不同熱源對鋼板材料體溫升的影響

不同熱源對鋼板材料體溫升的影響

一般滑動材料（純碳滑動、堿性金屬碳滑動、銅基粉末滑動）和銅接觸導線摩擦磨損試驗結果表明，在受流條件下，其磨損顯著增加。尤其是銅基粉末板材料在200a下的磨損率非常嚴重。決定材料受流摩擦磨損機制的主要因素是溫度的升高,鑒于目前關于滑板材料在滑動受流中溫升的分析計算尚未見報道,本文采用Algor有限元分析軟件,模擬計算受流摩擦過程中上述各種滑板材料的體溫升行為,分析各種熱源對滑板體溫升的影響,對深入理解各種滑板材料受流摩擦磨損的機理具有重要的意義。1溫度場計算模型在一般三維熱傳導問題中,對于有內部發(fā)熱源的瞬態(tài)溫度場的場變量θ(x,y,z,t)在直角坐標中應滿足的偏微分方程是D?cpοθοt?οοx(λxοθοx)?οοy(λyοθοy)?οοz(λzοθοz)?qv=0(1)D?cpοθοt-οοx(λxοθοx)-οοy(λyοθοy)-οοz(λzοθοz)-qv=0(1)其邊界條件主要有:在Γ1邊界上θ=θˉθ=θˉ在Γ2邊界上λxοθοxnx+λyοθοyny+λzοθοznz=qrλxοθοxnx+λyοθοyny+λzοθοznz=qr在Γ3邊界上λxοθοxnx+λyοθοyny+λzοθοznz=h(θa?θ)λxοθοxnx+λyοθοyny+λzοθοznz=h(θa-θ)式中,t為時間,s;D為密度,kg/m3;cp為材料定壓比熱,J/(kg·K);λx、λy、λz分別是材料沿X、Y、Z方向的熱傳導系數(shù),W/(m·K);nx、ny、nz為邊界外法線方向余弦;qv為物體內部的熱源密度,W/m3;qr為在Γ2邊界上給定的熱流密度,W/m2;h為放熱系數(shù),W/(m2·K);θa為外界環(huán)境溫度或邊界層絕緣壁的溫度。邊界條件滿足Γ1+Γ2+Γ3=ΓΓ1+Γ2+Γ3=Γ式中,Γ是計算模型的全部邊界。試驗用各種滑板材料的形狀,其長度方向的尺寸遠大于寬度及高度的尺寸,因而可以將其沿長度方向的溫度變化看作近似為零。以上三維的熱傳導方程簡化為二維問題,并由于試驗所用滑板材料都是各向同性的,由式(1)可得其熱傳導方程為οθοt=a(ο2θοx2+ο2θοy2)+qvDcp(2)οθοt=a(ο2θοx2+ο2θοy2)+qvDcp(2)式中,a為導溫系數(shù),m2/s,a=λ/(D·cp)。同樣,邊界條件為在Γ1邊界上θ=θˉθ=θˉ在Γ2邊界上λ(οθοxnx+οθοyny)=qrλ(οθοxnx+οθοyny)=qr在Γ3邊界上λ(οθοxnx+οθοyny)=h(θa?θ)λ(οθοxnx+οθοyny)=h(θa-θ)求解瞬態(tài)溫度場問題是求解在初始條件下(θ=θ0,t=0時),滿足瞬態(tài)熱傳導方程及邊界條件的場函數(shù)θ。本文在溫度場計算中,為了多次試驗的可比性,將環(huán)境溫度換算到θ0=0℃,則θ為溫升。在滑動受流條件下,對滑板體溫升計算的二維處理模型做以下假設:(1)滑板與導線之間的摩擦熱、接觸電阻熱以及電弧熱在受流摩擦過程中為均勻恒定值;(2)僅考慮熱傳導過程和放熱過程,不計熱輻射過程;(3)受流摩擦過程中,材料本身的特性、接觸表面的特性與時間和空間無關;(4)滑板組件的平均放熱系數(shù)是恒定的。試驗條件下,用于有限元溫升計算的各種滑板接觸電阻的測量值及各項熱物理性能參數(shù)見表1。