CuAgNi刷丝载流磨损试验研究

摘  要：以CuAgNi材料的刷丝和黄铜表面镀Ag材料的滑环组成导电滑环摩擦副，应用于风电变桨系统中传递电流和信号。以风电装置的实际工作条件为试验基础，进行载流摩擦磨损试验，分析此摩擦副载流磨损的成因以及磨损机制，同时对滑动摩擦条件下此摩擦副主要的磨损形式进行研究。

关键词：CuAgNi;风电;载流磨损;滑动摩擦

中图分类号：TM621              文献标志码：A

Abstract： A conductive sliding ring friction pair is composed of a CuAgNi brush wire and a sliding ring coated with Ag on a brass surface， which is used to transmit current and signal in a wind turbine rotor system. Based on the actual working conditions of wind power unit test， load flow friction and wear experiment was carried out， to analyze the cause of the friction pair of current-carrying wear and wear mechanism，and to study the main friction forms in the condition of sliding friction.

Keywords： CuAgNi;Wind power;On-stream wear sliding; Friction

1 载流磨损试验

运用加速磨损试验机对CuAgNi电刷丝与黄铜表面镀Ag滑环进行磨损试验，由于正常情况下导电滑环的寿命可达到10年以上，为缩短試验时间，采用加速磨损的试验方法，在转速200rpm，接触载荷0.5N，电流0.2A进行载流摩擦磨损试验。试验后得到CuAgNi电刷丝的表面形貌如图1所示。

图1 CuAgNi电刷丝载流磨损后形貌

从图1中可以看出，CuAgNi电刷丝表面材料出现脱落，而且还有犁沟、麻点和凹坑，并且出现了银色物质熔融之后积成的瘤。电刷丝的磨损形式主要是疲劳磨损、黏附磨损、磨粒磨损以及电弧侵蚀。

2 载流磨损机理分析

CuAgNi和黄铜表面镀Ag两种固体材料相接触，接触表面并不是完全光滑的，而是无数个离散的微凸体接触。导电滑环摩擦副工作过程中有电流通过，当电流通过接触表面的微凸体时，微凸体之间的微小间隙会产生静电场，由于静电场发射电子的作用，微凸体间隙之间的气体将会被电离，从而形成微电弧。微小电弧会导致接触材料在接触点发生电弧侵蚀，而侵蚀程度的严重与否受到接触材料微凸体接触点多少的影响，接触点越少，产生的微电弧就越多，电弧侵蚀程度就越严重。

在导电滑环工作的过程中，电刷丝和滑环之间需要传递电流，导致电接触材料的磨损形式要比不传递电流的摩擦副的磨损形式更加复杂，不仅有机械磨损，还有电气磨损。如图2所示，电刷丝和滑环接触面微凸体上同时存在摩擦力和电流，工作过程中接触表面的温度不断升高，接触材料温升将引起其表面的热氧化，从而导致材料的物理性质发生改变，材料遭到破坏。周而复始的破坏以及热氧化作用便形成了载流摩擦副的磨损。

S.Kubo用表达式：

WS=a·Eb                            （1）

表示了电弧能量与电弧侵蚀量之间的关系。其中，WS表示材料的电弧侵蚀量;E表示材料的电弧能量，与电弧电压U、电流I、电弧燃炽时间t有关;a、b是接触材料相关的系数。根据以上公式可以得出结论，CuAgNi电刷丝的电弧侵蚀程度不仅与工作时电流的大小有关，还与接触材料本身的各项物理系数有关。CuAgNi电刷丝和黄铜表面镀Ag滑环摩擦副接触材料表面在电流的作用下产生热量。

在加速磨损试验中，CuAgNi电刷丝和黄铜表面镀Ag滑环摩擦副接触材料在滑动摩擦作用下，循环应力使得接触材料达到疲劳极限，电刷丝表面材料被剥离，出现大量的凹坑，形成疲劳磨损。同时电流通过微凸体，且在微凸体间形成电弧，电弧的放电和高温引起电刷丝和滑环之间的接触材料的转移和熔融，导致电气磨损，电气磨损的形式主要是电弧侵蚀，受到电弧侵蚀的材料表面化学腐蚀现象明显，存在大的剥落坑和磨粒等。电流引起的焦耳效应使电刷丝材料发生相变，导致材料表面软化，材料流动性和延展性的增强，引起黏附磨损，同时脱落的材料在接触材料表面形成第三体磨粒磨损，导致电刷丝材料表面出现犁沟，磨粒磨损也使CuAgNi电刷丝表面出现更多的凹坑和麻点，加速疲劳磨损。

结论

综上所述，CuAgNi材料的电刷丝和黄铜表面镀Ag材料的滑环组成的导电滑环摩擦副载流磨损的过程中既有机械磨损又伴随着电气磨损，磨损形式复杂多样，电气磨损的形式主要是电弧侵蚀，电弧侵蚀加剧机械磨损。CuAgNi电刷丝的载流磨损形式以黏附磨损、疲劳磨损、磨粒磨损以及电弧侵蚀为主。

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