摩擦磨损论文资料.doc

.2 电磨损试验装置的研制
2.1 试验装置研制背景
电刷是电机中极为重要的部件, 它在电机的固定部件与旋转部件之间传导电流, 在直流电机或交流整流子电机中还起换向作用。现代工业要求电机朝高速、小型化方向发展, 这就要求电刷工作电流大、磨损速率小、摩擦系数小、具有高的比强度、比模量和良好的润滑耐磨性, 一定的导电、导热性, 而在各类耐磨、减磨材料中得到应用。但目前国内外有关金属基复合材料摩擦磨损性能的研究, 大都在机械磨损条件下进行的,施加的摩擦压力很大， 对通电状态下的电磨损, 特别是电流强度变化对电刷耐磨性的影响和小压力工作条件下磨损的研究报道较少。考虑到电刷的实际工作状况,本文将制得的银一石墨复合材料电刷, 在模拟电机实际工作条件下, 研究复合电刷材料在不通电的纯机械磨损和通人不同电流强度的电磨损条件下的磨损性能, 并对其电磨损机理进行了初步探讨。
2.2 试验装置整体构造和原理
2.2.1 试验装置结构特点
1.对磨环 2.对磨环螺母 3.电刷支架4.刷握5.电刷6.施压弹簧7.支架螺母8.导线
图1 磨损实验装置结构原理示意图

9.底座
图2 磨损试验装置结构结构示意图
电磨损实验装置主要由动力系统、磨损测试系统、电刷支架固定及加载系统组成，其结构原理示意图如图1，2所示。
如图采用的电磨损实验装置系统主要包括以下几大部分：
(1) 动力系统
采用三项异步电动机作为动力装置，型号为JW-5024,功率为60W,标准工作电压380V,额定工作电流0.33A，频率50Hz，绝缘等级为 E级，转速为1400转/分。
(2) 电刷支架固定系统及加载系统
如图2所示，u行铁片与电机底座用螺丝固定，电机底座采用球墨铸铁，目的就是为了减少电机的震动，增加工作稳定性和可靠性，降低工作噪音。
(3) 磨损测试系统
主要由电刷和对磨环构成，电刷与对磨环相接触（如图1所示），利用对磨环的转动，小弹簧对电刷施加压力，使电刷稳定磨损。
图3 磨损实验装置工作原理示意图
银-石墨基复合材料电磨损试验按照国家标准GB12175-90《电机用电刷运行试验方法》，在自制的电磨损实验装置上进行。原理如图3所示。式样为块-环滑动。对磨环为紫铜，布氏硬度为110，对磨环直径3.940cm。一对电刷如图3所示安装在对磨环上，电刷由直流电源供给。直流电源装置型号为WJ-15V30A。提供的稳定电流为0~4.5A.当电机开始按顺时针方向正常工作运转时，电刷由于支架的固定和弹簧的施压作用，提供稳定的摩擦力，然后通过控制直流电源的大小，调节电流的大小，本次试验有带电时的4.5A和不带电时的做比较。在相同的工作时间内，通过测量电刷的磨损量（计算电刷的重量减少量），来比较纯机械磨损和电磨损的差异，并在电镜的下观察电刷磨面情况，分析带电磨损的机理。
2.2.2 实验装置改进部分设计
通过调查市场上目前的电磨损实验装置，发现大部分的实验装置都存在着整机带电现象和磨损压力大的情况。为了消除磨损实验装置由于对磨环与电机直接接触而导致整机带电的情况，在设计对磨环的时候，在对磨环和电机轴承直接加了一个聚乙烯的绝缘环，这样就很好的隔开了对磨环与基体的接触。从而在性能测试的时候，不受电机带电的外界因素干扰。这就更好的使实验装置贴近实际工作环境，更加使试验数据准确。
针对市场上实验装置大、灵活性不够的情况，采用小型3相异步电机，这样既保证了试验的灵巧性，又保证了其工作可靠性。并采用球磨铸铁作为底座，更好的减震作用。针对压力大的问题，在刷握中放置小型弹簧，通过更换弹簧来调节压力大小。
由于电刷作用在对磨环上作用力较小，且银-石墨复合材料的电刷运用在雷达等军工产品上较多[19]。故对刷握的要求要高。本实验仪器刷握采用注塑成型的方法制造而成。既精度上达到试验的要求，且实验的成本费用也相对降低。
目前市场上采用装卸式样的方法一般有两种[10];一是取下直接粘贴在支臂上的试样， 采用光学测量仪器测量后，再粘贴继续试。另一种方法是在不取样的前提下， 将支臂旋转到光学显微镜等仪器下进行测量，这也存在较大的测量误差，因为不方便直接在试验台上标定标尺进行精确测量，另外还需要配置一台专用的测量仪器验， 这很难保证磨损点的同一性。本设计采用了固定刷握的办法，更换式样时，只需要简单的将式样取下来即可。既减少了工作量，又减少了因为取下刷握而使磨损的连续性遭到破坏。很容易得到较精确的时间与磨损的数据。
3 电刷的制备
3.1 电刷制造工艺

