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项鲍
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1 第 41 卷第 6 期 : 高电压技术 Vol.41, No.6: 年 6 月 30 日 High Voltage Engineering June 30, 2015 DOI: /j hve 高功率脉冲电流作用下滑动界面初始熔蚀的试验研究朱仁贵, 张倩, 李治源, 邢彦昌, 王瑞林 ( 军械工程学院弹药工程系, 石家庄 ) 摘要 : 为研究高功率脉冲电流作用下轨道电磁发射装置中枢轨滑动界面的熔融和沉积特性, 在同一峰值脉冲电流下, 通过控制电枢触发位置进行发射试验, 模拟了不同发射阶段的滑动界面熔蚀特征试验采用 4 种不同尺寸的 C 形电枢, 比较了不同初始接触状态对初始熔蚀的影响结果表明 : 电枢接触表面出现液态金属流动特征和熔融溢出现象 ; 电枢接触边缘首先发生熔蚀, 其轴向位置与初始接触状态紧密相关 ; 随着脉冲电流作用时间增长, 熔蚀区域向电枢前部和中部扩散, 较大的接触力 / 接触面积有利于保持界面熔融层和减小能耗试验结果可为进一步精确模拟界面复杂物理过程提供可靠的参考关键词 : 初始熔蚀 ; 滑动界面 ; 脉冲电流 ; 滑动电接触 ; 电磁发射 ; 枢轨界面 Experiment Research on Initial Melt Erosion at the Sliding Interface Under High Power Pulse Current ZHU Rengui, ZHANG Qian, LI Zhiyuan, XING Yanchang, WANG Ruilin (Department of Ammunition Engineering, Mechanical Engineering College, Shijiazhuang , China) Abstract:To study the melt erosion and diffusion at the sliding interface between armature and rail in railguns driven by high-power pulsed current, we conducted a series of launch experiments driven by currents with the same peaks, and by starting the launch process with different initial positions of the armatures, we successfully simulated the melt erosion at the interface at different stages of launching processes. C-shaped armatures with four different sizes were adopted in the experiments to learn the impact of initial contact status between armature and rail to the initial erosion. Evidences of molten aluminum flowing and overflowing at armature interface were found. The melting started at the edges of contact areas, of which the axial position were closely related to the initial status of contact. With increasing action time of driving current, the molten area spreads toward the head and middle of armature. Adequate contact pressure and contact surface are of importance to sustaining the film of molten metal at the interface and suppressing the energy consumption. The results compose a solid foundation for conducting the actual numerical simulation of the complex physical reactions at the interface. Key words:initial melt erosion; sliding interface; impulse current; sliding electric contact; electromagnetic launch; armature-rail interface 0 引言 1 电磁发射应用高功率脉冲电源驱动电枢进行弹丸高速发射 [1-2] C 形固体电枢因其结构简单电传导性能良好弹丸支撑强度大等优越性, 现阶段被广泛使用, 并最有可能作为未来军事应用的主要电枢类型 [3-6] 固体电枢轨道炮中枢轨滑动电接触的性能影响发射效率和轨道寿命, 是国内外相关研究的热点 [7-10] 电磁轨道发射膛内阶段, 电枢表面连续电接触持续受热, 成为滑动电接触界面物理效应的主要承基金资助项目 : 国家自然科学基金 ( ) Project supported by National Natural Science Foundation of China ( ). 载体, 滑动界面的熔蚀变化研究也主要通过电枢表面的变化进行研究实际上, 滑动电接触过程中的界面金属材料熔化和沉积是固体电枢高速发射中的普遍现象 [11-13], 熔融液化层对电接触有润滑集电的积极作用, 但也会损耗接触表面材料增加界面能耗 [14-17] 鉴于膛内发射作用时间极短, 针对熔融沉积的研究多只能以轨道最终沉积层的物化检测分析为主 [18-20] 然而接触面形成完整液态层膜之前还经历了一段较长时间的初始熔蚀及扩散过程, 电枢接触表面材料的初始熔蚀及演变规律关系到界面熔化金属膜层的成型模式电接触状态的转换及电枢在膛内的滑行稳定性, 牵制着系统效率和作用轨道寿命的各种现象如槽蚀转捩和刨削等

