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[硕士论文] 胡宇阳
电气工程 华中科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁发射过程中,电枢轨道界面电流密度参数接近轨道材料承受极限,且电流在枢轨接触界面上分布极不均匀,就会导致电流集中区域的电枢材料熔化,甚至汽化,这种现象称为“电流熔蚀”。电流熔蚀是电磁轨道发射起始阶段的重要物理过程,是枢轨接触界面滑动电接触状态的重要影响因素。电流熔蚀产生的液态铝一部分在发射后残留在轨道表面,是重复发射轨道表面沉积层的主要来源,而主要集中在发射起始段轨道表面的沉积层对电流熔蚀也有较大影响。现有电流熔蚀研究中存在熔蚀机理研究不足、沉积层对发射过程和电流熔蚀的影响研究缺乏等问题,严重制约了电磁发射技术的发展。针对这些问题,本文以电流熔蚀为研究对象,开展了光洁轨道表面和有沉积层轨道表面电磁发射研究,并建立了考虑沉积层的枢轨接触界面磁热仿真模型,以讨论电流熔蚀的全过程及影响因素和沉积层对熔蚀的影响。
  课题开展了光洁轨道表面电磁发射实验,实验首次采用分离配重方法,获得了完好的电枢表面电流熔蚀形貌,基于不同发射电流幅值下的形貌测量结果提出了电流熔蚀的三种模式并结合运动学计算讨论了不同熔蚀模式下的液化层润滑效应。研究表明,熔蚀模式的变化实际反映着不同液态铝产生量对熔蚀的影响,也对应着枢轨之间不同的接触状态。约束性熔蚀模式对应着枢轨固-固直接接触、扩张性熔蚀模式对应着固-固接触和固-液-固接触并存、贯通性熔蚀模式对应着较大范围的固-液-固接触,不同接触状态的润滑特性也有较大差异。实验还通过设计窄电枢、改变配重质量等方法研究了电流线密度和发射速度等因素对电流熔蚀的影响。最后结合熔蚀形貌和电流分布仿真结果讨论了电流熔蚀的发生发展过程,研究表明,初始过盈压力分布和枢轨间液态层流动是影响电流熔蚀的两个主要因素。
  在20kA/mm线电流密度发射条件下,开展了重复发射实验,研究轨道表面的沉积规律和沉积层对电流熔蚀效应的影响。结果表明,随发射次数积累,沉积层厚度在前2-3次快速增长,后期会呈现线性增长趋势。随着沉积层厚度增加,每次发射后电枢表面最大熔蚀深度呈下降趋势,熔坑沿侧边沿向电枢头部扩张距离会逐渐增加,最终沉积层的增长可能导致熔蚀模式的改变。
  基于磁扩散理论和热传导理论,建立了考虑初始过盈接触压力分布和轨道沉积层
  的力磁热耦合枢轨电接触分析模型,分析了有沉积层条件下枢轨接触界面上电流分布情况和电枢表面熔蚀过程。研究发现,沉积层厚度越大、电导率越低,电枢表面电流分布均匀性越强,电流受沉积层影响出现向电枢尾部转移的趋势。最大熔蚀深度仿真结果均大于实验测量值,且随着沉积层厚度增加,仿真结果与实验结果的差距不断增大。这是由于枢轨界面产生的液态铝改变了电流分布的情况。
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