图4 电刷制造工艺示意图
3.2 电刷制备实验步骤
本实验的样品为长方体（主要是模具的限制和为后面的体积计算提供方便）。由于本论文主要研究复合材料电刷电磨损机理，所以在试验的开始，样品的各种组元的质量百分数已经是确定的了，分别是15%石墨和85%的Ag。基于选取以上数据主要是参考一些专著[23,22]对电刷成分的研究，旨在探索电刷在电磨损条件下的性能。
（1） 计算含量 试验中的样品总质量设定为64g，通过以上成分含量的百分比 计算出：M(石墨)=9.6g；M（Ag）=54.4g；
（2） 称量 计算好各成分的质量后，使用托盘天平进行称量，如果金属粉末的颗粒含有较大的颗粒应该先过筛再称量。
（3） 手动混合 由于样品小且没有合适的混合设备，所以采用手动混合。
（4） 过筛混合 由于手动不能完全将其混匀，所以手动混合后的粉末2进行一次过筛混合相当于一次再进行一次简单的机械混合。
（5） 等量分量 实验采用700 C温度点烧结。为了防止烧结时样品出现意外损伤导致实验数据部完整，所以制样时准备多个式样。所以将混合后的粉末平均分为八份。每块样品8g。分量时先一分为二，再二分为四，四分为八！
（6） 压制 将每块的样品粉末装入模具中通过XJP-6A型压机，压力载荷为6.4Mpa保压时间为30秒。
（7） 烧结 样品放在烧结罐中用沙粒掩埋然后盖上盖子放入箱式电阻炉中烧结。
3.3 电刷性能的测定
电刷的主要性能包括密度、硬度、抗弯性能和电阻率。
3.3.1 密度的测定
试样密度的测量按国家标准GB-1999.14-88[18]，用体积-质量法测密度。用游标卡尺或千分尺测量试样的长、宽、高，按下式计算其体积:
V=B×W×L
式中:V——试样体积，cm 3；B——试样厚度，cm； W——试样宽度，cm；L——试样长度，cm, 然后用分析天平称出其质量，按下式计算其体积密度:
d= G /V
式中:d——试样体积密度，g/cm3；G——试样质量，g；V——试样体积，cm3 。
3.3.2 硬度的测定
本研究中采用洛氏硬度法[19]。实验使用的仪器为洛氏硬度仪，实验所加载荷定为60kg，使用的压头为直径10mm的钢球。试验时先将试样放置于工作上，逐渐施加预载荷至指针指向零点，然后搬动加载手柄，施加附加载荷，当指针稳定后，卸去附加载荷，回复预载荷，此时从硬度仪的刻度盘上所读出的值即为洛氏硬度值。试验时测量试样的上下两个表面，且每个表面选择3-4个不同的位置测量，以保证所测硬度的代表性。
3.3.3 抗弯强度的测定
抗弯强度的测试按国标GB 1994.7-88[27]进行。所用仪器为微机控制电子万能实验装置。 得出数据后按下式计算其抗弯强度:
&x=3FLS/2Wb2

