重复推进滑动电接触的试验研究

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.22,No.4　

Apr.,2010　

文章编号:　100124322(2010)0420923204

重复推进滑动电接触的试验研究

刘传谱1,2,　袁伟群1,　严　萍1,　孙鹞鸿1,　孙连华1,2

(1.中国科学院电工研究所,北京100190;　2.中国科学院研究生院,北京100190)

3

　　摘　要:　重点研究了低速条件下重复推进对电枢与导轨的接触状态、初速等的影响。试验采用6路时序脉冲功率电源、10mm方口径装置和U型单体铝电枢,利用建立的试验系统进行重复推进试验。试验结果表明:随着重复次数增加,电枢和导轨的接触状态趋于良好,电枢启动时间提前,初速增大。说明在电枢低速运动条件下,重复试验中导轨表面遗留富含铝的堆积物对下一次试验的滑动电接触有积极作用。　　关键词:　电磁推进系统;　滑动电接触;　重复试验;　堆积物薄层;　电枢

　　中图分类号:　TM910　　　　文献标志码:　A　　doi:10.3788/HPLPB20102204.0923　　电磁轨道推进试验中固体电枢和导轨之间是一种极端摩擦状态,接触表面在滑动过程中不但存在相互运动、材料软化、张力变形等力学现象,还存在电阻热、电弧等一系列电学行为,且其相互之间存在复杂的交互作用[122]。目前电枢和导轨的滑动电接触问题还没有形成比较成熟的理论,但已知接触状态是否良好将直接影响推进装置的初速及系统效率,因而研究滑动电接触问题对电磁推进技术的提高具有重要意义。在电磁轨道推进试验过后,导轨表面会留下富含铝的金属混合物薄层[3],而在重复试验中,该混合物薄层将会对下一次试验的接触情况产生影响。针对该薄层的研究主要集中于3个方面:是否起到润滑作用;是否影响电枢和导轨之间的电流传输效率;是否发生化学反应,影响本体寿命[1]。其中关于润滑作用的研究居多。目前国外对该问题的研究以美国德克萨斯大学的高技术研究所(IAT)为主,该中心研究人员通过大量重复试验及物理分析,提出液态金属效应等重要观点[4],而在国内还未见到相关的学术论文发表。本文利用自行设计的轨道型电磁推进系统进行了一系列试验,针对低速条件下重复试验中的滑动电接触进行研究。

1　试验系统

1.1　电源系统

　　试验的电源系统由6个脉冲形成网络(PFN)模块组成,每个模块包括脉冲电容器组、空气开关、续流硅堆及调波电感。单模块的工作原理如图1所示。其中,C为电容器组,K为三电极电火花开关,D为续流二极管,L1为调波电感,L0和R0分别为推进装置的负载等效电感与等效电阻。单模块电容器组由15台180μF的脉冲电容器并联组成,额定充电电压为5kV。6个PFN模块电容器组的总能量约为0.2MJ。PFN模块既可以独

Fig.1　CircuitdiagramofaPFN立放电,也可以通过程序控制实现多模块同步或时序放电。在

图1　PFN模块工作原理图

开关触发控制系统中,输入时序参数可以控制相应模块的导通

时间,从而实现对输出波形的幅值和脉宽的调整,得到符合试验条件的电流波形。本电源系统的时序调节范围为0～10ms。

1.2　电磁推进装置与电枢

　　试验采用玻璃纤维环氧材料护套的轨道型电磁推进装置,身管口径为10mm×10mm,长度为460mm,采用上下压紧式结构。导轨为矩形紫铜材料导轨(20℃时标准电阻率为1.8×10-8Ω・m),如图2所示。其中,导轨宽w=18mm,厚h=6mm,导轨间距s=10mm。计算得到该结构的电感梯度L′=0.36μH/m。　　电枢为单体U型结构,质量为1.8g,如图3所示。电枢材料为6061铝材,具有一定的拉伸强度和延展

