海军工程大学研究团队提出一种高速滑动电接触电枢表面动态磨损过程分析方法

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电枢是电磁发射装置的关键部件，其表面磨损是引起发射过程中转捩的原因之一，同时磨损也会严重削弱电枢的力学性能，影响发射安全性。海军工程大学研究团队考虑电枢表面磨损量变化、温度升高及电枢尾翼向外扩张过程中反向受力的影响，建立了尾翼磨损量理论计算模型，同时考虑电磁场-温度场-应力场-磨损等耦合因素建立了三维有限元计算模型，对电枢尾翼磨损量进行了更为准确的分析。

研究背景

电枢是电磁发射装置的关键部件，对试验后电枢的实测结果表明，动态发射过程中其表面会产生严重磨损。磨损会带来以下两个方面的问题：1）电枢磨损熔化后会在内膛形成积铝层，附着在轨道表面，增大表面粗糙度；2）尾翼磨损后，电枢所能够承受的力学性能被极大削弱，影响发射安全性。因此，有必要针对电枢表面动态磨损过程展开深入研究。

论文所解决的问题及意义

现有电枢表面磨损量分析方法难以兼顾磨损量计算的准确性及分析过程的高效性，且仅采用试验也难以对发射过程中电枢磨损量的控制提供优化方向。基于上述情况，本文建立了计算电枢尾翼磨损量的理论及有限元分析模型，可考虑温度、接触力与磨损量间的耦合迭代关系，不仅可以提高计算效率，也能较为全面的考虑各因素对电枢尾翼磨损量的影响，为电枢结构性能的改进及枢轨接触性能的改善提供了有效的技术途径。

论文方法及创新点

本文分别建立了理论分析模型及有限元模型对高速滑动电接触过程中电枢尾翼的磨损过程进行分析，详细分析方法如下：

（1）电枢磨损量理论计算模型

图1 电枢动态磨损过程分析

电枢动态磨损过程如图1所示，动态发射过程中，在摩擦热及接触电阻所产生焦耳热的作用下，使得电枢温度升高，温度的变化会引起本体弹性模量的变化，弹性模量及磨损量的变化会影响枢轨接触力，而枢轨接触力的变化又会反过来影响电枢本体的磨损量。

因此，温度、磨损量及接触力互相影响，在磨损量计算过程中存在耦合迭代的关系，上述三者的变化关系如图2所示。

图2 各变量间的耦合关系

图中，T代表温度，E为材料的弹性模量，W为电枢磨损量，Fc为枢轨接触力。在上述工作基础上，建立电枢尾翼磨损量理论计算模型，其计算过程如图3所示。

图3 电枢尾翼磨损量计算模型

（2）电枢磨损量有限元分析模型

另外，考虑电磁场-温度场-应力场及磨损的影响，在有限元软件中建立电枢表面磨损分析的三维有限元分析模型，其1/4模型的网格划分如图4所示。

图4 电枢及轨道网格划分

对动态发射过程进行分析，不同时刻电枢尾翼磨损量如图5所示。

图5 不同时刻电枢磨损状态

将有限元计算结果与理论分析模型进行对比，如图6所示，分析结果表明，采用有限元分析模型计算电枢出口时磨损量为1.944mm，与理论模型的分析结果及磨损量变化趋势基本一致，且与实测结果更为接近，验证了所建立模型的准确性，如表1所示。

图6 理论分析模型及有限元模型计算结果对比

表1 电枢尾翼磨损量分析结果汇总（单位：mm）

结论

通过分析，本文所得结论如下：

（1）电枢表面磨损量是在电因素及力因素的共同作用下产生的；

（2）考虑了表面磨损量变化、温度及电枢尾翼向外扩张过程中反向受力等因素影响后，分析得到电枢表面磨损量较不考虑时小19.5%，但考虑后与实测值更为接近，证明了分析过程中上述影响因素不可忽略；

（3）相比理论分析模型中对电枢尾翼法向力分量及反向受力的近似计算方法，有限元模型更为精确，其计算得到电枢尾翼磨损量与实测值也更为接近，验证了所建立模型的准确性。

团队介绍

电磁能技术全国重点实验室

研究人员隶属于海军工程大学电磁能技术全国重点实验室，实验室先后承担国家自然科学基金项目、973项目及863项目等100余项，其中杰出青年基金3项、优秀青年基金3项。获国家科技进步特等奖1项、一等奖3项、二等奖2项、创新团队奖1项、国家技术发明三等奖2项。实验室现有中国工程院院士1人，“长江学者”特聘教授1人，国家百千万人才工程8人，2015年被海军授予创新强军马伟明模范团队荣誉称号。

论文通讯作者鲁军勇为海军工程大学教授、博士生导师、国家杰青、国家电磁能武器技术创新团队负责人、国家万人计划领军人才。长期从事电磁发射技术研究工作，研究领域包括极端条件直线电机技术、脉冲储能技术。出版学术专著1部，发表论文180篇，授权专利80余项。

论文作者李白为海军工程大学助理研究员，主持国家自然科学基金一项，主要研究领域为电磁发射技术、电磁热力多场耦合数值计算。

本文编自2023年第1期《电工技术学报》，论文标题为“高速滑动电接触电枢表面动态磨损过程研究”。本课题得到国家自然科学基金和湖北省自然科学基金的支持。

引用本文

李白, 鲁军勇, 谭赛, 张永胜, 蔡喜元. 高速滑动电接触电枢表面动态磨损过程研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(1): 131-139. Li Bai, Lu Junyong, Tan Sai, Zhang Yongsheng, Cai Xiyuan. Research on Dynamic Wear Process of Armature Surface in High-Speed Sliding Electric Contact. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(1): 131-139.

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