图5 抗弯力学示意图
3.3.4 电阻率的测量
把试样放入两弹性接触极之间，将规定距离的两电位针压在试样压制面中间，按国标通以一定的电流（本实验为20A）后，从毫伏表读出电位针间的电压降，按下式计算出电阻率:
ρ=UbW/ILu

图6 电阻率测试原理图
3.3.5 电刷的各项性能数据
材料
密度(g/cm3)
电阻率(μΩ·Μ)
抗弯强度MPa
硬度(HR10/588)
银基复合材料
6.8518
0.0524
109.856
89.9，
4 电磨损实验装置的磨损测试和数据分析
4.1 试验前的准备
在试验前应对电机检测，看是否有漏电，观察电机是否声音异常或者频率是否一致。检查刷握是否有松动现象，若出现松动应先装上式样进行调试，使其式样与对磨环成块-环接触。检验导线是否接触良好，直流电源是否稳定。
4.1.1 复合材料电刷快速磨弧试验
由于电刷产品的工作面为平面，装机后与汇流环成线接触，为了增加电刷与汇流环之间的接触面积，提高电讯号传糖的可靠性，电刷在装机后必须与汇流环进行跑合磨弧，使电刷与对磨环成面接触。
由于银-石墨电刷的耐磨性好，硬度强度高，经装机后跑和需要几天甚至一个星期以上。为了解决这一时间长的矛盾。我们进行了快速磨弧试验，并且收到了很好的效果。
该试验首先是在对磨环上用双面胶带将200目或者400目的水砂纸(根据需要磨削量的大小)，粘在对磨环一周。这样利用砂纸的磨削能力，一般只要几分钟到十几分钟变可以很好的完成磨损，是电刷与对磨环有很好的面接触。经快速跑合后，将对磨环卸下，用砂纸将表明清理干净，防止双面胶对以后试验的影响。再实际装机跑合3～5小时，两者之间就能形成较好的面接触。
为了研究砂纸磨粒是否会嵌入电刷磨面上，我们对快速跑合电刷磨面进行了电镜分析。发现并无磨粒嵌入电刷表面。试验表明，快速跑合磨损能更好的节省时间，且不影响电刷表面。
另外，电刷跑合磨损表面常留有残余沙粒，因此，经快速磨弧之后，要用毛刷清理电刷和对磨环表面，去除表面沙粒。但是，快速磨弧的方法，刷握的弹簧压力不宜过大，否则会使电刷边缘产生反边现象，使电刷不易从刷握中取出，而且也能有效防止沙粒嵌入电刷的现象。
4.1.2 实验实际工作条件
电磨损的实际工作条件是在工大材料楼试验室进行。环境温度为22±2℃。由电动机的转速1400转/分钟，铜环直径为3.940cm，测得电刷的相对线速度为5.7763m/s。通入的电流强度为0～4.5A.电刷压力为2.5N/cm3，电刷的压力是通过刷握弹簧的压缩长度计算。纯机械磨损时（通过的电流为0A时），每隔6小时计算一次磨损量。带电磨损时（通过的电流为4.5A时），每隔3小时计算一次磨损量。采用电子扫描电镜观察电刷磨面情况。
4.2 试验性能的测定
当各项试验准备阶段已完毕时，可以正式开始试验。试验主要是分为两个步骤。一是带电磨损性能的测试，二是纯机械磨损性能的测试（通过电流为0A）.
4.2.1 纯机械磨损性能测试
采用每6小时测量一次电刷的重量和长度。
正刷纯机械磨损
磨损时间(h)
0
6
12
18
24
磨损量(mg)
0
5.4
9.3
17.5
30.3
负刷纯机械磨损
磨损时间(h)
0
6
12
18
24
磨损量(mg)
0
7.8
14.8
25.7
43.2
正刷纯机械磨损
磨损时间(h)
0
6
12
18
24
电刷长度（mm）
16.93
16.89
16.84
16.81
16.72
负刷纯机械磨损
磨损时间(h)
0
6
12
18
24
电刷长度（mm）
16.76
16.73
16.70
16.60
16.50

