隨著電流增大和界面液態鋁的累積，電磁力使液態鋁向電樞頭部運動，從而使電流集中位置向電樞頭部移動，使得熔蝕範圍沿電樞側邊沿向頭部擴展。 基於流體方程開展了金屬液化層流體動壓潤滑理論研究，結果表明電樞速度達到1300m/s以上金屬液化層會出現不穩定，從而導致膜厚減小。金屬液化層的膜厚和壓強都隨樞軌相對速度的增加而增大，最大膜厚位於電樞尾翼端部。