基于觸點(diǎn)接觸材料的瞬斷試驗(yàn)研究

北京航空精密機(jī)械研究所　郭治軍　鐘江英　戴長(zhǎng)軍

引言

導(dǎo)電滑環(huán)觸點(diǎn)的微觀表面狀況包括接觸材料的“先天”缺陷和導(dǎo)電滑環(huán)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后導(dǎo)電環(huán)與刷絲摩擦磨損狀況。導(dǎo)電滑環(huán)采用導(dǎo)電環(huán)和刷絲的結(jié)構(gòu)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在導(dǎo)電環(huán)和刷絲的材料選擇方面有過較多的研究，本文在接觸材料的“先天”缺陷方面不做深入研究，主要通過研究導(dǎo)電環(huán)與刷絲摩擦磨損狀況來(lái)研究導(dǎo)電滑環(huán)的瞬斷情況。然而導(dǎo)電環(huán)與刷絲的摩擦磨損亦與其材料特性有關(guān)，本文在研究導(dǎo)電滑環(huán)觸點(diǎn)接觸材料的特性對(duì)導(dǎo)電環(huán)與刷絲的摩擦磨損的影響時(shí)，只選擇了目前我們普遍采用幾種材料作為研究對(duì)象，以便于我們研究工作的開展。

1.觸點(diǎn)接觸材料磨損特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1　試驗(yàn)滑環(huán)的設(shè)計(jì)

本文研究的是一種高精密導(dǎo)電滑環(huán)，它由導(dǎo)電滑環(huán)與刷絲及其組件構(gòu)成，導(dǎo)電環(huán)與電刷絲采用貴金屬合金材料，刷絲呈“Ⅱ”型與導(dǎo)電環(huán)對(duì)稱接觸，借助刷絲的彈性壓力與導(dǎo)電環(huán)的滑動(dòng)接觸來(lái)傳遞信號(hào)和電流。這種導(dǎo)電滑環(huán)廣泛用在各種精密設(shè)備上。

根據(jù)導(dǎo)電滑環(huán)對(duì)接觸摩擦副材料的要求以及目前實(shí)際應(yīng)用等情況，導(dǎo)電環(huán)選用材料為黃銅鍍覆貴金屬，刷絲分別選用金銀銅（AuAgCu20-30），金鎳九（AuNi9）和AO2（AuAgCuZn17-7）作為接觸摩擦副材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)材料的硬度和電阻率參數(shù)如表1：

表1　各材料的參數(shù)

試驗(yàn)所用的導(dǎo)電滑環(huán)由60對(duì)導(dǎo)電環(huán)和刷絲組成，導(dǎo)電環(huán)材料為黃銅H62鍍覆貴金屬，刷絲的材料布置情況為1-20環(huán)使用刷絲Au-AgCu20-30，21-40使用刷絲AuNi9，41-60環(huán)使用AuAgCuZn17-7。

為保證電刷絲與導(dǎo)電滑環(huán)的導(dǎo)電環(huán)充分接觸，導(dǎo)電環(huán)又被設(shè)計(jì)成“V”形環(huán)。電刷絲是靠彈性壓力與“V”形環(huán)槽相對(duì)滑動(dòng)，接觸“V”形槽表面粗糙度在Ra0.1～Ra0.2之間，導(dǎo)電環(huán)的外徑為Φ27.5mm。

電刷絲與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽接觸，接觸面為“V”形，工作時(shí)滑環(huán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，而刷絲固定，因此電刷絲與導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽發(fā)生滑動(dòng)磨損。試驗(yàn)所用的3種電刷絲的直徑均為0.4mm。

1.2　試驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)

本文主要是通過研究接觸材料摩擦磨損特性來(lái)研究摩擦副材料特性對(duì)瞬斷的影響，因此在試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)固定其他影響因素的取值，即由三種摩擦副組成的導(dǎo)電滑環(huán)，應(yīng)工況一致，如工作電流, 工作轉(zhuǎn)速，三種摩擦副對(duì)應(yīng)的刷絲壓力、導(dǎo)電環(huán)直徑等因素也應(yīng)保持一致，以確定材料特性對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)瞬斷的影響。

經(jīng)驗(yàn)表明，在速度不高于300rpm時(shí)，溫升和刷絲壓力變化都是不明顯的，對(duì)滑環(huán)的摩擦磨損不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，為了保險(xiǎn)起見，試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)速選為200rpm。根據(jù)導(dǎo)電滑環(huán)的實(shí)際工作狀況，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，對(duì)刷絲壓力和電流進(jìn)行合理取值進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)為：導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)速200rpm，電流3A，刷絲壓力10g，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)4×106轉(zhuǎn)。

2.觸點(diǎn)磨損量的測(cè)量

摩擦磨損試驗(yàn)均在無(wú)潤(rùn)滑條件下，分別在相同的工作參數(shù)條件下進(jìn)行不同接觸材料的摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)的主要測(cè)量手段如下：

導(dǎo)電滑環(huán)和刷絲兩種材料的質(zhì)量磨損量采用直徑減小法測(cè)量，即：采用帶數(shù)顯外徑千分尺（分辨率為0.001mm，重復(fù)精度±0.002mm）分別測(cè)量試驗(yàn)前后的刷絲直徑（每次重復(fù)測(cè)量三次，取其平均值），并根據(jù)兩者之差來(lái)計(jì)算質(zhì)量磨損量。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

為了使試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，并且使試驗(yàn)效率較高，要給試驗(yàn)制定出合理的試驗(yàn)步驟，跑合試驗(yàn)結(jié)束后，用帶數(shù)顯外徑千分尺測(cè)量刷絲直徑，通過整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出不同刷絲的平均直徑及磨損量（直徑減小量）如表2、圖1所示：

表2　不同刷絲的平均直徑及磨損量

圖1　試驗(yàn)后導(dǎo)電滑環(huán)刷絲直徑分布

根據(jù)上表可知，三種刷絲的磨損情況是AuNi9＜AuAgCuZn17-7＜AuAgCu20-30。

通過比對(duì)不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間跑合試驗(yàn)后，硬度越高的刷絲磨損量越小。對(duì)其瞬斷進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電環(huán)為H62鍍覆貴金屬，不同材料刷絲與導(dǎo)電環(huán)接觸摩擦副出現(xiàn)瞬斷的概率由大到小順序是AuAgCu20-30、AuNi9和AuAgCuZn17-7。

4.結(jié)論

經(jīng)綜合分析可知，AuAgCu20-30硬度較低，較容易形成粘著磨損，較多的磨損物對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)的瞬斷存在較大的影響；AuNi9硬度最高，其與導(dǎo)電環(huán)（硬度為320-380）較為接近，雖然其磨損量最小，其與導(dǎo)電環(huán)在“硬碰硬”的情況下亦較易出現(xiàn)瞬斷；Au-AgCuZn17-7瞬斷性能最好，其硬度和磨損量介于AuAgCu20-30與AuNi9之間，但其與導(dǎo)電環(huán)材質(zhì)之間有較好的材料匹配性，是綜合性能最為優(yōu)異的導(dǎo)電滑環(huán)刷絲材料。

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