直流電弧作用下觸頭材料的侵蝕機(jī)理和轉(zhuǎn)移特性研究.pdf

1、電磁繼電器動(dòng)作時(shí)，觸頭間會(huì)形成電弧，并伴隨蒸發(fā)和噴濺現(xiàn)象。蒸發(fā)和噴濺會(huì)導(dǎo)致觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移，是接觸系統(tǒng)失效的主要原因?，F(xiàn)有的蒸發(fā)侵蝕模型只適用于真空中燃弧過(guò)程，不適用于繼電器中的常壓氣體環(huán)境；現(xiàn)有的噴濺侵蝕模型無(wú)法定量描述噴濺侵蝕特性與電弧特性之間的關(guān)系；而對(duì)于蒸發(fā)和噴濺導(dǎo)致的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象目前國(guó)內(nèi)外尚未開(kāi)展理論研究。以上問(wèn)題導(dǎo)致至今仍無(wú)法定量評(píng)估繼電器動(dòng)作過(guò)程中電弧對(duì)觸頭的燒蝕程度，不能為觸頭抗燒蝕能力設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效的理論依據(jù)。本

2、文通過(guò)建立觸頭熔池三維磁流體動(dòng)力學(xué)模型和電弧-觸頭統(tǒng)一模型，對(duì)穩(wěn)態(tài)電弧和分?jǐn)嗳蓟∵^(guò)程引起的蒸發(fā)和噴濺侵蝕機(jī)理及材料轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了研究。
　　蒸發(fā)導(dǎo)致的觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移是觸頭分?jǐn)嘈‰娏鲿r(shí)性能退化和失效主要原因。針對(duì)觸頭及熔池內(nèi)部傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象，建立了熔池三維磁流體動(dòng)力學(xué)模型，得到了熔池物理特性及觸頭表面熱場(chǎng)分布?；跉怏w動(dòng)力學(xué)理論，建立了包含努森層、蒸氣層、暫態(tài)電弧層和穩(wěn)態(tài)電弧層的熔池表面蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解層與層交界面物質(zhì)狀態(tài)

3、如密度、溫度和壓力等滿足的氣體動(dòng)力學(xué)方程，得到了蒸發(fā)通量與熔池表面溫度的關(guān)系。結(jié)合熔池表面熱場(chǎng)分布和蒸發(fā)通量與熔池表面溫度的關(guān)系，得到了穩(wěn)態(tài)電弧作用下觸頭的蒸發(fā)侵蝕率。在零材料損失假設(shè)下，通過(guò)求解陰極和陽(yáng)極的蒸發(fā)侵蝕率，得到了蒸發(fā)導(dǎo)致的材料轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移速率?；谏鲜瞿Ｐ?，分析了觸頭熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等材料屬性對(duì)蒸發(fā)侵蝕特性的影響，解決了小電流下觸頭材料抗燒蝕能力設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)缺乏理論依據(jù)的問(wèn)題。利用開(kāi)距可調(diào)的電弧試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了小電弧電流下的穩(wěn)

4、態(tài)燃弧實(shí)驗(yàn)，得到了不同穩(wěn)態(tài)電流電弧燒蝕觸頭質(zhì)量和形貌的變化。
　　噴濺導(dǎo)致的觸頭材料侵蝕機(jī)理和轉(zhuǎn)移特性的研究對(duì)于大電流下接觸系統(tǒng)失效模式和失效機(jī)理的分析至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)熔池表面進(jìn)行受力分析，建立了電弧對(duì)熔池作用力突變導(dǎo)致材料噴濺的物理模型，分析了斑點(diǎn)產(chǎn)生、消亡與噴濺形式的關(guān)系。基于機(jī)械能守恒原理，推導(dǎo)了電弧力做功表達(dá)式，根據(jù)電弧力做功和表面張力束縛能的關(guān)系，給出了噴濺發(fā)生的定量判據(jù)。結(jié)合電弧斑點(diǎn)的等效模型，得到了穩(wěn)態(tài)電弧作用下噴濺

5、侵蝕率。分析了斑點(diǎn)電流密度、斑點(diǎn)更替周期和運(yùn)動(dòng)速率等斑點(diǎn)特性對(duì)噴濺侵蝕特性的影響。由于噴濺具有隨機(jī)性，在噴濺液滴初始狀態(tài)概率分布假設(shè)下，進(jìn)行了液滴在電弧中運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，得到了噴濺液滴導(dǎo)致材料損失和轉(zhuǎn)移的比例與液滴初始狀態(tài)、觸頭半徑及間隙之間的關(guān)系?；谝陨涎芯?，分析了觸頭熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等材料屬性對(duì)噴濺侵蝕特性的影響，為大電流下觸頭材料抗燒蝕能力理論設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供了新方法。進(jìn)行了大電弧電流下的穩(wěn)態(tài)燃弧實(shí)驗(yàn)，得到了噴濺導(dǎo)致的觸頭質(zhì)量和形貌的

6、變化，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。
　　建立了觸頭分?jǐn)噙^(guò)程各個(gè)階段的等效模型，結(jié)合熔池仿真模型，研究了分?jǐn)噙^(guò)程觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移特性。建立了接觸斑點(diǎn)、液橋和電弧的簡(jiǎn)化模型，提出了分?jǐn)噙^(guò)程觸頭電壓-電流預(yù)測(cè)方法，得到了分?jǐn)噙^(guò)程各階段注入觸頭的電流密度和熱流密度。在此基礎(chǔ)上，建立了分?jǐn)噙^(guò)程熔池仿真模型，得到不同時(shí)刻熔池內(nèi)部各物理場(chǎng)分布。通過(guò)分析蒸發(fā)和噴濺導(dǎo)致的觸頭侵蝕和轉(zhuǎn)移特性，實(shí)現(xiàn)了單次燃弧過(guò)程中蒸發(fā)和噴濺導(dǎo)致的侵蝕和轉(zhuǎn)移特性

7、的理論分析。在30V/50A阻性負(fù)載回路中進(jìn)行了10000次分?jǐn)嗳蓟?shí)驗(yàn)，得到了觸頭電壓波形和質(zhì)量變化，分析了仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異的原因。
　　根據(jù)電弧和觸頭之間的物質(zhì)和能量傳遞過(guò)程，建立了包括陰極、陽(yáng)極和電弧弧柱區(qū)域的電弧-觸頭雙向多場(chǎng)耦合的磁流體動(dòng)力學(xué)模型，研究了分?jǐn)嗳蓟∵^(guò)程觸頭材料侵蝕和轉(zhuǎn)移特性。建立了包含陰極、鞘層、預(yù)鞘層和弧柱的陰極極旁區(qū)域數(shù)學(xué)模型，得到了陰極表面電子流密度和離子流密度與陰極表面溫度的關(guān)系?；陉帢O和陽(yáng)極表