2滑板內溫升測量純碳滑板溫升試驗是在鐵道部科學研究院自行研制的滑板受流摩擦磨損試驗機上進行的,試驗參數(shù)為電流200A、接觸壓力70N、滑動速度80km/h、導線表面不平度|Δ|約為0.125mm。取幾何形狀對稱的滑板組件后半部進行溫度測量及有限元計算,如圖1所示。在離接觸導線表面3mm的滑板內部鉆有直徑為ue001φ2mm的小孔通至滑板中心,放入熱電偶,以動態(tài)測量滑板底部中點的溫升。試驗時,導線在滑板的下方。2.1材料體流密度q在碳滑板計算模型中,受流摩擦引起滑板溫升的熱流量主要來自以下幾個方面:(1)在滑板和導線的摩擦界面上,進入滑板邊界的總熱流密度qΓ,主要包括摩擦熱引起的邊界熱流密度qΓf、接觸電阻熱引起的邊界熱流密度qΓR,以及電弧熱產(chǎn)生的邊界熱流密度qΓa,即qΓ=qΓf+qΓR+qΓa(3)qΓ=qΓf+qΓR+qΓa(3)(2)電流通過滑板和鋼托架之間的接觸電阻所產(chǎn)生的邊界熱流密度qC-Fe;(3)碳滑板材料體電阻Rc引起的內熱流密度qVc;(4)鋼托架材料體電阻引起的內熱流密度qVFe。2.2溫升的計算和計算受流滑動時,滑板除受以上熱流源的作用外,同時向外部釋放熱量,因而必須確定放熱系數(shù)。為排除熱流源因素的干擾,本文以純降溫過程來確定平均放熱系數(shù)。首先測出滑板試樣在冷卻過程中的溫度變化,包括兩組試驗:一組為導線圓盤以試驗線速度80km/h轉動時,造成滑板周圍空氣受迫流動,而得到的空氣放熱系數(shù)h1,用于試驗條件下的溫升計算;另一組為導線圓盤以試驗線速度5km/h轉動時,而得到放熱系數(shù)h2,用于以下接觸電阻引起溫升的計算。試驗和計算結果分別如圖2(a)和圖2(b)所示。二者吻合時,得出滑板組件運行速度為80km/h時的放熱系數(shù)h1=6×10-5W/(m2·K)和滑板組件運行速度為5km/h時的放熱系數(shù)h2=2.7×10-5W/(m2·K)。2.3純碳4滑動摩擦面的熱流密度計算采用放熱系數(shù)h1=6×10-5W/(m2·K),綜合考慮滑板滑動受流面上的摩擦熱、接觸電阻熱以及電弧熱的作用,并根據(jù)試驗結果可以模擬計算出80km/h速度下的純碳滑板的溫升,確定出滑動摩擦面上總邊界熱流密度。圖3為純碳滑板溫升試驗與計算結果曲線圖?；宀牧蠝y試點的溫升基本上穩(wěn)定在76℃。計算得到,滑動接觸面的綜合平均熱流密度qΓ=1.1×104W/m2。圖4(a)和圖4(b)為該試驗條件下,純碳滑板運行時間分別是30s和3600s后,模擬計算所得到的滑板截面溫度場圖?？梢钥闯?滑板材料體溫度場的最高溫度區(qū)是在靠近滑動接觸區(qū)一側。在確定了滑板總邊界熱流密度qΓ后,可分別采用如下方式確定qΓf、qΓR和qΓa值。2.4穩(wěn)態(tài)熱傳導狀態(tài)為確定摩擦功所引起的邊界熱流密度qΓf,在其它試驗參數(shù)相同的條件下,測量了未受流時滑動摩擦試驗中的溫升。運行一小時后,溫升基本穩(wěn)定在6℃左右,可認為是穩(wěn)態(tài)熱傳導狀態(tài)。計算得到純碳滑板截面的溫度場分布如圖5所示,摩擦功造成的邊界熱流密度qΓf=1.1×103W/m2。2.5純碳4-2熱設計為確定滑動面接觸電阻引起的熱流密度qΓR,采用降低滑板滑動速度的方式。