在同一峰值脉冲电流下, 通过控制电枢触发位置进行发射试验, 模拟了不同发射阶段的滑动界面熔蚀特征试验采用 4 种不同尺寸的 C 形电枢, 比较了不同初始接触状态对初始熔蚀的影响结果表明 : 电枢接触表面出现液态金属流动特

2 1880 高电压技术 2015, 41(6) 滑动接触电流传导和热效应是滑动电接触界面的 3 个重要物理效应滑动界面的机械接触由初始接触和滑动过程中界面电磁力共同决定, 还需考虑磨损和接触副状态的改变 ; 界面电流在滑动接触 [21-22] 区域以内传导, 其分布受脉冲电流频率和滑动速度作用 [23-24] ; 热效应则是滑动接触和电流传导的直观体现, 表现为摩擦热和焦耳热共同作用下的接触表面高温软化熔融流动冷却和沉积为此, 为研究枢轨滑动界面的初始熔蚀及扩散规律, 设计了多阶段发射试验通过试验研究了电枢表面熔蚀形貌的变化过程接触表面熔蚀形貌观察 2 试验结果与讨论所有电枢发射试验中, 都伴随着炮口强光高声和浓烟, 其剧烈程度与出膛电流成正比根据触发位置设置的不同, 实现了不同出口电流 ( 近似等梯度 ) 的控制, 图 2 为电枢 A 在 6 次不同触发位置 ( 电枢头部弧顶距轨道炮口的距离 ) 下的脉冲电流波形, 图中标示出了各次试验的出膛时间和出膛电流, 其他 3 种电枢试验在不同触发位置下的出膛电流和时间如表 1 所示 1 试验方法在 20 mm 20 mm 方口径试验发射装置上, 选择 4 种不同尺寸的 C 形电枢进行试验, 电枢基本结构如图 1 所示 4 种电枢分别为 : 电枢 A:d h =19.7 mm,d t =20.8 mm; 电枢 B:d h =19.6 mm,d t =21.0 mm; 电枢 C:d h =19.6 mm,d t =20.6 mm; 电枢 D:d h =19.4 mm,d t =20.8 mm 轨道和电枢材料分别选用黄铜和 7075 铝合金在相同电容器电源储能, 相同脉冲电流峰值 (165 ka) 下, 对同一种尺寸的电枢, 设置不同初始发射位置, 以控制脉冲电流对滑动界面的作用时间和出膛电流进行多次发射试验, 以脉冲电流部分作用时间下的试验后电枢熔蚀表面代表其完整作用时间下各个时刻的膛内界面熔蚀特征, 以此研究长距离完整发射时枢轨滑动界面的历程轨道发射试验要求放电电流上升沿时间较短, 且电流达到某一完全克服静摩擦力的启动电流时电枢才开始滑动, 经验表明达到峰值电流时电枢的加速距离仅为数 mm, 通过位置改变实现的不同出口电流主要集中在脉冲下降沿试验装置通过炮口大电阻对炮口残余电流 ( 电压 ) 消弧, 出膛前后放电回路阻抗发生突变, 放电电流会存在 1 个显著拐点, 以电流的拐点作为电枢的出膛时间的判据初始发射位置距离炮口越远, 加速时间越长出口电流越小 ( 在一定的出口电流之上 ), 电枢出口速度越大为了保存完整的电枢表面, 使用沙箱回收高速出膛电枢, 观察回收电枢的滑动界面形貌, 分析强脉冲电流作用不同阶段的滑动界面变化虽然部分电枢受沙堆反弹撞击上钢制受弹箱上板, 但撞击动能已经很小电枢只是尾部发生轻微弯曲, 并不影响电枢图 1 试验电枢结构 Fig.1 Configuration of the test armature 图 2 电枢 A 的试验电流波形 Fig.2 Waveform of the driving current for armature A 表 1 试验触发与出膛参数 Table 1 Triggering parameters and exit status 电枢触发位置 /mm 出膛电流 /ka 出膛时间 /ms B C D