3收稿日期:2009211211;　　修订日期:2009212209

基金项目:中国科学院电工研究所所长基金项目

),男,硕士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;liuchuanpu@mail.iee.ac.cn。作者简介:刘传谱(1984—

924强激光与粒子束第22卷

性。电枢尾翼宽10.58mm,比本体口径略大,压紧导轨时尾翼发生形变,在起始处提供约1.8kN的预紧力。电枢肩部加载圆顶尼龙帽,以减小气动阻力。

1.3　测量系统

　　试验放电电流采用外积分Rogowski线圈进行测量,其中采样电阻为50Ω(与传输电缆波阻抗相匹配),外积分电阻为10kΩ,积分电容为0.2μF。试验线圈灵敏度为682kA/V。电枢速度采用B2dot磁探针测量。根据电磁场原理,电枢滑动至B探针正下方位置时,感应信号有一个正负变换过程,通过确定感应信号的过零点时间,可以得到电枢的位移2时间曲线,从而计算得到速度曲线。B探针线圈由<0.25mm漆包线绕制,横截面积38.5mm2,测得探头内阻约为1.3Ω。本文中试验电流为几十kA,输出电压信号幅值范围为1～10V。

2　试验结果

　　试验中6路PFN电源模块电源时序参数设置为(0,0,0,0,750,900)μs,电容器充电电压为2.0kV。电枢起始位置距离导轨尾部75mm,各B2dot磁探针的分布如表1所示,分布位置为B探针到电枢起始位置的距离。　　在单次推进试验中,放电电流波形如图4所示,放电电流峰值约为85kA,上升沿时间为0.5ms,半高宽时间约为2ms。电枢加速至2.1ms飞离本体。图5为B2dot磁探针测得的感应电压信号,其中图5(a)为1号B探针测量信号,可以看出电枢在0.38ms时刻开始滑动;图5(b)为7号B探针测量信号,由于电枢出口时的电弧对B探针产生干扰,2.1ms时信号出现振荡,该时间点与图4中电流波形转折点的时间相符合。

表1　B探针的分布位置

Table1　LocationofB2dotprobes

No.ofprobe

1234567

distance/mm

2376129182235288341

Fig.4　Totalcurrentofsequentialdischarge

图4　时序放电电流波形

　　按照以上试验条件,在相同导轨上连续进行7次重复试验,每次时间间隔约为30min。Rogowski线圈测量的放电电流波形如图6所示,可以看出,各次试验中电枢飞离电磁推进装置前的电流波形基本相同。由于试验采用的三电极空气开关在低压触发时具有一定的分散性,各模块放电时序与设定值存在误差,因而电流波形存在微量偏差。

　　利用B2dot磁探针测量电枢启动及经过各探针点的时间,结果如图7所示。根据探针信号过零点的时间及探针位置可以获取电枢的位移2时间曲线,计算得到各次试验的初速如表2所示。可以看出,随着重复试验次数增加,电枢启动时间提前,初速变大。

第4期刘传谱等:重复推进滑动电接触的试验研究925

3　结果分析和讨论

　　在每次试验后观察导轨表面发现,覆盖的富含铝的混合物薄层越堆越厚,甚至薄层表面凹凸不平,但试验中电枢和导轨之间的接触始终良好,未发现任何烧蚀现象。而此结构电枢在单次试验中出现多次烧蚀,这说明在相同试验条件下堆积物薄层的存在降低了导轨表面烧蚀的可能性。

表2　重复试验中电枢的初速　　由试验数据可以看出,在重复推进试验中,电枢的启动越来越早,初速也越来越快。在第1次试验中电枢启动时

间为891μs,第7次试验时提前至377μs。假设启动瞬间接触面的最大静摩擦力等于电枢所受的洛伦兹力,则计算发现起始处的最大静摩擦力由1.18kN变为0.78kN,减小33%,静摩擦系数也由0.44降到0.37。由图7可以看出,随着重复次数增加,在相同测量点处的位移2时间曲线斜率变小,即电枢初速变大,而在电流波形相同的前提下,速度增加表明堆积物薄层使得滑动摩擦力减小,有利于电流能量更有效地转化为电枢动能。表2表明,在重复试验某固定值。

