鋁合金刷電樞的電磁發(fā)射特性研究*

趙月紅，張丹丹，趙曉玲，戰(zhàn)再吉

(1.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室，河北秦皇島 066004;2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河北秦皇島 066100)

1 引 言

電磁軌道發(fā)射由于具有高初速度、遠射程、威力大、易操控、低發(fā)射成本等優(yōu)點，已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域中的研究熱點[1-11]。電樞作為發(fā)射系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，對電磁發(fā)射設(shè)備的工作特性具有重要影響。在發(fā)射過程中，電樞必須承受兆安級的超強電流，這種極端條件對電樞的強度、韌性、耐瞬間高溫以及抗燒蝕性能提出苛刻要求。固體電樞-軌道間的熱現(xiàn)象主要由電流趨膚效應(yīng)和滑動電接觸引起[2-3]，電流趨膚效應(yīng)會造成電流集中分布，進而產(chǎn)生很高的局部溫度，導(dǎo)致電樞材料表面熔化、腐蝕甚至破裂。電樞燒蝕的部位大多位于電樞和軌道相接的尾部[4]，且速度越快燒蝕越嚴重。

為了分析電流趨膚效應(yīng)的機理并找到解決途徑，相關(guān)人員做了大量研究工作。采用有限元方法分析發(fā)現(xiàn)，C型電樞中電流密度集中于樞導(dǎo)接觸面尾端[5-7]；從電樞傳導(dǎo)性以及樞軌接觸區(qū)形狀角度出發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)在趨膚深度遠小于軌道電阻層厚度以及使用一定形狀的梯形固體電樞時，趨膚效應(yīng)影響最小[8]；不同形狀和材料的電樞發(fā)射過程中會引起不同的電流密度分布，分級疊層電樞有利于電流密度的均勻分散[9-11]；采用多觸點刷狀電樞使電流從多個觸點流過，在一定程度上起到分散電流的作用[12]。

本研究提出一種鋁合金刷電樞，該電樞由多個電刷單元構(gòu)成，起到初步分散電流的作用。每個電刷單元又由若干根并聯(lián)的金屬纖維組成，目的是使電流從上千根并聯(lián)的金屬纖維上均勻流過，起到抑制電流趨膚效應(yīng)的作用。通過單次發(fā)射試驗研究其發(fā)射特性，觀察發(fā)射后刷電樞結(jié)構(gòu)的損傷程度，研究刷通電電流、接觸壓力對電樞質(zhì)量損失的影響，在此基礎(chǔ)上分析刷電樞的損傷機制。

2 實驗材料與方法

圖1所示為鋁合金刷電樞實物圖。刷電樞結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電刷和結(jié)構(gòu)支撐板兩部分，電刷材料分別選擇?0.1 mm和?0.2 mm的表面經(jīng)氧化絕緣處理的鋁合金纖維，結(jié)構(gòu)支撐板材料為聚碳酸酯。鋁合金導(dǎo)電刷形狀在安裝過程中做成C形，共含12簇纖維束，當鋁合金纖維直徑為0.1 mm時，每簇纖維束包含260根纖維；當鋁合金纖維直徑為0.2 mm時，每束包含190根纖維，電樞與軌道有效接觸面積均為452.2 mm2。纖維束之間用絕緣紙相互分隔。為確保在電磁軌道發(fā)射過程中電樞與軌道保持良好接觸，導(dǎo)電刷上下端均高出結(jié)構(gòu)支撐板5 mm。結(jié)構(gòu)支撐板長55.0 mm、寬20.8 mm、高27.0 mm，使用螺栓緊固。

圖1 刷電樞實物圖 Fig.1 An actual brush armature

圖2 試驗電流的波形 Fig.2 Current pulse waveform in the experiment

軌道材料為彌散Cu復(fù)合材料。電磁發(fā)射過程試驗參數(shù)為：電容脈沖放電，峰值電流100～350 kA，波形如圖2所示。利用電磁發(fā)射裝置的緊固件調(diào)節(jié)接觸壓力，壓力分別為1.2、1.6和2.0 kN，環(huán)境氣壓120 Pa，相對濕度50%～80% RH。

采用精度為10-4g的電子天平稱量刷電樞發(fā)射試驗前后的質(zhì)量并計算質(zhì)量損失，取3次讀數(shù)平均值,用高清照相機對實驗后刷電樞的表面宏觀形貌進行觀察,用掃描電鏡和能譜儀對刷電樞的微觀形貌和表面元素分布進行觀察和檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 刷電樞損傷形貌