熔蚀及扩散规律, 设计了多阶段发射试验通过试验研究了电枢表面熔蚀形貌的变化过程接触表面熔蚀形貌观察 2 试验结果与讨论所有电枢发射试验中, 都伴随着炮口强光高声和浓烟, 其剧烈程度与出膛电流成正比根据触发位置设置

3 朱仁贵, 张倩, 李治源, 等 : 高功率脉冲电流作用下滑动界面初始熔蚀的试验研究 1881 试验后的轨道表现出 2 种特征 : 1) 电枢 A 和 B 试验后的轨道表面正常磨损和覆盖铝熔层, 如图 3(a) 所示, 而电枢 C 和 D 试验后轨道从触发起始位置至炮口被烧黑, 如图 3(b) 所示 2) 对试验后各轨道打磨后再检测试验后轨道都出现了铝熔融沉积现象, 初始滑动阶段, 铝熔层较窄分布在接触边缘, 如图 3(a) 图 3(c) 所示, 而随着滑动距离的增加, 接触区域两侧铝熔沉积层逐渐加宽甚至在中部区域覆盖一层薄膜, 如图 3(d) 所示, 高压接触侧轨道沉积程度大于低压侧轨道特征表明 : 电枢 C D 在峰值 165 ka 的脉冲电流作用下无法保持良好的电接触, 部分电流通过电弧放电在枢轨间传导 ; 良好电接触下 ( 电枢 A B) 的电枢材料从初始滑动位置附近既发生熔化并沉积在轨道上, 说明焦耳热是电枢材料熔化的主要因素, 轨道铝合金沉积层从初始两侧细窄到炮口逐渐向接触中心区域加宽, 表明电枢熔化从接触边缘向接触中心扩散图 4 为电枢 A 在出膛电流 103 ka 以下的 4 种试验后表面形貌 (145 ka 和 124 ka 出膛电枢受拉弧作用与左一图类似 ) 出口电流大于 100 ka 时, 残余电能超过小口径发射装置预设消弧能力, 炮口拉弧导致电枢整个接触界面模糊, 呈银色电镀状 ( 图 4(a)) 排除炮口拉弧对电枢表面损伤的影响, 观察出膛电流小于 100 ka 的情况, 电枢界面均出现清晰的熔蚀现象, 熔蚀形貌表现为蝶翼形 ( 如图 4(c)) 熔蚀区域从接触边缘向中部扩散, 显示出电枢表面从接触边缘开始熔化位移较小 / 出膛电流电流较大情况下, 熔蚀区后端紧邻尾部 ; 而位移增大 / 出膛电流减小时, 尾部甚至中部脱离熔蚀区, 展现出完整或分离的蝶翼状熔蚀区两翼沿接触边缘的分布范围较大, 但从两侧熔蚀连通部位的位置变化可以看出随着作用时间增长,4 种电枢的试验结果均表现为熔蚀连通部位 ( 图 4 中被圈出区域 ) 向前部移动的趋势随着脉冲电流作用时间增长,4 种电枢均表现出熔蚀区向接触表面前部扩散的趋势, 但是前 2 种电枢熔蚀区逐渐脱离尾部而后 2 种电枢尾部熔蚀却呈现出熔蚀加重的现象图 5 给出了距炮口 0.9 m 处触发发射后 4 种电枢的接触表面形貌, 可见随着电枢尺寸的增大, 电枢熔蚀面积明显减小, 因此接触面积和压力的增大有助于减小界面能耗, 也更有利于金属液化物在界面的保持图 3 试验后轨道形貌 Fig.3 Rail appearance after launch 图 4 试验后电枢 A 的表面形貌 Fig.4 Appearance of recovered armature A 高温集中在滑动接触边缘的另一个证据则是电枢接触侧面的溢出现象在电枢 A B 和 C 的系列试验中都观察到熔融金属侧面溢出现象, 如图 6 电枢 B 侧面与接触面的熔蚀形貌对比所示随着脉冲电流作用时间增长, 逐渐增多的熔化金属在 ( 高速 ) 高压接触界面中无法向其他封闭 ( 密闭 ) 表面流动, 而枢轨接触侧面与绝缘支撑材料之间保留的一定间隙则使这种高速界面流体流出成为可能溢出熔融物表现为接触面溢出, 在侧面斜向后方流动熔融物局部侧面溢出证明电枢接触区尚未全面熔化, 熔融流体无法从接触后方输出形成流动通道, 而接触边缘的初始熔化为熔融流体的输出流动

