金合金導(dǎo)電環(huán)刷絲結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速對(duì)配對(duì)副材料摩擦性能的影響*

張 瑞，謝友金，趙志明*，何朝都

（1.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

導(dǎo)電環(huán)是兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備之間用來傳遞電流、信號(hào)的關(guān)鍵零部件，主要是依靠電刷架和滑環(huán)組成的配對(duì)副之間進(jìn)行滑動(dòng)接觸，進(jìn)而在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)體之間傳遞電流和信號(hào)[1-2]，是整個(gè)設(shè)備中最容易失效的單體零部件之一。而導(dǎo)電環(huán)的失效有可能導(dǎo)致設(shè)備性能的下降，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的癱瘓，造成嚴(yán)重的后果，所以對(duì)導(dǎo)電環(huán)的失效機(jī)理進(jìn)行分析是非常有必要的。導(dǎo)電環(huán)的失效主要是由于配對(duì)副間的相對(duì)滑動(dòng)引起的摩擦磨損行為，從而引起摩擦系數(shù)和接觸電阻的波動(dòng)，是電流和信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流和信號(hào)的傳遞出現(xiàn)中斷[3-4]。

國外在摩擦磨損方面的研究比國內(nèi)開始的要早很多，從上世紀(jì)20 年代開始，國外就對(duì)不同材料的摩擦磨損特性進(jìn)行大量研究，到目前為止已經(jīng)積累了比較完善的知識(shí)成果。國內(nèi)在這方面相對(duì)于國外雖然起步晚，但經(jīng)過了20 多年的不斷努力，如今已經(jīng)取得了豐富的成果，極大地縮短了與國外的差距。目前國內(nèi)外對(duì)導(dǎo)電環(huán)配對(duì)副材料的摩擦磨損特性研究最多的是法向載荷和載流等一些對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)摩擦磨損特性影響最大的因素，但是對(duì)刷架結(jié)構(gòu)、粗糙度、滑環(huán)表面硬度等對(duì)導(dǎo)電環(huán)配對(duì)副材料的摩擦磨損性能的影響等方面研究很少[5-9]。

國內(nèi)外的研究學(xué)者通過長期的研究發(fā)現(xiàn)，金的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都很好，所以國內(nèi)外學(xué)者常用金基合金作為低載荷、小載流條件下的精密導(dǎo)電滑環(huán)的接觸材料，本文選用金銅鉑銀合金作為電刷材料，環(huán)道材料選擇金銀銅合金。本實(shí)驗(yàn)對(duì)三種不同電刷結(jié)構(gòu)的配對(duì)副在三種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到不同電刷結(jié)構(gòu)配對(duì)副在滑動(dòng)過程中的摩擦系數(shù)和接觸電阻的變化特性，對(duì)后面的研究學(xué)者在研究導(dǎo)電環(huán)的摩擦特性上起到很好的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)研究的導(dǎo)電環(huán)為柱式導(dǎo)電環(huán)，柱式導(dǎo)電環(huán)主要由滑環(huán)、電刷架、固定支撐架等設(shè)備組成，為此制備了三種刷絲結(jié)構(gòu)，其單根刷絲直徑0.5mm，長40mm，本實(shí)驗(yàn)的刷絲結(jié)構(gòu)為單絲、雙絲和絲束（7 根絲）三種刷絲結(jié)構(gòu)，雙絲和絲束通過直徑1.21mm 的銅管固定，其滑環(huán)內(nèi)徑73mm，外徑77mm，高2.2mm，配對(duì)副材料與刷絲結(jié)構(gòu)如表1 所示。同時(shí)選擇5rpm、30rpm、100rpm 三種轉(zhuǎn)速，法向壓力為10g，在常溫常壓下測量20min。實(shí)驗(yàn)儀器選擇RTEC 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，摩擦系數(shù)可以由RTEC 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測得，配對(duì)副間的接觸電阻通過電阻測量儀直接測量，電阻測試儀測得的電阻是接觸電阻、刷絲電阻和導(dǎo)電滑環(huán)電阻之和，刷絲和導(dǎo)電滑環(huán)電阻很小，相對(duì)于接觸電阻可以忽略不計(jì)，所以測得電阻可以直接視為接觸電阻。

表1 配對(duì)副材料與結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 刷架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)是配對(duì)副作相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力和刷架所受到的法向載荷的比值，如果摩擦系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致配對(duì)副在相對(duì)滑動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的摩擦力矩[10]。

利用MATLAB 對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行濾波處理，結(jié)果如圖1 所示，從圖1 的三幅圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為5rpm 時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間表現(xiàn)為快速增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為30rpm 時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化幅度較小，呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100rpm 時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出快速下降的現(xiàn)象；初始摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，結(jié)束時(shí)摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的減小而減小。刷架結(jié)構(gòu)為單絲結(jié)構(gòu)的配對(duì)副，在不同轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)都呈現(xiàn)出較小的數(shù)值，且隨滑動(dòng)的不斷進(jìn)行，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)。雙絲結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)大于單絲結(jié)構(gòu)的配對(duì)副，小于絲束結(jié)構(gòu)的配對(duì)副。由圖1 得出，隨著刷絲個(gè)數(shù)的增加，刷絲與滑環(huán)的接觸面積增大，摩擦系數(shù)隨之增大。