4.2.2带电械磨损性能测试
由于带磨损磨损量较大，采用每3小时计算一次电刷的重量和长度。通过的电流大小为4.5A.
正刷带电磨损
磨损时间(h)
0
3
6
9
12
磨损量(mg)
0
6.1
11
14.8
19.1
负刷带电磨损
磨损时间(h)
0
3
6
9
12
磨损量(mg)
0
7.7
14.6
19.8
24.9
正刷带电磨损
磨损时间(h)
0
3
6
9
12
电刷长度（mm）
16.72
16.67
16.63
16.59
16.56
负刷带电磨损
磨损时间(h)
0
3
6
9
12
电刷长度（mm）
16.50
16.44
16.39
16.33
16.30
4.3 试验数据分析
从实验数据来分析，带电磨损明显强于纯机械磨损，且磨损是纯机械磨损的2~5倍。这是由于带电磨损的特有的机理造成的，这里将在下一章节讨论。
4.3.1 磨损时间与磨损量关系曲线
为了更好的清晰明了电磨损与纯机械磨损的比较，将磨损时间和磨损量做成曲线形式。

图4.3.1 正刷磨损时间和磨损量的曲线
图4.3.1中，D曲线代表了通过电流为4.5A时，正刷磨损时间和磨损量的关系曲线。 B曲线代表了纯机械磨损时，正刷磨损时间和磨损量的关系曲线。

图4.3.2 负刷磨损时间和磨损量的曲线
图4.3.2中，D曲线代表了通过电流为4.5A时，负刷磨损时间和磨损量的关系曲线。 B曲线代表了纯机械磨损时，负刷磨损时间和磨损量的关系曲线。
4.3.2 磨损时间与电刷长度关系曲线
在图6和图7中，B曲线代表了电刷的带电磨损，D曲线代表了电刷的纯机械磨损。由电刷长度的变化率可以分析磨损强度的大小。从图中可以看出，纯机械摩擦系数要小于带电磨损摩擦系数。机械磨损初级，磨损量较小，从物理意义上来讲，固体表面总是凹凸不平，相互接触是局部的，既通过各个接触点来实现，磨损量为局部磨损。曲线的斜率小，磨损率较小。当磨损时间加长以后，电刷表面变得平整，与对磨环的间隙配合也完美了之后，才是过渡到整个面的磨损。此时磨损量加大。带电磨损的斜率较稳定。与纯机械磨损刚开始情况相同，固体接触是局部的，磨损小。但由于有效接触面积小，电流在整个电刷上不均匀分布，电流在接触点处电流突然增大，是接触点强烈发热，产生黏着磨损。磨损量增大。这样一方面因素使磨损减弱，一方面又使磨损增大。但随着磨损的进行，点接触逐渐变少，随之黏着磨损也减少。故曲线曲率变化不明显。