甚至在中部区域覆盖一层薄膜, 如图 3(d) 所示, 高压接触侧轨道沉积程度大于低压侧轨道特征表明 : 电枢 C D 在峰值 165 ka 的脉冲电流作用下无法保持良好的电接触, 部分电流通过电弧放电在枢轨间传导 ; 良好电接触下 ( 电枢 A

4 , 41(6) 高电压技术图 5 4 种电枢发射后形貌 Fig.5 Appearance of the four kinds of armatures after launch 图 7 接触面熔化流动特征 Fig.7 Flow of molten aluminum on armature contact surface 图 6 接触面熔化溢出 Fig.6 Overflow of molten aluminum from contact surface 形成了一个天然通道侧面溢出熔融物的特征也证明溢出现象只源于一个较小区域以接触面熔蚀区与侧面溢出物的结合位置可初步判断接触面熔化的初始位置边缘初始熔化位置在熔蚀区前部随着作用时间和熔化区域的增大电枢表面也显现出熔融流动的证据在回收的熔蚀面积较大的电枢表面中能观察到明显的薄壳脱落证据如图 7 所示露出电枢表面基材料的周围熔蚀物表现为薄壳易脱落特征通过简单的表层物理去除处理基质材料更多的显露出来透过脱落的铝熔层观察图 8 4 种电枢的初始接触压力仿真计算结果 Fig.8 Compute results of the initial contact pressure of the four kinds of armatures 基质表面的物理状态与前端未熔蚀表面类似对比发现这种基质未熔而表面覆盖薄熔层的流动特征现象主要出现在中部区域和接近尾部区域在熔蚀物覆盖电枢接触表面全面时前部也偶尔会观察到 C 形电枢通过外张尾翼的变形提供保证良好电接触的初始接触力电枢表面熔蚀形貌也与初始接触状态密切相关对 4 种电枢与轨道的接触压强数值计算结果(见图 8)与低速不出膛试验得到的接触表面的摩擦痕迹(见图 9)证明了这种相关性从图 8 可以看出随电枢尺寸的增大接触区域图 9 低速不出膛试验后 4 种电枢的接触状态 Fig.9 Initial contact status of four armatures after low speed launch in railgun bore 从电枢尾部表面向头部表面移动接触面积逐渐增大接触始终聚集于表面边缘而图 9 可以看出低接触边缘附近对电枢 D C B A 接触区域从速不出膛试验得到 4 种电枢磨损严重部位均出现在尾部逐渐向前移动接触区域增加接触数值分析

能观察到明显的薄壳脱落证据如图 7 所示露出电枢表面基材料的周围熔蚀物表现为薄壳易脱落特征通过简单的表层物理去除处理基质材料更多的显露出来透过脱落的铝熔层观察图 8 4 种电枢的初始接触压力仿真计算结果 Fig.

