研究背景

大電流高速滑動電接觸環(huán)境下，多次發(fā)射后軌道表面出現(xiàn)鋁沉積現(xiàn)象。電樞與鋁沉積 層在界面熱源作用下發(fā)生熔化磨損會改變接觸狀態(tài)，嚴(yán)重影響滑動電接觸性能。界面熱源在電樞和沉積層軌道間的熱分配特性是研究界面材料熔化磨損的基礎(chǔ)，因此有必要對滑動電接觸界面熱量分配過程進(jìn)行研究。目前熱分配過程尚未有文獻(xiàn)公開研究。

論文所解決的問題及意義

實(shí)際電磁發(fā)射過程中電樞運(yùn)動速度、界面焦耳熱和摩擦熱均隨時間動態(tài)變化，此情況下熱分配方程存在多重積分及奇異函數(shù)，無法獲得解析解。最小二乘估計(jì)法因最優(yōu)解唯一、求解方便及具有較好的解析性質(zhì)，廣泛應(yīng)用在非線性方程求解過程，尤其是熱傳導(dǎo)方程的非線性問題。通過將最小二乘估計(jì)法應(yīng)用于熱分配方程的求解過程，獲得了實(shí)際發(fā)射過程中接觸 熱源在界面上的動態(tài)熱分配特性。

研究團(tuán)隊(duì)建立的計(jì)算模型和分析結(jié)果可為界面熔化機(jī)理的研究提供基礎(chǔ)支撐，進(jìn)一步為界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)及沉積層控制技術(shù)提供理論指導(dǎo)，對提高重復(fù)發(fā)射滑動電接觸性能具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、材料熱參數(shù)影響熱分配系數(shù)隨時間變化曲線的初始值，不改變熱分配系數(shù)隨時間變化的衰減速率。

圖1  不同材料下的熱分配系數(shù)變化曲線

基于最小二乘估計(jì)法計(jì)算不同材料參數(shù)情況下熱分配系數(shù)隨時間變化曲線如圖1所示。吸熱比例系數(shù)越大，熱分配系數(shù)初始值越小，隨著時間的推進(jìn)，熱分配系數(shù)值逐漸衰減，但是不同材料下其衰減速率不變。

2、速度影響熱分配系數(shù)隨時間變化衰減的速率，速度越大熱分配系數(shù)隨時間衰減越快

圖2  三種速度曲線 

圖3  不同運(yùn)動狀態(tài)下電樞熱分配曲線

假設(shè)三種運(yùn)動形式在 0.5ms 時的速度均達(dá)到 300m/s， 三種速度曲線如圖2所示，對應(yīng)的熱分配變化曲線如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，速度變化曲線決定熱分配系數(shù)變化曲線的走勢，速度越大熱分配系數(shù)越小，加速度越大熱分配系數(shù)下降得越快。但是相同時間下，電樞速度相等時，熱分配系數(shù)也近似相等。

3、在整個發(fā)射過程中，隨著速度的不斷增加， 熱分配系數(shù)逐漸減小，當(dāng)速度達(dá)到很高時，熱分配系數(shù)趨于穩(wěn)定值，界面大部分熱量最終都傳入軌道。

圖4 界面熱傳導(dǎo)物理過程

隨著時間的推進(jìn)，電樞體積溫度和表面溫度均逐漸升高，電樞表面發(fā)生熔化。假設(shè)熔化后材料立即被軌道帶走，電樞表面仍然與軌道表面直接接觸，接觸界面溫度保持熔化溫度不變，當(dāng)dy處的體積溫度逐漸升高，電樞表面溫度梯度逐漸減小，最終熱量幾乎全部進(jìn)入軌道，僅有少量熱量傳導(dǎo)進(jìn)入電樞用于電樞材料溫升熔化。

結(jié)論

本文基于最小二乘估計(jì)法建立了樞軌界面熱分配計(jì)算模型，研究了速度、材料熱參數(shù)對熱分配系數(shù)的影響規(guī)律，并通過理論分析進(jìn)一步揭示了界面熱分配過程物理機(jī)制。得到結(jié)論如下：

1、熱分配系數(shù)值與發(fā)射速度、接觸材料熱參數(shù)、 接觸長度、發(fā)射時間有關(guān)。材料熱參數(shù)影響熱分配系數(shù)隨時間變化曲線的初始值，不改變熱分配系數(shù) 隨時間變化的衰減速率。

2、速度影響熱分配系數(shù)隨時間變化衰減的速率，速度越大熱分配系數(shù)隨時間衰減越快。相同時刻和速度條件下，熱分配系數(shù)值相等。

3、在整個發(fā)射過程中，隨著速度的不斷增加，熱分配系數(shù)逐漸減小，當(dāng)速度達(dá)到很高時，熱分配系數(shù)趨于穩(wěn)定值，界面大部分熱量最終都傳入軌道。

南京郵電大學(xué)電氣工程研究中心一直從事電磁軌道發(fā)射技術(shù)中的界面接觸機(jī)理方面的研究，研究內(nèi)容涉及電樞表面熔蝕機(jī)理、液化層電接觸機(jī)理、磁流體動力學(xué)模型建模、界面電磁、熱、力學(xué)特性研究分析。參與國家重大課題，國家重點(diǎn)基金、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目多項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)在研究過程發(fā)表多篇SCI期刊論文，研究內(nèi)容包括電樞表面電流熔化波理論、磁流體動力學(xué)模型、液化層動態(tài)潤滑特性、穩(wěn)定性分析等。近年來，該團(tuán)隊(duì)完成了多個國家，省和電網(wǎng)企業(yè)的研究項(xiàng)目。

姚金明

博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)、智能配電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)等。發(fā)表SCI/EI論文10余篇，參與國家重點(diǎn)基金及國家基金多項(xiàng)，主持國家級基金1項(xiàng)。

傅 強(qiáng)

高級工程師，碩士學(xué)位。長期從事智能配電網(wǎng)及分布式電源、交直流配電網(wǎng)、鄉(xiāng)村電氣化、電磁發(fā)射混合儲能技術(shù)等領(lǐng)域的科技攻關(guān)，獲得國家級/省部級7項(xiàng)資助。發(fā)表論文10余篇，編寫企業(yè)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)6個，授權(quán)發(fā)明專利8項(xiàng)，獲得省部級科技進(jìn)步獎7項(xiàng)。