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载流摩擦磨损的温度场有限元数值模拟研究

蒋慧平  
【摘要】: 载流摩擦磨损问题属于特殊工况下的摩擦学问题,在这个过程中有多种热量的产生:即摩擦热、接触电阻热及电弧热,这些热量会导致摩擦副的温度升高。 本研究基于大型通用有限元分析软件ANSYS10.0,建立了地铁钢铝复合式第三轨与受电靴温度场模型。模拟摩擦副的载流摩擦磨损温度场分布,系统研究了模型在不同电流、相对滑动速度、法向压力等条件下的温度场分布及最高温度变化情况。 通过对三种材料耦合场分布及耦合最高温度变化规律的分析得以下结论: (1)耦合温度分布或者以电接触点为中心,耦合最高温度出现在受电靴的表面区域,或者以纯机械摩擦接触面的中线为中心,温度梯度以最高温度区域为中心向四周呈递减趋势,且温度梯度越来越小; (2)在其它参数一定的条件下,浸金属碳材料和铜基粉末冶金材料耦合最高温度随电流的增大而升高;对于铜,耦合最高温度随电流的变化规律与其它两种材料基本相同;但有一个特殊情况,当相对滑动速度和法向压力较大时,耦合最高温度随电流的变化先保持不变后升高的趋势; (3)对于同种材料,在电流取某一定值的条件下,当法向压力取很小值时,耦合最高温度随着相对滑动速度的增大而降低;当法向压力取较小值时,耦合最高温度随着相对滑动速度的增大先降低后保持不变;法向压力取较大值时,耦合最高温度随着相对滑动速度的增大保持定值,并且法向压力越大,定值越大; (4)对于浸金属碳材料和铜基粉末冶金材料,在法向压力取60~270N的情况下,当相对滑动速度取某一定值时,电流取较小值,耦合最高温度随法向压力的增大先下降后上升,即呈“U”字型变化趋势;电流取较大值,耦合最高温度随法向压力的增大而下降; (5)对于铜,在法向压力取60~270N的情况下,当相对滑动速度取一较大定值时,电流取较小值,耦合最高随法向压力的增大不断升高;电流取较大值,耦合最高温度随法向压力的增大呈“U”字型变化趋势;当相对滑动速度取一较小定值时,电流取较小值,耦合最高温度随法向压力的增大呈“U”字型变化趋势;电流取较大值时,耦合最高温度随法向压力的变化规律与其它两种材料在相同条件下相同; (6)对于铜,在法向压力取30~270N的情况下,当相对滑动速度取一较大定值时,电流取较大值,耦合最高随法向压力的增大呈“U”字型变化趋势;在其它情况下,耦合最高随法向压力的增大表现出与其它两种材料在相同条件下基本相似的规律。 通过分别对三种材料三种最高温度的对比分析得以下结论: (1)三种材料耦合最高温度随法向压力的变化过程,可能会出现最小的耦合最高温度值,这个最小耦合最高温度值会对应一个“临界法向压力”,这个“临界法向压力”可作为选择材料参数的依据; (2)在相对位移一定的条件下,电流较小时,三种材料耦合最高温度随法向压力的变化可能会出现“U”字型变化趋势,不同的是出现“U”字型变化趋势时的“临界法向压力”值不同,“临界法向压力”值受电流、相对滑动速度及材料特性的影响; (3)在相对位移一定的条件下,当电流较大,相对滑动速度较小,法向压力取30N时,浸金属碳材料和铜基粉末冶金材料会出现材料热变形,在选择参数时要尽量避免材料变形。


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