碳纤维_石墨_银基复合材料电刷的应用研究.pdf

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1、第卷第期合肥工业大学学报泊然科学版兀琅乞厂目咫段碳纤维一石墨一银基复合材料电刷的应用研究颜士钦凤仪许少凡应美芳王成福摘要文章研究了碳纤维一石墨一银基复合材料的制造并应用于雷达电刷传输电讯号。结果表明应用镀银碳纤维部分代替原银一石黑系电刷中的石墨能有效提高电刷使用寿命。降低电刷与汇流环之间的动态接触电阻。经过对雷达实机进行实验各项性能均优于原银一石墨系电刷。关键词碳纤维石墨 银复合材料电刷接触电阻中图分奏号丁引言电刷是 电机中重要部件之一,它用于 电机旋转部件与固定部件之间传导 电流,同时又对电机起换向作用。然而雷达汇流环与一般电机集电环有所不同,一方面雷达汇流环转速较低一转 分另一方面汇流环上

2、无槽口,电刷不起换向作用仅用于传输电讯号。因此,雷达 电刷主要要求其接触性能即电刷与汇流环之间动态接触电阻要小,以确保接收讯号准确可靠。银基复合材料以其导电、导热性能优越 在工业中用于高、低压电器 中的触点材料,以及雷达、控制微电机中滑动触点材料匡。原 雷 达普遍采用 的电刷为一型其中银、铜 等金属含 量为肠石 墨含量为。因石墨含量较高,耐磨性较差,同时因汇流环转速较低,在运转过程 中电刷剥落的石墨粉容易吸附于汇流环表面,在电刷与汇流环间形成一层石 墨“隔离层”,引起电刷 与汇流环间接触电阻出现严重超标现象,导致雷达讯号传输可靠性下 降,误判 机会增多。因此一般需隔数日清理一次汇流环表面,雷达

3、 一般工作环境较恶劣清理石墨 吸附层相 当困难。碳纤维一石墨一银基复合材料电刷,利用碳纤维具有良好导 电、耐磨减摩特性,部分 代替石墨,综合碳纤维与石墨各自优点,采用新的制造工艺,使碳纤维趋向垂直于摩擦面,在电刷运转过程中,碳纤维不容易剥落,不产生石 墨“隔离层”,电刷与汇 流环间动态接触电阻小同时使用寿命大幅度提高。经对雷达实机运行考核,性能优于原一型电刷。收稿日期一。一机械工业部发展基金资助项目第期颜士钦等 碳纤维一石墨一银基复合材料电剧的应用研究表复合材料物理、力学性能编编号号成分分硬度电阻率闷密度彭二环石墨墨,八八彭为下石墨碳纤维维人人卖石墨碳纤维维注二载荷为下测定复合材料电刷实机运行

4、实验本电刷 在雷达分机 上实机 运转。该雷 达汇 流环材 质 为八一,硬度侣。根据该雷达技术要求为确保接收或 发射电讯号稳定可靠电刷 与汇 流环之间 的动态接触电阻不得超过,否则将严重影响接收或 发射讯号的可靠性。因此动态接触电阻的大小是雷达制造及使用过程中需考核的第一个重要指标。在满足动态接触电阻的前提下,电刷的耐磨性越好则其使用寿命越长这对于雷达整机性能的提高有利。电刷实机运转动态接触电阻测试结果雷达汇流环共有环,环与环之间绝缘每一环上装有两只 电刷,电刷 的弹簧压力为”,汇流环转速 为转 分。检测仪表为切一型携带式直流单电桥,精度 为。用 八酥二及萝分别进行 连续运转试验,在不停机状态下

5、测得电刷 与汇流环间接触电阻见表、表表中数值均为除去测量导线内阻。表彭二。电刷与汇流环间动态接触电阻偏偏爵爵一一卜。芝芝,只一一一一一一一表人终电刷与汇流环间动态接触电阻孤孤群群妞妞只只门飞只只一久久从表、表可以看出,两种 电刷在运转前,与汇流环间的静态接触电阻均达到小于的要求。萝电刷在运转小时后有环超标 在运转小时后有环超标运转小时后已有环超标,其中有环接触电阻超过。经过清理汇流环表面石墨“隔离 层”后合肥工业大学学报自然科学版年第卷各环电刷的接触电阻又能达到小于。的技术要求。因此应用电刷必须隔一定时间清理汇流环表面。而应用莎吓电刷后,经连续运转小时每隔小时采集一次数据,无一环接触电阻超过,

6、完全满足雷达汇流环的使用要求。电刷实机运转磨损实机运转磨损量的测定是根据装机前测得 电刷的高度凡,减去连续运转小 时后测得 同一电刷的高度瓦,其差值 从一气 一即为实测电刷磨损量。电刷经连续运转小时后磨损量为,而萝电刷连续运转小时磨损量仅为。一,耐磨性提高 倍以上。分析讨论复合材料电刷物理力学性能分析碳纤维一石墨一银基复合材料电刷中碳纤维 的增强效果 比较明显。碳纤维的存在不仅改善了电刷的静态物理力 学性能,同时也提高了动态接触性能及使用寿命。硬度的提高证实了镀银碳纤维 的增强作用得到充分发挥这对提高电刷使用寿命有利。电阻率的降低主要是 由碳纤维本身的结构特点及分布方式决定。碳纤维的纵向导 电

7、性远优于横向导 电性且优于石墨 的导 电性,经特殊压制工艺使碳纤 维趋 向电流方 向分布 大大降低了电刷电阻率,这对于要求电阻率较小的雷达 电刷意义更 为重大。复合材料电刷的动态接触性能分析薛和两种 电刷经雷达实机运转,萝电刷的动态接触性能明显优于二。电刷。二电刷因石墨含量较高,运转过程 中石墨容易剥落,石 墨 的吸附性能较好,且汇流环的转速较低转分,电刷剥落的石墨粉容易 吸附于汇流环表面,导致电刷与汇流环 间形成一层石墨“隔离层”,造成接触电阻上升。经停机清理石墨“隔离层”后,接触电阻又能满足要求。二复合材料电刷,因加人了高性能碳纤维且碳纤维的分布趋向垂直于工作面,在运转过程中,这种取 向的

8、碳纤维有效阻止了纤维从对磨面上拔出,耐磨性好,石墨不易剥落,在汇流环表面不形成石墨吸附层。即使在运转过程中有少许石墨及碳纤维端头脱落,因数量极少,也不容易形成石墨“隔离层”,因此动态接触电阻始终能满足雷达使用要求。电刷磨损分析图、分别为及二电刷磨损表面形貌。对磨汇流环材质为一,硬度。从图看出,磨损表面 出现了较深的犁切沟槽,而磨面没有 明显的“犁沟”出现。磨损形式主要是粘着磨损和磨粒磨损。对电刷来说,运转开始时,首先在电刷与汇流环接触点处发生 塑变剪切,使接触点处银基体产生粘着,同时因电刷摩擦表面石 墨易剥落,形成大量的磨粒,电刷硬度较低运转过程中,磨粒不断对电刷进行犁切而形成“犁沟”。这些“犁沟”的出现,又进一步破坏了电刷摩擦面结构,加剧了电刷磨损。而对了雏 厂电刷而 言,尽管其磨损形 式相 同但由于高性能碳纤维的加人,且其分布趋向垂直于摩擦面,这种取向的纤 维有效阻止 了纤维从摩擦面拔出,碳纤维起“支撑”作用,这 一点也 由该材料的硬度提高得到证实。同时碳纤维的存在阻止基体粘着和石