5 朱仁贵, 张倩, 李治源, 等 : 高功率脉冲电流作用下滑动界面初始熔蚀的试验研究 1883 和低速试验结果相符, 初始熔蚀与 C 形电枢表面的初始接触压强分布较一致, 但随着电流作用时间增长, 熔蚀区域前移表明接触区域也发生了移动 ; 而全面理想接触下的电流分布也都集中于接触侧边, 亦与试验中熔蚀从边缘开始向中心扩散相吻合结合试验现象和理论分析可以推测, 电枢在高功率脉冲电流作用下加速摩擦滑动, 枢轨滑动界面在摩擦热和焦耳热作用下持续升温, 电枢接触面的两侧部位首先熔化, 初始熔化位置随电枢尺寸的增大而更靠近前部两侧首熔点的位置与初始接触状态和界面电流分布息息相关电枢表面熔化材料逐渐增多, 高压高速界面下不稳定的熔融合金从侧面流出随着界面滑动和电流作用时间的增长, 接触表面熔蚀面积逐渐增大, 既表现为枢轨接触区域的前移, 同时也包含熔融液体向接触区域后方侵蚀流动的作用通过试验无法定量地描述界面熔蚀随时空的准确变化, 但是试验现象和特征的总结可为精确模拟界面复杂物理现象提供可靠的参考而为了实现军事应用所需要达到的超高速, 实际会采用更高的峰值电流和脉冲成型网络形成长达数 ms 的电流峰值平台, 对应的滑动电接触界面也将有更大规模的熔化产生, 因此在现有研究结果上, 有必要对材料的熔化流动及其对界面电接触的影响都有待进一步研究 3 结论 1) 电枢表面在起始部位附近即开始熔蚀, 焦耳热是电枢熔化的主要因素, 轨道表面沉积层的变化趋势表明电枢表面熔化从两侧向中心扩展 2) 强脉冲电流作用下的枢轨滑动界面上, 接触边缘首先熔化, 熔化的位置与初始接触状态相关 3) 脉冲电流作用时间的增长使得电枢与轨道的作用区域向前移动, 同时熔化的金属流体向尾部流动扩散, 接触力和接触面积的增大有利于界面液态金属的维持参考文献 References [1] 夏胜国, 朱卫东, 何俊佳. 大电流高速滑动电接触实验电源系统研制 [J]. 高电压技术,2007,33(7): XIA Shengguo, ZHU Weidong, He Junjia. Pulsed power system for high-current high-velocity sliding electrical contact studies[j]. High Voltage Engineering, 2007, 33(7): [2] Li J, Cao R G, Li S Z. The development of EML technology in China[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(5): [3] McNab I R, Crawford M T, Satapathy S S, et al. IAT armature development[j]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): [4] Zhang Q X, Li J, Cao R G. Simulation and test research of copper-aluminum sliding pair contact performance[j]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(5): [5] Chen L X, He J J, Xia S G, et al. Study on the tail structure of a C-type armature in the nonequal-cross-section cantilever model[j]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(5): [6] Haugh D C, Hainsworth G MG. Why C armatures work (and why they don't!)[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1): [7] 冯登, 夏胜国, 陈立学, 等. 基于过盈配合的 C 形电枢轨道初始接触特性分析 [J]. 高电压技术,2014,40(4): FENG Deng, XIA Shengguo, CHEN Lixue, et al. Characteristics analysis of the initial contact between C-shaped armature and rail based on interference fit[j]. High Voltage Engineering, 2014, 40(4): [8] 陈允, 徐伟东, 袁伟群, 等. 电磁发射中铝电枢与不同材料导轨间的滑动电接触特性 [J]. 高电压技术,2013,39(4): CHEN Yun, XU Weidong, YUAN Weiqun, et al. Sliding electrical contacts between aluminum armature and different material rails in railgun[j]. High Voltage Engineering, 2013, 39(4): [9] Hsieh K-T, Satapathy S, Hsieh M-T. Effects of pressure-dependent contact resistivity on contact interfacial conditions[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): [10] Delaney L D. A first report on electromigration studies at a model copper-aluminum railgun contact[d]. Monterey, USA: Naval Postgraduate School, [11] Persad C. Railgun tribology-chemical reactions between contacts[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1): [12] Stefani F, Merrill R. Experiments to measure melt-wave erosion in railgun armatures[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1): [13] Watt T, Stefani F. The effect of current and speed on perimeter erosion in recovered armatures[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1): [14] Persad C, Yeoh A, Prabhu G, et al. On the nature of the armature-rail interface: liquid metal effects[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 1997, 33(1): [15] Thiagarajan V, Hsieh K-T. A magnetofluid mechanical model to describe rail armature interface phenomena[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1): [16] Merrill R, Stefani F. A turbulent melt-lubrication model of surface wear in railgun armatures[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1): [17] Kothmann R E, Stefani F. A thermal hydraulic model of melt-lubrication in railgun armatures[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(1): [18] Persad C, Castro Z. Railgun tribology: characterization and control of multishot wear debris[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1): [19] Dutta I, Delaney L, Cleveland B, et al. Electric-current-induced liquid Al deposition, reaction, and flow on Cu rails at rail armature contacts in railguns[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1):