圖3為?0.1 mm鋁合金刷電樞在初始接觸壓力為1.6 kN時，電磁發(fā)射試驗后的宏觀損傷照片。由圖3可見，在100～350 kA的峰值電流下，刷電樞均保持著較完整的主體結(jié)構(gòu)，未發(fā)生明顯的破裂，表明刷電樞在強電流的電磁發(fā)射過程中具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。每簇鋁合金纖維端部均出現(xiàn)融化后再凝固的形貌，說明電流流經(jīng)大部分鋁合金纖維，由于纖維束之間互相絕緣，能夠有效地分散電流，起到抑制電流趨膚效應(yīng)的作用。在圖3(a)和圖3(b)中，試驗電流較小，電樞表面的燒蝕程度最輕，電極表面的纖維束連接不緊密，但是沒有明顯的凹凸不平的痕跡。金屬纖維束發(fā)生燒損的程度較輕微，說明刷電樞發(fā)射過程中，電樞與軌道之間處于穩(wěn)定接觸狀態(tài)。隨著試驗電流值的增加，焦耳熱會隨之增加，并伴隨滑動電接觸過程中電弧熱的增加，使表面的溫升過高，燒蝕情況越來越嚴重。如圖3(c)所示，當試驗電流達到200 kA時，電樞損傷程度較嚴重，鋁合金纖維束高度顯著降低。纖維束之間的連接不再緊密，接觸發(fā)生一定程度的表面熔化，呈高低不平狀態(tài)。當電流值由250 kA提高到350 kA，如圖2(d)、圖2(e)、圖2(f)所示，電樞表面的燒蝕程度相比于200 kA時并未持續(xù)提高。當電流為350 kA時，纖維束的燒蝕面與200 kA時的形貌相似。

圖3 ?0.1 mm鋁合金刷電樞損傷形貌宏觀照片 Fig.3 Macro-photographs of ?0.1 mm aluminum alloy armature after single launch

3.2 刷電樞質(zhì)量損失

圖4為接觸壓力分別為1.2、1.6、2.0 kN，試驗電流從100 kA提高到350 kA時，?0.1 mm鋁合金刷電樞的質(zhì)量損失變化曲線。由圖4可見，在初始接觸壓力不變的條件下，隨著電流的增加，電樞的質(zhì)量損失先逐漸增加；當電流值增加到250 kA時，電樞質(zhì)量損失達到最大值；隨著電流的繼續(xù)增加，其質(zhì)量損失有減小趨勢。在電流為100 kA，初始接觸壓力為1.2 kN時，刷電樞的質(zhì)量損失最小，約為0.391 1 g。當電流為350 kA時，電樞的質(zhì)量損失比電流為300 kA時略有增加，但仍低于250 kA時的質(zhì)量損失值。在相同的試驗電流條件下，如300 kA，當接觸壓力從1.2 kN增加到1.6 kN時，電樞質(zhì)量損失量減少，當接觸壓力進一步增加到2.0 kN時，電樞質(zhì)量損失又進一步增加。在試驗電流100～350 kA范圍內(nèi)、不同接觸壓力下質(zhì)量損失的規(guī)律相近，表明接觸壓力對發(fā)射過程中的電樞質(zhì)量損失影響很大。

圖4 ?0.1 mm鋁合金刷電樞的質(zhì)量損失隨電流的變化曲線 Fig.4 Curves of the relation between mass loss of ?0.1 mm aluminum alloy armature versus current

圖5 ?0.2 mm鋁合金刷電樞的質(zhì)量損失隨電流的變化曲線 Fig.5 Curves of the relation between mass loss of ?0.2 mm aluminum alloy armature versus current

圖6 電樞纖維束受力示意圖 Fig.6 Schematic diagram of Lorentz force on the armature

刷電樞質(zhì)量損失隨著電流的增加而增加，這是由于焦耳熱增加使接觸表面的溫度急劇升高，導(dǎo)致電極材料熔化或蒸發(fā)，使質(zhì)量損失增加。此外，接觸點的電弧熱和摩擦熱的存在也會增加電樞損傷。當質(zhì)量損失達到最大值后，隨著電流的繼續(xù)增加，質(zhì)量損失減小。造成這種變化的原因在于刷電樞纖維束所受到的電磁力作用對樞軌接觸狀態(tài)的影響。纖維束電樞在外加壓力的作用下，在發(fā)射過程中呈C型分布，C型排列的纖維束在大電流以及強磁場交互作用時，會受到洛倫茲力的作用，電樞纖維束的受力狀態(tài)如圖6所示。

金屬纖維束在滑動電接觸過程中所受到的洛倫茲力與試驗電流的關(guān)系為：F∝i2，即洛倫茲力的大小與電流平方成正比。在電磁力的作用下，彎曲的導(dǎo)電纖維束受到洛倫茲力作用，由于在纖維束的左右方向被電樞的結(jié)構(gòu)支撐板固定，而上下方向處于相對自由狀態(tài)，只受到裝配預(yù)緊力的作用，所以在洛倫茲力的作用下，使纖維束上下兩方向與軌道緊密接觸，這與C型固體電樞尾翼的作用效果一樣。當試驗電流增加時，纖維束兩端所受的洛倫茲力也非常大，電樞與軌道之間的接觸間隙減小，降低了電極的質(zhì)量損失。

