金合金導電環刷絲結構與轉速對配對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，陜西 西安 710021；2.中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119）

導電環是兩個相對旋轉設備之間用來傳遞電流、信號的關鍵零部件，主要是依靠電刷架和滑環組成的配對副之間進行滑動接觸，進而在兩個旋轉體之間傳遞電流和信號[1-2]，是整個設備中最容易失效的單體零部件之一。而導電環的失效有可能導致設備性能的下降，嚴重時還可能會導致整個設備的癱瘓，造成嚴重的后果，所以對導電環的失效機理進行分析是非常有必要的。導電環的失效主要是由于配對副間的相對滑動引起的摩擦磨損行為，從而引起摩擦系數和接觸電阻的波動，是電流和信號在傳輸過程中產生波動，嚴重時會導致電流和信號的傳遞出現中斷[3-4]。

國外在摩擦磨損方面的研究比國內開始的要早很多，從上世紀20 年代開始，國外就對不同材料的摩擦磨損特性進行大量研究，到目前為止已經積累了比較完善的知識成果。國內在這方面相對于國外雖然起步晚，但經過了20 多年的不斷努力，如今已經取得了豐富的成果，極大地縮短了與國外的差距。目前國內外對導電環配對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導電滑環摩擦磨損特性影響最大的因素，但是對刷架結構、粗糙度、滑環表面硬度等對導電環配對副材料的摩擦磨損性能的影響等方面研究很少[5-9]。

國內外的研究學者通過長期的研究發現，金的化學穩定性、導電性和導熱性都很好，所以國內外學者常用金基合金作為低載荷、小載流條件下的精密導電滑環的接觸材料，本文選用金銅鉑銀合金作為電刷材料，環道材料選擇金銀銅合金。本實驗對三種不同電刷結構的配對副在三種轉速下進行對比實驗，得到不同電刷結構配對副在滑動過程中的摩擦系數和接觸電阻的變化特性，對后面的研究學者在研究導電環的摩擦特性上起到很好的借鑒作用。

1 試樣制備與試驗方法

本實驗研究的導電環為柱式導電環，柱式導電環主要由滑環、電刷架、固定支撐架等設備組成，為此制備了三種刷絲結構，其單根刷絲直徑0.5mm，長40mm，本實驗的刷絲結構為單絲、雙絲和絲束（7 根絲）三種刷絲結構，雙絲和絲束通過直徑1.21mm 的銅管固定，其滑環內徑73mm，外徑77mm，高2.2mm，配對副材料與刷絲結構如表1 所示。同時選擇5rpm、30rpm、100rpm 三種轉速，法向壓力為10g，在常溫常壓下測量20min。實驗儀器選擇RTEC 摩擦磨損實驗機，摩擦系數可以由RTEC 摩擦磨損試驗機測得，配對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、刷絲電阻和導電滑環電阻之和，刷絲和導電滑環電阻很小，相對于接觸電阻可以忽略不計，所以測得電阻可以直接視為接觸電阻。

表1 配對副材料與結構

2 試驗結果與討論

2.1 刷架結構和轉速對摩擦系數的影響

摩擦系數是配對副作相對滑動時的摩擦力和刷架所受到的法向載荷的比值，如果摩擦系數過大，就會導致配對副在相對滑動過程中產生較大的摩擦力矩[10]。

利用MATLAB 對摩擦系數進行濾波處理，結果如圖1 所示，從圖1 的三幅圖可以看出，當轉速為5rpm 時，摩擦系數隨時間表現為快速增大；當轉速為30rpm 時，摩擦系數隨時間變化幅度較小，呈現相對穩定的狀態；當轉速達到100rpm 時，摩擦系數隨時間呈現出快速下降的現象；初始摩擦系數隨著轉速的增大而增大，結束時摩擦系數隨轉速的減小而減小。刷架結構為單絲結構的配對副，在不同轉速下的摩擦系數都呈現出較小的數值，且隨滑動的不斷進行，摩擦系數呈現較為穩定的狀態。雙絲結構的摩擦系數大于單絲結構的配對副，小于絲束結構的配對副。由圖1 得出，隨著刷絲個數的增加，刷絲與滑環的接觸面積增大，摩擦系數隨之增大。

圖1 三種刷架結構在三種轉速下的摩擦系數

配對副的接觸面實際上是配對副的兩個粗糙表面的接觸，真實接觸狀態是雙方表面上一些凸峰相互接觸來實現的，凸峰外的部分沒有產生實際接觸，因此兩個表面真實接觸面積實際上遠小于名義上的接觸面積。本實驗中刷絲結構從單絲到雙絲再到絲束形式，配對副間的真實接觸面積不斷增大，所以初始摩擦系數也隨著真實接觸面積的增大而增大。當轉速低時，配對副的表面隨著滑動的進行，凸峰的直徑逐漸變大，真實接觸面積隨著滑動的進行不斷變大，所以摩擦系數呈現快速變大的現象。當轉速達到100rpm 時，隨時間的進行，配對副間接觸點的溫度升高，滑環表面出現“梨溝現象”，導致真實接觸面積減小，即摩擦系數呈現快速下降的現象。

2.2 刷絲結構和轉速對接觸電阻的影響

當電流通過配對副的接觸材料時，會產生額外的附加電阻，這個電阻就是接觸電阻，接觸電阻過大將會導致配對副的表面產生高溫，破壞電流傳輸穩定性，應該保持接觸電阻的阻值和波動值都比較小，減小接觸電阻對電流信號傳輸影響；如果接觸電阻波動值過大，嚴重時可能會導致信號傳輸出現瞬斷的現象，瞬斷是指滑環在傳輸電信號的過程中出現信號丟失的現象，這是在傳輸過程中必須避免的現象[11-12]。

實驗結果利用MATLAB 進行濾波處理，由圖2 得出，刷架結構為單絲的配對副，在不同轉速情況下，接觸電阻都遠大于其他結構的配對副；隨著轉速的增大，單絲和雙絲結構配對副的接觸電阻有明顯的波動，而絲束結構配對副的接觸電阻隨轉速的增大，沒有明顯的波動，由此可見絲束結構配對副的接觸電阻在穩定性上比單絲和雙絲結構都要好。

圖2 三種刷架結構在三種轉速下的接觸電阻

因為配對副間的接觸實際上是兩接觸表面間粗糙峰的接觸，同時在實際接觸的過程中，有一些接觸點因為氧化或者雜質等原因，導致無法傳遞電流，這類接觸點稱為“導電斑點”，所以實際接觸面積遠遠小于理論接觸面積。刷架結構為單絲的配對副，接觸面積與雙絲和絲束結構的配對副相比，配對副間的接觸面積較小，所以單絲結構配對副的接觸電阻最大，雙絲和絲束結構的配對副的接觸電阻相對較小。由圖2 可知，隨著刷絲個數的增加，刷架與環道的接觸面積增大，所以接觸點增大，從而接觸電阻減小。

3 結論

（1）絲束結構配對副的摩擦系數最大，且隨著轉速的增大，摩擦系數的斜率逐漸減小。

（2）雙絲結構配對副的摩擦系數在兩者之間，接觸電阻與絲束較為接近。

（3）刷絲結構隨著刷絲個數的增加，刷絲與環道的接觸面積越大，摩擦系數越大，接觸電阻越小；反之，刷絲與環道的接觸面積越小，摩擦系數越小，接觸電阻越大。