CuAgNi刷絲載流磨損試驗研究

摘? 要：以CuAgNi材料的刷絲和黃銅表面鍍Ag材料的滑環組成導電滑環摩擦副，應用于風電變槳系統中傳遞電流和信號。以風電裝置的實際工作條件為試驗基礎，進行載流摩擦磨損試驗，分析此摩擦副載流磨損的成因以及磨損機制，同時對滑動摩擦條件下此摩擦副主要的磨損形式進行研究。

關鍵詞：CuAgNi;風電;載流磨損;滑動摩擦

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract： A conductive sliding ring friction pair is composed of a CuAgNi brush wire and a sliding ring coated with Ag on a brass surface， which is used to transmit current and signal in a wind turbine rotor system. Based on the actual working conditions of wind power unit test， load flow friction and wear experiment was carried out， to analyze the cause of the friction pair of current-carrying wear and wear mechanism，and to study the main friction forms in the condition of sliding friction.

Keywords： CuAgNi;Wind power;On-stream wear sliding; Friction

1 載流磨損試驗

運用加速磨損試驗機對CuAgNi電刷絲與黃銅表面鍍Ag滑環進行磨損試驗，由于正常情況下導電滑環的壽命可達到10年以上，為縮短試驗時間，采用加速磨損的試驗方法，在轉速200rpm，接觸載荷0.5N，電流0.2A進行載流摩擦磨損試驗。試驗后得到CuAgNi電刷絲的表面形貌如圖1所示。

圖1 CuAgNi電刷絲載流磨損后形貌

從圖1中可以看出，CuAgNi電刷絲表面材料出現脫落，而且還有犁溝、麻點和凹坑，并且出現了銀色物質熔融之后積成的瘤。電刷絲的磨損形式主要是疲勞磨損、黏附磨損、磨粒磨損以及電弧侵蝕。

2 載流磨損機理分析

CuAgNi和黃銅表面鍍Ag兩種固體材料相接觸，接觸表面并不是完全光滑的，而是無數個離散的微凸體接觸。導電滑環摩擦副工作過程中有電流通過，當電流通過接觸表面的微凸體時，微凸體之間的微小間隙會產生靜電場，由于靜電場發射電子的作用，微凸體間隙之間的氣體將會被電離，從而形成微電弧。微小電弧會導致接觸材料在接觸點發生電弧侵蝕，而侵蝕程度的嚴重與否受到接觸材料微凸體接觸點多少的影響，接觸點越少，產生的微電弧就越多，電弧侵蝕程度就越嚴重。

在導電滑環工作的過程中，電刷絲和滑環之間需要傳遞電流，導致電接觸材料的磨損形式要比不傳遞電流的摩擦副的磨損形式更加復雜，不僅有機械磨損，還有電氣磨損。如圖2所示，電刷絲和滑環接觸面微凸體上同時存在摩擦力和電流，工作過程中接觸表面的溫度不斷升高，接觸材料溫升將引起其表面的熱氧化，從而導致材料的物理性質發生改變，材料遭到破壞。周而復始的破壞以及熱氧化作用便形成了載流摩擦副的磨損。

S.Kubo用表達式：

WS=a·Eb? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

表示了電弧能量與電弧侵蝕量之間的關系。其中，WS表示材料的電弧侵蝕量;E表示材料的電弧能量，與電弧電壓U、電流I、電弧燃熾時間t有關;a、b是接觸材料相關的系數。根據以上公式可以得出結論，CuAgNi電刷絲的電弧侵蝕程度不僅與工作時電流的大小有關，還與接觸材料本身的各項物理系數有關。CuAgNi電刷絲和黃銅表面鍍Ag滑環摩擦副接觸材料表面在電流的作用下產生熱量。

在加速磨損試驗中，CuAgNi電刷絲和黃銅表面鍍Ag滑環摩擦副接觸材料在滑動摩擦作用下，循環應力使得接觸材料達到疲勞極限，電刷絲表面材料被剝離，出現大量的凹坑，形成疲勞磨損。同時電流通過微凸體，且在微凸體間形成電弧，電弧的放電和高溫引起電刷絲和滑環之間的接觸材料的轉移和熔融，導致電氣磨損，電氣磨損的形式主要是電弧侵蝕，受到電弧侵蝕的材料表面化學腐蝕現象明顯，存在大的剝落坑和磨粒等。電流引起的焦耳效應使電刷絲材料發生相變，導致材料表面軟化，材料流動性和延展性的增強，引起黏附磨損，同時脫落的材料在接觸材料表面形成第三體磨粒磨損，導致電刷絲材料表面出現犁溝，磨粒磨損也使CuAgNi電刷絲表面出現更多的凹坑和麻點，加速疲勞磨損。

結論

綜上所述，CuAgNi材料的電刷絲和黃銅表面鍍Ag材料的滑環組成的導電滑環摩擦副載流磨損的過程中既有機械磨損又伴隨著電氣磨損，磨損形式復雜多樣，電氣磨損的形式主要是電弧侵蝕，電弧侵蝕加劇機械磨損。CuAgNi電刷絲的載流磨損形式以黏附磨損、疲勞磨損、磨粒磨損以及電弧侵蝕為主。

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