　　针对摩擦问题,Persad,Price,Crawford等人[1,8211]在早期研究中发现覆盖导轨表面的金属物可以减少轨道烧蚀和降低摩擦系数。为此,美国IAT的Chadee等人[1,4]在1997年提出液态金属效应,认为如果电枢表面采用低熔点金属会对电枢的滑动有积极作用,同时还提出电枢会对上一次试验的堆积物进行刨削,即薄层不会无限堆积。

　　结合本文的试验结果我们认为,从电流馈入导轨到电枢开始滑动,大电流产生的焦耳热使金属薄层和电枢表面熔化,减小了起始位置的静摩擦系数,使电枢启动时间提前。在电枢滑动过程中,焦耳热和摩擦热使接触面瞬间形成液态金属层,不但有利于良好接触,还为电枢加速起到润滑剂的作用。随着接触面薄层厚度增加,

Table2　Armature’sinitialvelocityinmulti2shotexperiment

No.ofshot

1234567

velocity/(m・s-1)

203.3291.0315.4384.2394.5411.7439.5

初期,堆积物薄层对初速影响很大,但随着试验次数增加,薄层堆积到一定厚度,初速提升变缓,最终可能趋于

926强激光与粒子束第22卷

几十kA电流产生的焦耳热不足以熔化全部金属层,液态金属体现的润滑作用有所下降,电枢对薄层的刨削现象也会影响重复试验中初速继续增大,因而电枢速度最终可能趋于稳定。　　同时,本文没有将重复推进试验中电流的传输效率、接触面化学反应等问题列为重点研究。但Chadee,Meger等人[123]在相关论文中指出导轨表面在高温大电流条件下可能存在化学反应,并在堆积物中发现Cu,O,C等元素,并提出薄层的元素成分和微观结构可能会影响电流传输效率。这表明重复推进对试验系统还存在很多不利的方面,需要更深入的研究。

4　结　论

　　针对低速重复推进条件下电枢和导轨之间的滑动电接触问题,本文做了一系列试验研究,研究结果表明:在重复试验中,导轨表面覆盖的富含铝的堆积物薄层有利于电枢和导轨之间的滑动电接触;随着重复次数的增加,电枢和导轨的接触状态趋于良好,电枢的启动时间提前,初速增大;在重复试验中薄层会出现再熔现象,减小摩擦系数,为电枢滑动起到润滑作用;在电枢或导轨表面镀一层低熔点金属可能会对电磁推进试验有利。参考文献:

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Experimentalstudyofslidingelectricalcontactsinamulti2shotrailgun

LiuChuanpu1,2,　YuanWeiqun1,　YanPing1,　SunYaohong1,　SunLianhua1,2

(1.InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;

2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

　　Abstract:　Thestudyofslidingelectricalcontactsbetweentherailsandthearmatureisofgreatimportanceforamulti2shot

railgun.A10mmsquare2borerailgunhasbeendevelopedfortheexperimentalstudy,withapulsed2powersupplyofa0.2MJca2pacitorbank.Inthemulti2shotexperiment,anumberofaluminumarmaturesarelaunchedunderthesameconditionwiththede2positcoveringthecopperrailsnotpolished.Theresultindicatesthatthestateofthearmature2railinterfaceinamulti2shotrailguntendstobemuchbetterandthereislessarcerosionthaninasingle2shotone.Thearmatureinthelattershotstartstomoveearli2erthanintheformer,andthemuzzlevelocityincreaseswiththenumberofshots.Itisconcludedthatthelayerofdepositgenera2tedfromtheformershots,richinaluminumelement,maygetremeltedtodecreasethefrictioncoefficientduringtheslidingprocessandplayanactiveroletoacceleratethearmatureinamulti2shotrailgun.

　　Keywords:　railgun;　slidingelectricalcontacts;　multi2shot;　deposit;　armature