基于觸點接觸材料的瞬斷試驗研究

北京航空精密機械研究所　郭治軍　鐘江英　戴長軍

引言

導電滑環觸點的微觀表面狀況包括接觸材料的“先天”缺陷和導電滑環長時間運轉后導電環與刷絲摩擦磨損狀況。導電滑環采用導電環和刷絲的結構經過了幾十年的發展，國內外在導電環和刷絲的材料選擇方面有過較多的研究，本文在接觸材料的“先天”缺陷方面不做深入研究，主要通過研究導電環與刷絲摩擦磨損狀況來研究導電滑環的瞬斷情況。然而導電環與刷絲的摩擦磨損亦與其材料特性有關，本文在研究導電滑環觸點接觸材料的特性對導電環與刷絲的摩擦磨損的影響時，只選擇了目前我們普遍采用幾種材料作為研究對象，以便于我們研究工作的開展。

1.觸點接觸材料磨損特性試驗設計

1.1　試驗滑環的設計

本文研究的是一種高精密導電滑環，它由導電滑環與刷絲及其組件構成，導電環與電刷絲采用貴金屬合金材料，刷絲呈“Ⅱ”型與導電環對稱接觸，借助刷絲的彈性壓力與導電環的滑動接觸來傳遞信號和電流。這種導電滑環廣泛用在各種精密設備上。

根據導電滑環對接觸摩擦副材料的要求以及目前實際應用等情況，導電環選用材料為黃銅鍍覆貴金屬，刷絲分別選用金銀銅（AuAgCu20-30），金鎳九（AuNi9）和AO2（AuAgCuZn17-7）作為接觸摩擦副材料進行試驗研究。

試驗材料的硬度和電阻率參數如表1：

表1　各材料的參數

試驗所用的導電滑環由60對導電環和刷絲組成，導電環材料為黃銅H62鍍覆貴金屬，刷絲的材料布置情況為1-20環使用刷絲Au-AgCu20-30，21-40使用刷絲AuNi9，41-60環使用AuAgCuZn17-7。

為保證電刷絲與導電滑環的導電環充分接觸，導電環又被設計成“V”形環。電刷絲是靠彈性壓力與“V”形環槽相對滑動，接觸“V”形槽表面粗糙度在Ra0.1～Ra0.2之間，導電環的外徑為Φ27.5mm。

電刷絲與導電環環槽接觸，接觸面為“V”形，工作時滑環隨電機轉動，而刷絲固定，因此電刷絲與導電環環槽發生滑動磨損。試驗所用的3種電刷絲的直徑均為0.4mm。

1.2　試驗工況的設計

本文主要是通過研究接觸材料摩擦磨損特性來研究摩擦副材料特性對瞬斷的影響，因此在試驗時，應固定其他影響因素的取值，即由三種摩擦副組成的導電滑環，應工況一致，如工作電流, 工作轉速，三種摩擦副對應的刷絲壓力、導電環直徑等因素也應保持一致，以確定材料特性對導電滑環瞬斷的影響。

經驗表明，在速度不高于300rpm時，溫升和刷絲壓力變化都是不明顯的，對滑環的摩擦磨損不會產生明顯的影響，為了保險起見，試驗時導電環轉速選為200rpm。根據導電滑環的實際工作狀況，進行摩擦磨損試驗時，對刷絲壓力和電流進行合理取值進行試驗，具體試驗參數為：導電環轉速200rpm，電流3A，刷絲壓力10g，試驗時長4×106轉。

2.觸點磨損量的測量

摩擦磨損試驗均在無潤滑條件下，分別在相同的工作參數條件下進行不同接觸材料的摩擦磨損試驗。試驗時的主要測量手段如下：

導電滑環和刷絲兩種材料的質量磨損量采用直徑減小法測量，即：采用帶數顯外徑千分尺（分辨率為0.001mm，重復精度±0.002mm）分別測量試驗前后的刷絲直徑（每次重復測量三次，取其平均值），并根據兩者之差來計算質量磨損量。

3.試驗結果分析

為了使試驗所得到的數據準確可靠，并且使試驗效率較高，要給試驗制定出合理的試驗步驟，跑合試驗結束后，用帶數顯外徑千分尺測量刷絲直徑，通過整理試驗數據，得出不同刷絲的平均直徑及磨損量（直徑減小量）如表2、圖1所示：

表2　不同刷絲的平均直徑及磨損量

圖1　試驗后導電滑環刷絲直徑分布

根據上表可知，三種刷絲的磨損情況是AuNi9＜AuAgCuZn17-7＜AuAgCu20-30。

通過比對不難發現，經長時間跑合試驗后，硬度越高的刷絲磨損量越小。對其瞬斷進行試驗發現，導電環為H62鍍覆貴金屬，不同材料刷絲與導電環接觸摩擦副出現瞬斷的概率由大到小順序是AuAgCu20-30、AuNi9和AuAgCuZn17-7。

4.結論

經綜合分析可知，AuAgCu20-30硬度較低，較容易形成粘著磨損，較多的磨損物對導電滑環的瞬斷存在較大的影響；AuNi9硬度最高，其與導電環（硬度為320-380）較為接近，雖然其磨損量最小，其與導電環在“硬碰硬”的情況下亦較易出現瞬斷；Au-AgCuZn17-7瞬斷性能最好，其硬度和磨損量介于AuAgCu20-30與AuNi9之間，但其與導電環材質之間有較好的材料匹配性，是綜合性能最為優異的導電滑環刷絲材料。

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