圖1 三種刷架結(jié)構(gòu)在三種轉(zhuǎn)速下的摩擦系數(shù)

配對(duì)副的接觸面實(shí)際上是配對(duì)副的兩個(gè)粗糙表面的接觸，真實(shí)接觸狀態(tài)是雙方表面上一些凸峰相互接觸來實(shí)現(xiàn)的，凸峰外的部分沒有產(chǎn)生實(shí)際接觸，因此兩個(gè)表面真實(shí)接觸面積實(shí)際上遠(yuǎn)小于名義上的接觸面積。本實(shí)驗(yàn)中刷絲結(jié)構(gòu)從單絲到雙絲再到絲束形式，配對(duì)副間的真實(shí)接觸面積不斷增大，所以初始摩擦系數(shù)也隨著真實(shí)接觸面積的增大而增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，配對(duì)副的表面隨著滑動(dòng)的進(jìn)行，凸峰的直徑逐漸變大，真實(shí)接觸面積隨著滑動(dòng)的進(jìn)行不斷變大，所以摩擦系數(shù)呈現(xiàn)快速變大的現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100rpm 時(shí)，隨時(shí)間的進(jìn)行，配對(duì)副間接觸點(diǎn)的溫度升高，滑環(huán)表面出現(xiàn)“梨溝現(xiàn)象”，導(dǎo)致真實(shí)接觸面積減小，即摩擦系數(shù)呈現(xiàn)快速下降的現(xiàn)象。

2.2 刷絲結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速對(duì)接觸電阻的影響

當(dāng)電流通過配對(duì)副的接觸材料時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的附加電阻，這個(gè)電阻就是接觸電阻，接觸電阻過大將會(huì)導(dǎo)致配對(duì)副的表面產(chǎn)生高溫，破壞電流傳輸穩(wěn)定性，應(yīng)該保持接觸電阻的阻值和波動(dòng)值都比較小，減小接觸電阻對(duì)電流信號(hào)傳輸影響；如果接觸電阻波動(dòng)值過大，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸出現(xiàn)瞬斷的現(xiàn)象，瞬斷是指滑環(huán)在傳輸電信號(hào)的過程中出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象，這是在傳輸過程中必須避免的現(xiàn)象[11-12]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用MATLAB 進(jìn)行濾波處理，由圖2 得出，刷架結(jié)構(gòu)為單絲的配對(duì)副，在不同轉(zhuǎn)速情況下，接觸電阻都遠(yuǎn)大于其他結(jié)構(gòu)的配對(duì)副；隨著轉(zhuǎn)速的增大，單絲和雙絲結(jié)構(gòu)配對(duì)副的接觸電阻有明顯的波動(dòng)，而絲束結(jié)構(gòu)配對(duì)副的接觸電阻隨轉(zhuǎn)速的增大，沒有明顯的波動(dòng)，由此可見絲束結(jié)構(gòu)配對(duì)副的接觸電阻在穩(wěn)定性上比單絲和雙絲結(jié)構(gòu)都要好。

圖2 三種刷架結(jié)構(gòu)在三種轉(zhuǎn)速下的接觸電阻

因?yàn)榕鋵?duì)副間的接觸實(shí)際上是兩接觸表面間粗糙峰的接觸，同時(shí)在實(shí)際接觸的過程中，有一些接觸點(diǎn)因?yàn)檠趸蛘唠s質(zhì)等原因，導(dǎo)致無法傳遞電流，這類接觸點(diǎn)稱為“導(dǎo)電斑點(diǎn)”，所以實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論接觸面積。刷架結(jié)構(gòu)為單絲的配對(duì)副，接觸面積與雙絲和絲束結(jié)構(gòu)的配對(duì)副相比，配對(duì)副間的接觸面積較小，所以單絲結(jié)構(gòu)配對(duì)副的接觸電阻最大，雙絲和絲束結(jié)構(gòu)的配對(duì)副的接觸電阻相對(duì)較小。由圖2 可知，隨著刷絲個(gè)數(shù)的增加，刷架與環(huán)道的接觸面積增大，所以接觸點(diǎn)增大，從而接觸電阻減小。

3 結(jié)論

（1）絲束結(jié)構(gòu)配對(duì)副的摩擦系數(shù)最大，且隨著轉(zhuǎn)速的增大，摩擦系數(shù)的斜率逐漸減小。

（2）雙絲結(jié)構(gòu)配對(duì)副的摩擦系數(shù)在兩者之間，接觸電阻與絲束較為接近。

（3）刷絲結(jié)構(gòu)隨著刷絲個(gè)數(shù)的增加，刷絲與環(huán)道的接觸面積越大，摩擦系數(shù)越大，接觸電阻越??；反之，刷絲與環(huán)道的接觸面積越小，摩擦系數(shù)越小，接觸電阻越大。