3.3 刷電樞金屬纖維損傷機理

圖7為?0.1 mm鋁合金刷電樞纖維端面微觀形貌和表面能譜。由圖7可見，單根鋁合金纖維的損傷表面存在著很多微小的氣孔，在邊緣位置有明顯的剝落痕跡。根據(jù)纖維端面的形貌，可以將刷電樞損傷分為機械磨損區(qū)和電弧燒蝕區(qū)。機械磨損區(qū)的產(chǎn)生是由于滑動電樞與軌道之間存在高速的摩擦磨損，使鋁合金纖維材料局部受到高強度應(yīng)力-應(yīng)變作用，產(chǎn)生塊狀剝落；電弧燒蝕區(qū)的產(chǎn)生是由于電磁發(fā)射過程中高強瞬態(tài)電流會形成電弧產(chǎn)生大量的焦耳熱。另外在電樞的高速滑動中，刷電樞與軌道之間的滑動電接觸產(chǎn)生電弧熱，這些短時間在電樞纖維端面集聚的熱量會使刷電樞局部溫度升高，當溫度超過鋁合金熔點時，鋁合金會瞬間軟化、熔化甚至蒸發(fā)，形成燒蝕坑和滴狀顆粒。處于液態(tài)的金屬會吸收少量環(huán)境空氣中的氣體，在隨后的快速冷卻的過程中，這些氣體從液體金屬中逸出，在表面形成氣孔。

?0.1 mm鋁合金刷電樞纖維端面燒蝕較嚴重，對燒蝕區(qū)域進行了能譜檢測分析，可以看到，鋁合金纖維燒蝕表面主要分布著鋁元素，其次是銅、氧以及碳等元素。銅元素的存在說明軌道上的銅在滑動電接觸過程中轉(zhuǎn)移到電樞的表面，機械磨損和電弧燒蝕均有可能造成電樞和軌道材料的互相轉(zhuǎn)移。氧元素和碳元素的存在說明材料在電弧燒蝕過程中發(fā)生了部分氧化現(xiàn)象，發(fā)射裝置絕緣板和電樞支撐板中的碳少量覆蓋到了電樞的表面。

圖7 ?0.1 mm的鋁合金刷電樞表面形貌掃描照片和能譜圖 Fig.7 SEM and EDS images of damage surface on ?0.1 mm aluminum alloy armature

圖8為?0.2 mm鋁合金刷電樞電弧燒蝕表面微觀形貌和元素分布。從微觀形貌圖中可以看出，在鋁合金刷電樞的表面有明顯的燒蝕坑及懸掛在纖維表面的滴狀顆粒，并且存在微小的氣孔。與圖7?0.1 mm的鋁合金刷電樞相對比，其端表面的燒蝕程度明顯減輕，主要表現(xiàn)為機械磨損形貌。由于選用的金屬纖維束的直徑較大，纖維束的整體剛度增加，在纖維的邊緣處基本觀察不到由于高強度應(yīng)力-應(yīng)變作用產(chǎn)生的塊狀剝落。在鋁纖維滑動電接觸表面有明顯的摩擦磨損痕跡，其主要磨損機制為粘著磨損。

圖8 ?0.2 mm的鋁合金電樞燒蝕表面微觀形貌和元素分布 Fig.8 SEM and element content of ablated surface on ?0.2 mm aluminum alloy armature

從端表面能譜掃描圖可以看出，鋁合金的滑動電接觸表面均勻分布一部分的銅元素以及氧元素。說明在電樞的表面材料發(fā)生了部分氧化，軌道和電樞材料之間發(fā)生互相轉(zhuǎn)移，這是由電弧燒蝕與機械摩擦磨損共同作用的結(jié)果。與圖7對比，可以得出結(jié)論：選用合適直徑的金屬纖維束可以有效地分散電流，在一定程度上抑制電流趨膚效應(yīng)，降低電弧燒蝕，并且改善滑動電接觸狀況。

4 結(jié) 論

為抑制電流密度集中，實現(xiàn)分散電流，提出了一種新型鋁合金刷電樞，并對其發(fā)射特性進行了研究。研究結(jié)果表明：鋁合金刷電樞在預(yù)壓力1.6～2.0 kN，試驗電流200～350 kA的發(fā)射試驗中能夠保持完整的結(jié)構(gòu)。鋁合金纖維束能夠有效分散電流，對電流趨膚效應(yīng)具有一定的抑制作用。接觸壓力保持不變，電流變化范圍為100～350 kA時，刷電樞的質(zhì)量損失隨電流的增加先增大，到250 kA時達到最大，隨后減小。刷電樞質(zhì)量損失與合金纖維直徑有關(guān)，當其直徑由0.1 mm提高到0.2 mm時，質(zhì)量損失減小。選擇合適的初始接觸壓力能夠有效降低電樞質(zhì)量損失，不同纖維直徑的刷電樞對應(yīng)不同的最佳初始壓力。微觀形貌觀察結(jié)果表明，鋁纖維損傷主要形式為機械磨損和電弧燒蝕。

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