當滑動速度為5km/h時,示波器顯示導線與滑板之間不出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象。同時,在該條件下,每條滑板接觸表面由摩擦功所產(chǎn)生的最大熱量與接觸電阻產(chǎn)生的熱量相比要小得多。在受流電流200A,接觸壓力70N的條件下,一小時后的溫升基本穩(wěn)定在105℃。代入放熱系數(shù)h2=2.7×10-5W/(m2·K),計算得到純碳滑板的截面溫度場如圖6所示。從而得到接觸電阻引起的邊界熱流密度qΓR=7×103W/m2。相比之下,此時摩擦功所產(chǎn)生的邊界熱流密度僅為70W/m2,可以忽略不計。2.6標準量相減試驗用模擬試驗方法,直接分離電弧所引起的滑板滑動面上的熱流密度qΓa是很困難的,這是因為兩極間離線間距非常小,并須保證電弧放電發(fā)生在整個滑板接觸面上,試驗無法滿足要求。故采用標量相減的方法由式(3)得到試驗中電弧引起的邊界熱流密度如下qΓa=qΓ?qΓf?qΓR=1.1×104?1.1×103?7×103(1?β)qΓa=qΓ-qΓf-qΓR=1.1×104-1.1×103-7×103(1-β)式中,β為離線率。根據(jù)測試結果,在試驗速度80km/h條件下,純碳滑板的離線率β約為40%,則有qΓa=5.7×103W/m2qΓR=4.2×103W/m2qΓf=1.1×103W/m2qΓa=5.7×103W/m2qΓR=4.2×103W/m2qΓf=1.1×103W/m23滑動面溫度場模擬依照純碳滑板體溫升的計算方法,試驗參數(shù)仍然為電流200A、接觸壓力70N、滑動速度80km/h、導線表面不平度|Δ|約為0.125mm。浸金屬碳滑板的溫升試驗與計算結果如圖7所示。滑板滑動受流面上的總熱流密度qΓ=1.2×104W/m2,滑板材料測試點的溫升穩(wěn)定在64℃。圖8(a)和圖8(b)為浸金屬碳滑板運行時間分別為30s和3600s,模擬計算所得到的滑板截面溫度場圖。同理,根據(jù)浸金屬碳滑板純摩擦熱和接觸電阻熱穩(wěn)定試驗溫升分別為5℃和70℃的結果,在試驗速度80km/h條件下,滑板離線率仍為40%,計算得到qΓa=7.6×103W/m2qΓR=3.1×103W/m2qΓf=1.3×103W/m2qΓa=7.6×103W/m2qΓR=3.1×103W/m2qΓf=1.3×103W/m24銅基粉末4445銅基粉末冶金滑板與碳系滑板的差別比較大,特別是電阻率很低(ρ=2×10-7Ω·m),比碳系滑板小兩個數(shù)量級,導電性能良好,接觸電阻也非常低。試驗參數(shù)為電流200A、接觸壓力70N、滑動速度80km/h、導線表面不平度|Δ|約為0.036mm。圖9為銅基粉末冶金滑板的試驗與計算溫升曲線圖,計算得到總邊界熱流密度為2.2×104W/m2,滑板材料的溫升穩(wěn)定在40℃。圖10(a)和圖10(b)為銅基粉末冶金滑板在運行時間分別為30s和3600s后,模擬計算所得到的滑板截面溫度場。銅基粉末冶金滑板由純摩擦引起的穩(wěn)定溫升與碳系滑板相當,約為5℃。但由于接觸電阻較小,所以接觸電阻熱相對于碳系滑板的低很多,試驗測得穩(wěn)定溫升僅為4℃～5℃。計算得到由純摩擦熱以及接觸電阻熱引起的熱流密度分別為2.8×103W/m2和5×102W/m2。