电枢轨道高速滑动电接触界面热流体动力润滑研究

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电磁发射过程中,电枢与轨道滑动接触面之间的接触性能对发射效果有着非常重要的影响。极限工作条件下电枢表面的熔化形成具有润滑作用的金属液化层不可避免,电枢表面熔化产生的金属液化层的润滑行为也会直接影响电枢轨道界面的状态,电枢表面的润滑也与转捩有紧密联系。研究建立电枢轨道界面二维热流体动力润滑理论模型,解释电枢表面熔化形成的金属液化层的润滑行为,获取金属液化层的润滑行为特性,对探索转捩发生的机制和抑制转捩的方法有着非常重要的意义。  本文在流体动力润滑的基本理论之上,将电枢尾翼等效成块状电枢滑块,电枢滑块始终受均匀压力载荷作用,轨道以一定速度做相对运动,电枢轨道之间的相对高速滑动产生的黏滞摩擦热,使电枢表面受热进而熔化形成具有润滑作用的金属液化层,通过同时考虑金属液化层的流体动力润滑行为的动压效应和挤压效应的作用、以及电枢表面的熔化质量注入,在一定的基本假设条件下,给出并求解了反映界面二维热流体动力润滑的运动方程、连续性方程,通过引入直线斜面和上、下开口抛物线斜面膜厚方程,求解了Reyno lds方程,得到了金属液化层的压强分布、速度分布、总液压力,进而求解了热量传输的能量方程,得到了金属液化层的温度分布,计算得到了滑动摩擦系数和磨损率。通过金属液化层的总液压力等于外部施加的均匀压力载荷,建立了第一个反映金属液化层厚度与电枢熔化速度的理论关系方程;为了重点考虑高速滑动电接触的黏滞摩擦热对电枢熔化的影响,研究了黏滞摩擦热的能量耗散函数积分后得到的黏滞摩擦热能量耗散热通量,考虑了黏滞摩擦热能量耗散热通量的完整表达形式,通过假设整个金属液化层产生的黏滞摩擦热全部传导入电枢使之发生熔化形成金属液化层,在电枢熔化界面运用傅立叶定律体现为电枢熔化吸热的热通量大小等于黏滞摩擦热能量耗散热通量大小的平均值,建立了第二个反映金属液化层厚度与电枢熔化速度的理论关系方程;联立两个理论关系方程形成了非稳态情况下待求解的一阶高次二元微分方程组,从而建立起整个电枢轨道高速滑动电接触界面二维热流体动力润滑理论模型。  通过Matlab数值求解准稳态情况下电枢轨道界面润滑理论方程组,运用单一变量法研究了准稳态下不同膜厚方程系数时的润滑特性,得到了直线斜面和抛物线斜面情况下,电枢熔化速度、金属液化层厚度、金属液化层进出口膜厚度比随膜厚方程系数变化的关系曲线,电枢熔化速度、金属液化层厚度随运动速度和压力载荷变化的关系曲线,金属液化层厚度、金属液化层进出口膜厚度比、电枢熔化速度随金属液化层进出口膜厚度差值变化的关系曲线。理论模型准稳态计算结果与电磁发射摩擦磨损实验结果做了对比研究,研究表明:相比于文献中的原始模型,本文的理论模型结果中电枢熔化速度对电枢轨道相对运动速度和均匀压力载荷变化的敏感性明显增强,整个曲线簇相对也更接近于实验结果。  运用四阶Runge-Kutta法求解了非稳态理论方程,给出了非稳态情况下的典型求解结果,对典型非稳态的求解结果进行了分析,结果表明:在匀速、恒定载荷作用下,电枢的熔化速度以及金属液化层的厚度等各个物理参量的取值在很短的时间内即达到准稳态值,然后在准稳态值附近做高频振荡;在变速、恒定载荷作用下,金属液化层的出口膜厚度和电枢的熔化速度随着时间变化逐渐增大,高频振荡行为仍然存在;在变速、动态载荷作用下,特别针对电流下降沿时期,在已知电枢轨道相对运动速度变化趋势和界面接触压强变化趋势的情况下,运用本文中建立的理论模型对电枢熔化速度的大小和变化趋势进行定量的预测计算,发现电枢轨道相对运动速度增大的变化率和界面接触压强减小的变化率的相对大小决定了电枢熔化速度的变化趋势。  针对理论模型计算结果中电枢熔化速度数值大小上在超高速阶段仍然偏小的问题,在准稳态情况下直线斜面形状的金属液化层中,重点考虑黏压效应对理论模型的修正以及其对金属液化层润滑特性的影响。通过引入Barus黏压方程和诱导压强到之前建立的理论模型之中修正理论方程组,通过Matlab编程进行数值求解,选取恰当的黏压系数进行一系列的数值计算,得到了修正后的电枢表面熔化速度随运动速度和压力载荷变化的关系曲线。结果表明:考虑黏压效应后,电枢轨道接触界面二维热流体动力润滑理论模型得到了修正,电枢表面熔化速度的数值大小均比修正之前理论模型计算的结果有明显增大,整个关系曲线簇与实际实验的结果更加相符一致。运用修正后的理论模型研究获得了考虑黏压效应时的金属液化层液压强和流速分布特性,并与不考虑黏压效应时进行了对比研究。
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