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《华中科技大学》 2005年
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开关电器触头材料喷溅侵蚀模型研究及其试验

吴细秀  
【摘要】:在开关和继电器开断过程中会出现电弧放电现象,由它引起的触头侵蚀是导致开关电器不能正常工作的主要原因。电弧侵蚀的复杂性和理论研究的不足,导致触头材料的筛选主要依靠试验,周期长、投资大,不利于新材料的开发。为提高新产品的研制效益,必须从理论上研究电弧侵蚀现象。电弧侵蚀有蒸发汽化侵蚀和喷溅侵蚀两种形式。本文主要研究了喷溅侵蚀现象,建立了喷溅侵蚀量与材料性质参数之间的关系模型。 为研究喷溅侵蚀特征,文章建立了熔池流动与传热模型,计算了液态熔池流速场的分布,分析了熔池流动特征。计算结果表明:熔池中部分流动区域处于紊流区,它是喷溅的易发区和集中区。一方面紊流流体瞬时速度存在不规则性和随机性,它直接导致喷溅现象在微观上具有随机性和离散性; 另一方面紊流流体的时平均速度具有统计规律使熔池喷溅量在宏观上具有统计规律。 根据喷溅现象的上述特性,论文建立了两种喷溅侵蚀模型:基于能量涨落的喷溅侵蚀模型和基于概率统计的喷溅侵蚀模型。 基于能量涨落的喷溅模型指出喷溅是熔池动能与表面张力束缚能的竞争的结果,只有液滴动能超过了熔池表面张力束缚能才有可能发生喷溅现象。为此,模型分析了熔池的受力情况,讨论了熔池的受力与熔池动能和表面张力束缚能的关系,最后得出了熔池动能、表面张力束缚能与喷溅量大小的定量关系。模型仿真结果表明:①触头发生喷溅侵蚀时,喷溅率存在突变现象; ②当触头材料的粘滞系数介于0.1~1.0 之间时,粘滞系数的变化对材料喷溅量有很大影响; 当粘滞系数小于0.1 时,它的变化对喷溅几乎没有影响。 从概率统计的角度考虑,紊流、熔池气泡的逸出和熔池暴沸是影响喷溅概率的主要因素,喷溅概率由熔池大小、几何尺寸和熔池温度这三个基本参量唯一决定。在此结论的基础上,文章讨论了熔池基本参数与喷溅概率的关系,建立了能计算喷溅量相
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