图7 正刷磨损时间和电刷长度的变化曲线

图6 负刷磨损时间和电刷长度变化的曲线
4.4 试验结果分析
4.4.1 磨损机理
从下图（3）和（4）中可以看出，在磨损滑动方向上有明显的犁沟和切削痕迹，还有一些较大的片状层，为磨损过程中产生的转移附着膜。说明磨损过程中存在着粘着、塑性变形、转移膜断裂脱落及显微切削等现象，表明磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损。
材料的磨损失效形式与摩擦副材料的性质、摩擦条件和环境、摩擦过程中的热效应及其引起的物理化学变化等诸多[13,14]因素有关。在载流条件下，磨损表面存在大量的片状转移膜和显微切削痕迹，如下图（3）和（4）所示，表明对应的磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损。但与图（l）相比，加载电流后产生的片状转移膜边角比较圆滑，且边缘有局部熔化的现象。这是因为在电流的作用下，磨损表面吸收了大量的焦耳热、摩擦热和电弧热，使磨损表面温度升高，当温度高至合金的熔点后，就发生了转移膜的局部熔化现象。
在磨损过程中，导线与滑块之间还可能发生瞬时分离，产生电弧放电现象，导致导线表面局部瞬时温度急剧升高,甚至超过材料的熔点而发生局部的熔化或气化，从而在表面留下一些颜色较深的电蚀坑，如图 (3)所示。熔化或气化的合金材料一部分可能熔失，而另外部分又重新粘附在导线磨损表面的其他部位，冷却结晶成小颗粒。这些小颗粒可能已发生氧化等化学反应，硬度提高，在磨损的过程中可以作为硬质磨粒产生磨粒磨损，从而加快导线磨损过程的进行，提高了合金的磨损率。Bouchouchad等认为[26]这种硬质氧化物磨粒可以通过塑性变形与显微切削作用“犁入”材料表面，导致磨损表面形成凿槽与犁沟，并在磨沟侧面产生材料堆积，形成翻边。当变形积累到一定程度时形成裂纹，最终发生剥离而产生磨削。
4.4.1磨损磨面分析
在电镜下，放大100倍，观察磨面组织形貌。