电枢接触面的两侧部位首先熔化, 初始熔化位置随电枢尺寸的增大而更靠近前部两侧首熔点的位置与初始接触状态和界面电流分布息息相关电枢表面熔化材料逐渐增多, 高压高速界面下不稳定的熔融合金从侧面流出随着界面滑动和

6 1884 高电压技术 2015, 41(6) [20] Stefani F, Parker J V. Experiments to measure wear in aluminum armatures[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 1999, 35(1): [21] Nearing J C, Huerta M A. Skin and heating effects of railgun current[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 1989, 25(1): [22] O Dell T H. Skin effect for transient currents[j]. Electronics Letters, 1996, 32(25): [23] Engel T G, Neri J M, Veracka M J. Characterization of the velocity skin effect in the surface layer of a railgun sliding contact[j]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(7): [24] 杨玉东, 王建新, 薛文. 轨道炮速度趋肤效应的分析与仿真 [J]. 强激光与粒子束,2011,23(7): YANG Yudong, WANG Jianxin, XUE Wen. Simulation and analysis of velocity skin effect of railgun[j]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(7): 朱仁贵 1987, 男, 博士生主要研究方向为电磁发射和高功率脉冲电流下的滑动电接触技术邢彦昌 1989, 男, 博士生主要研究方向为电磁发射及脉冲功率技术 ZHU Rengui Ph.D. candidate 张倩 1974, 女, 博士, 副教授主要研究方向为电磁发射及军工材料技术 XING Yanchang Ph.D. candidate 王瑞林 1963, 男, 博士, 教授, 博导主要研究方向为武器系统动力学理论与应用 ZHANG Qian Ph.D. Associate professor WANG Ruilin Ph.D., Professor 李治源 1968, 男, 博士 ( 后 ), 教授, 硕导主要研究方向为电磁发射及脉冲功率技术 LI Zhiyuan Post-doctorate Professor 收稿日期修回日期编辑肖铮

Electronics Letters, 1996, 32(25): 2330-2331. [23] Engel T G, Neri J M, Veracka M J. Characterization of the velocity skin effect in the surface layer of a railgun sliding contact[j].

34 22 f t = f 0 w t + f r t f w θ t = F cos p - ω 0 t - φ 1 2 f r θ t = F cos p - ω 0 t - φ 2 3 p ω 0 F F φ 1 φ 2 t A B s Fig. 1

34 22 f t = f 0 w t + f r t f w θ t = F cos p - ω 0 t - φ 1 2 f r θ t = F cos p - ω 0 t - φ 2 3 p ω 0 F F φ 1 φ 2 t A B s Fig. 1 22 2 2018 2 Electri c Machines and Control Vol. 22 No. 2 Feb. 2018 1 2 3 3 1. 214082 2. 214082 3. 150001 DOI 10. 15938 /j. emc. 2018. 02. 005 TM 301. 4 A 1007-449X 2018 02-0033- 08 Research of permanent