在滑動速度80km/h條件下,由于試驗時導線表面不平度|Δ|值比較小,銅基粉末冶金滑板試驗時的平均離線率較低,約為15%,換算后得到qΓa=1.88×104W/m2qΓR=4.3×102W/m2qΓf=2.8×103W/m2qΓa=1.88×104W/m2qΓR=4.3×102W/m2qΓf=2.8×103W/m25熱流密度的影響在以上各種滑板材料的有限元的分析計算中,其體電阻熱對滑板體溫升影響極小,都可以忽略不計。將引起各種滑板體溫升的不同熱流密度計算結果換算成邊界熱流量,顯示如圖11所示,可以對比分析各種熱流量對不同材料的影響程度。由圖可見,試驗條件各種滑板材料不同邊界熱流量有以下特點。5.1熱性能與極限熱流量的關系不同滑板材料由摩擦熱所引起的體溫升相近,邊界熱流量數(shù)值比較小。其中以銅基粉末冶金材料的邊界熱流量最高,浸金屬碳材料次之,純碳材料最小。這與三種滑板材料摩擦系數(shù)及熱導率的排列順序相對應。三種滑板材料由摩擦力做功引起的體溫升都不高,因而對滑板磨損的熱影響作用不大。摩擦力在受流摩擦磨損中的主要作用是引起犁溝現(xiàn)象,對摩擦表面形成沖擊和切削作用。5.2金屬基粉末的作用純碳材料由于接觸電阻大,因而接觸電阻熱最大,溫升也最高;浸金屬碳材料由于浸漬金屬的作用,有效降低了接觸電阻,所以邊界熱流量和溫升都有顯著降低;而銅基粉末冶金滑板接觸電阻很低,邊界熱流密度及溫升都非常低。由試驗及計算結果可以看出,金屬材料由于電阻率很小,其接觸電阻也很小,可以有效降低接觸電阻熱。5.3銅基粉末4—電弧熱引起的邊界熱流量在受流摩擦磨損中,電弧熱對滑板材料邊界熱流量的影響,起著非常重要的作用。邊界熱流量強,表明電弧放電引起滑板材料的表面侵蝕破壞嚴重。因而電弧熱引起的邊界熱流量的大小,也顯示了該種材料的耐電弧侵蝕能力。試驗及計算可以看出,雖然銅基粉末冶金滑板材料的試驗參數(shù)|Δ|值已經(jīng)降低,離線率也由40%降至約15%,而電弧熱引起的邊界熱流量仍然最大。由此說明銅基粉末冶金滑板耐電弧侵蝕能力差。這主要是由于金屬材料的導熱系數(shù)相對于碳材料大得多,雖然電弧作用的時間很短,但吸收的熱量比較多,邊界熱流密度大,致使滑板溫升增高。純碳材料由于導熱差,電弧熱影響區(qū)域相對較小。而浸金屬碳材料,由電弧熱引起的邊界熱流量介于以上兩種滑板之間,既具有碳的潤滑和耐電弧性能,又有效降低了接觸電阻。5.4不同材料對邊界熱源含量的影響總邊界熱流量的排列順序由大到小依次為:銅基粉末冶金材料、浸金屬碳材料和純碳材料,與占邊界熱流量數(shù)值較大部分的電弧熱順序相當,說明電弧熱是引起邊界熱源的主要因素,但不同的滑板材料電弧熱所占的比例不同。6受流合金材料綜合以上的試驗分析,可以得到如下結論:(1)根據(jù)滑板材料實測溫升數(shù)據(jù),并結合有限元計算方法,可以有效地分析各種滑板材料受流摩擦時的電弧熱、接觸電阻熱、摩擦熱對其體溫升的作用,以及對滑板材料受流磨損的影響。(2)純碳滑板材料在受流摩擦磨損中,由電弧熱引起的邊界熱流量最小,因而具有良好的耐電弧侵蝕能力;但由于接觸電阻比較高,即使無電弧時的受流接觸,滑板溫升仍然比較高。(3)銅基粉末冶金滑板材料與碳系材料相比,由于接觸電阻極低,其接觸電阻熱可以忽略不計;但該材料的在受流摩擦中由電弧引起的熱流量遠大于碳系滑板材料,使其在大電流和離線率高的情況下,摩擦表面遭到破壞,產(chǎn)生嚴重的磨粒磨損和熔融粘著磨損。(4)浸金屬碳材料,由電弧熱引起的邊界熱流量介于以上兩種滑板之間,既具有碳的潤滑和