a c

b d
（1）正刷纯机械磨损表面形貌结构a和b（2）负刷纯机械磨损表面形貌结构c和d

e g

f h
（3）正刷带电磨损表面形貌结构e和f （4）负刷纯带电磨损表面形貌结构g和h
上分别为正刷（电流从电刷流向对磨环）,负刷（电流从对磨环流向电刷）在纯机械磨损，通入电流磨损条件下电刷的磨面形貌图。从图中可以见，磨损过程综述有以下几个过程：
（1）划伤磨损：表面出现划痕如图所示，这是由于铜集电环表面有粗糙的微小凸峰，划伤电刷表面而产生微切屑留下的迹痕。划伤磨损产生的磨屑一部分吸附在电环表面形成过渡层，起到隔离润滑的作用。
（2）研压磨损：在弹簧压力的作用下，银相发生了研压塑性变型，石墨颗粒发生了脆性断裂，石墨颗粒的边缘磨损脱落后，被银相研压塑性变形后所填补，并在石墨颗粒表面上延展，使得石墨的表面积减少，银相的表面积增加[24]。这种磨损表面形貌结构，有利于导电过程。
（3）粘着磨损：电刷与铜集电环滑动接触的早期，银与铜发生了粘着磨损.银和铜都是一种面心立方晶体结构,晶格中的原子是靠金属键结合的,面心立方晶体一般都具有较大的粘着结合力.银的粘着系数大于铜,维氏硬度小于铜,因此,银向铜表面上发生转移.在浸银石墨的显微组织结构中,银分布在多孔石墨的孔隙中&由于石墨的润滑作用.这种粘着磨损并不明显.另外,在石墨颗粒的表面镶嵌有银微颗粒,而在银相的表面上粘结了石墨微粉.如图h所示。
（4）表面疲劳：电刷在滑动接触过程中，由于机械应力的交变作用，在电刷表面引起了疲劳损伤，它表现为裂纹的形成和逐渐扩展。这是在电刷的滑出边观察到的显微裂纹。起源于银相的尖角处，沿着银相和石墨颗粒边界扩展。其中还有几小段微裂纹被银所填补，银研压塑性变形后阻碍和延缓了裂纹的扩展。疲劳磨损还在石墨颗粒的表面产生了显微凹坑。
4.4.2电刷与对磨环之间的相互作用
（1）电刷的接触摩擦：在摩擦过程中，石墨具有降低摩擦系数和润滑的功能。这是由石墨的晶体结构所决定[27]，在平面层之间具有较低的结合能，在较小剪切应力的作用下，就容易使石墨沿晶面滑移，剥离下来的石墨在洁净表面具有很强的吸附能力，牢牢地吸附在铜集电滑环的表面，石墨还能吸收空气中水分，形成一层石墨水膜，具有良好的润滑作用。从而使得集电环和电刷之间的摩擦发生在润滑层之间，形成“边界摩擦”或称之为“边界润滑”。
（2）摩擦理论把金属的介面摩擦归因于金属结点的形成：电刷在集电环表面滑动接触，在综合应力的作用下，电刷中银发生了塑性变形，并在石墨颗粒表面延展，增加了电刷与集电环之间的接触表面，并在接触区产生了结点生长，银被焊接在铜集电环表面，会产生相当高的摩擦。由于存在石墨的润滑作用，使得这种结点生成的能力减弱，从而减少了银和铜之间的粘着作用。
3.4.3过渡层与电刷和对磨环之间的相互作用
在电刷与集电环的接触之间存在一个过渡层区[29]，在此区域中瞬间变化的电阻值受到很大的影响，在这个薄层狭小空间里存在着大量被剥落下来的炭粉。金属微粒和空气中的尘埃以及所形成的水膜。另外，电刷随着集电环的高速旋转，在电流的作用下，由于摩擦磨损和电能损耗转变成热能释放，因此，电刷的使用温度一般都高于室温，当发生火花时，产生电弧而使得温度会更高，在过渡层的接触表面上的银和铜都易于氧化。铜在180℃会生成氧化亚铜，银在190℃时也会变成氧化银，石墨在超过500℃也开始氧化。过渡层和集电环表面氧化膜的形成对平衡摩擦。磨损以及电流的传导等都起着极其重要的作用。
4.5 结果与讨论
根据电刷磨损的物理过程，从现有的各种观点认为，电刷的磨损乃是接触元件之间动力相互作用的结果，从而改变了它们之间的接触表面状况，使得接触表面发生了质变过程，电刷的磨损大致可分为三种形式：
1. 没有电流通过时的纯机械磨损;
2. 有电流通过时的机械磨损;
3. 纯电气磨损;
4.5.1电刷电气磨损
电刷在整个滑动接触过程中都是在电流的作用下进行的。当电流通过时，电流仅集中在电刷表面很小的接触区面积上，而使得局部发热，电刷表面的温度升高，导致电刷表面的颗粒结合强度减弱或氧化，引起接触材料表面颗粒脱落。电气磨损过程还与极性有关，磨损是与接触元件材料的阳离子移动方向有关，阳离子由正电刷移向集电环，再由集电环移向负电刷，而阳离子数与电流密度成正比，因此电流密度就决定了阳离子的强度。电流的作用外，阳离子强度还与电刷材质有关[30]，浸银石墨电刷在磨损接触过程中，在正电刷的接触区和负电刷下的集电环表面都生成了金属颗粒和氧化物，而产生了磨粒磨损，因此正电刷的磨损大于负电刷。由于集电环是一种铸态金属材料，电刷是一种粉末冶金材料，因而电刷的磨损速度大于集电环。
4.5.2电刷机械磨损
电刷的机械磨损本身是一种复杂现象[17]，机械作用主要是通过四种磨损机理来破坏接触元件表面颗粒之间的联接。它们是粘着磨损机理，粒磨损机理，面疲劳机理，擦氧化机理。四种磨损机理一般很少单独出现，它们可能同时起作用或交替发生作用。只有磨粒磨损和表面疲劳才能直接产生磨屑，粘着磨损和摩擦氧化是通过材料的转移和反应产物的间接作用而产生磨屑脱落，松脱的磨屑一部份吸附在集电环的表面形成过渡层。

17