滚动载流摩擦副损伤/性能的物理机制和动态演变规律

Rolling electric contact pair is a typical single-point failure component, which decides the quality and reliability of the power and signal transmission in such High-end equipments as satellites and radars. It also have became a security flaw in electromechanical system and high-speed rail return-flow system because of the shaft current damage. Therefore, the fundamental research of rolling electric tribology should be the guarantee of the safety operation and technical progress of these High-end equipments. To this end, the rolling contact pairs composed of beryllium bronze are selected as the study objects. Under the different load-speed-current conditions, the coupling of the dynamic tribological/electric performance and different failures will be analysed firstly. The effect of mechanical energy and electric energy on the dynamic evolution of triboelectric behaviors should be analysed, and the existence of the critical energy input should be checked. Based on component analysis and structural analysis, the material damage mechanism including the effect of current on fatigue, thermal-tribo-electrochemical oxidation and their infulences on the mechanical damages and chemical damages could be investigated. Considering the effects of surface damage styles on the electirc/tribological contact, the physics among energy input, damage mechanism and electirc/tribological property can be setup. The expected results can provide technical supports for the long life design and safety operation of the rolling electric contact pairs in the High-end equipments.

滚动载流摩擦副是典型的单点失效核心部件，其失效可导致卫星、雷达等整机供电和通信系统的瘫痪；同时滚动载流也被迫存在于机电主轴和高铁回流系统引起轴电流损伤，是严重的安全隐患。因此，滚动载流摩擦学基础研究无疑是高端装备安全服役和技术进步的重要保障。本项目以铍青铜滚动电接触为研究对象，紧扣载流摩擦副干摩擦本质和摩擦/载流共面接触特性，在不同P-v-I条件下，分析摩擦/载流动态性能耦合、失效方式的耦合和动态演变规律；探索机械能输入和电能输入对性能演变的影响以及接触表面临界负荷能力；结合成分分析和结构分析，研究电流和疲劳的相互作用、热-摩擦化学-电化学复合氧化机制等微观材料损伤机理及其对表面机械损伤、化学损伤的影响；基于损伤形式对摩擦/载流接触的破坏，建立机械能和电能输入、材料损伤的微观机制和宏观性能间的物理机制；预期研究成果将为高端装备中滚动载流部件的长寿命设计和安全服役提供技术储备。

本项目采用自主研发的滚动载流摩擦磨损试验机和刚性对滚纯铜摩擦副，结合光学显微镜、三维形貌仪、扫描电镜、原子力显微镜等微观检测，研究了不同载荷、电流、转速和环境气氛下的滚动载流摩擦副摩擦学性能和导电性能的基本规律和材料损伤机制；揭示了滚动载流摩擦电弧的形成规律及其对电接触性能和材料损伤的影响；分析了环境、界面润滑对滚动载流摩擦的影响机制，解析了潮湿环境中滚动载流摩擦力的构成，提出了润滑膜击穿电压的判据；探讨了水、氧在机械和电共同作用下对摩擦副的复合氧化机制；获得了载荷、电流、转速三重因子加速下的滚动载流摩擦失效规律。主要内容包括：.1、干摩擦条件下，随着载荷-速度-电流的增加，摩擦副表面损伤机制由机械损伤逐渐转变为机械损伤与电弧侵蚀并存。原子力显微镜结果表明，载流摩擦表面导电面积远小于摩擦接触面积，氧化表面的导电性能被大幅抑制。电弧可作为滚动载流摩擦副性能失效判据。.2、基于水、氧环境中的试验，解析了载流摩擦条件下摩擦力的构成。电流引起的粘附效应、水吸附引起的弯月面力效应和电流诱导弯月面力增大效应导致摩擦系数升高。在高湿度及液态水环境下，氧化导致的水吸附增强引起的弯月面力对摩擦系数的影响更为明显。摩擦诱导的应力分布使损伤形式从低湿度下的黏着磨损转变为高湿度下和水环境下的表面疲劳。.3、单独干燥氧气和潮湿的氮气均可引起摩擦表面氧化，但表面氧化程度有限，不能直接引起摩擦系数迅速升高，材料表面仍以轻微黏着磨损为主。开放大气环境中载流摩擦表面氧化是自然氧化、摩擦化学氧化和阳极氧化综合作用的结果。.4、润滑条件下，提出轴承等效电阻对电压一阶导数为零时对应的电压为轴承击穿电压。击穿电压与润滑膜厚度正相关。击穿后，轴承电损伤的形貌表现为：烧蚀坑、颗粒产物、片状产物等。.5、本项目设计了弹性滚环载流摩擦副，由弹性环和内外圈滚道构成。弹性电接触由环体弹性变形维持，接触可靠性高，高转速下不产生电弧。