金合金导电环刷丝结构与转速对配对副材料摩擦性能的影响*

张 瑞，谢友金，赵志明*，何朝都

（1.陕西科技大学，陕西 西安 710021；2.中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119）

导电环是两个相对旋转设备之间用来传递电流、信号的关键零部件，主要是依靠电刷架和滑环组成的配对副之间进行滑动接触，进而在两个旋转体之间传递电流和信号[1-2]，是整个设备中最容易失效的单体零部件之一。而导电环的失效有可能导致设备性能的下降，严重时还可能会导致整个设备的瘫痪，造成严重的后果，所以对导电环的失效机理进行分析是非常有必要的。导电环的失效主要是由于配对副间的相对滑动引起的摩擦磨损行为，从而引起摩擦系数和接触电阻的波动，是电流和信号在传输过程中产生波动，严重时会导致电流和信号的传递出现中断[3-4]。

国外在摩擦磨损方面的研究比国内开始的要早很多，从上世纪20 年代开始，国外就对不同材料的摩擦磨损特性进行大量研究，到目前为止已经积累了比较完善的知识成果。国内在这方面相对于国外虽然起步晚，但经过了20 多年的不断努力，如今已经取得了丰富的成果，极大地缩短了与国外的差距。目前国内外对导电环配对副材料的摩擦磨损特性研究最多的是法向载荷和载流等一些对导电滑环摩擦磨损特性影响最大的因素，但是对刷架结构、粗糙度、滑环表面硬度等对导电环配对副材料的摩擦磨损性能的影响等方面研究很少[5-9]。

国内外的研究学者通过长期的研究发现，金的化学稳定性、导电性和导热性都很好，所以国内外学者常用金基合金作为低载荷、小载流条件下的精密导电滑环的接触材料，本文选用金铜铂银合金作为电刷材料，环道材料选择金银铜合金。本实验对三种不同电刷结构的配对副在三种转速下进行对比实验，得到不同电刷结构配对副在滑动过程中的摩擦系数和接触电阻的变化特性，对后面的研究学者在研究导电环的摩擦特性上起到很好的借鉴作用。

1 试样制备与试验方法

本实验研究的导电环为柱式导电环，柱式导电环主要由滑环、电刷架、固定支撑架等设备组成，为此制备了三种刷丝结构，其单根刷丝直径0.5mm，长40mm，本实验的刷丝结构为单丝、双丝和丝束（7 根丝）三种刷丝结构，双丝和丝束通过直径1.21mm 的铜管固定，其滑环内径73mm，外径77mm，高2.2mm，配对副材料与刷丝结构如表1 所示。同时选择5rpm、30rpm、100rpm 三种转速，法向压力为10g，在常温常压下测量20min。实验仪器选择RTEC 摩擦磨损实验机，摩擦系数可以由RTEC 摩擦磨损试验机测得，配对副间的接触电阻通过电阻测量仪直接测量，电阻测试仪测得的电阻是接触电阻、刷丝电阻和导电滑环电阻之和，刷丝和导电滑环电阻很小，相对于接触电阻可以忽略不计，所以测得电阻可以直接视为接触电阻。

表1 配对副材料与结构

2 试验结果与讨论

2.1 刷架结构和转速对摩擦系数的影响

摩擦系数是配对副作相对滑动时的摩擦力和刷架所受到的法向载荷的比值，如果摩擦系数过大，就会导致配对副在相对滑动过程中产生较大的摩擦力矩[10]。

利用MATLAB 对摩擦系数进行滤波处理，结果如图1 所示，从图1 的三幅图可以看出，当转速为5rpm 时，摩擦系数随时间表现为快速增大；当转速为30rpm 时，摩擦系数随时间变化幅度较小，呈现相对稳定的状态；当转速达到100rpm 时，摩擦系数随时间呈现出快速下降的现象；初始摩擦系数随着转速的增大而增大，结束时摩擦系数随转速的减小而减小。刷架结构为单丝结构的配对副，在不同转速下的摩擦系数都呈现出较小的数值，且随滑动的不断进行，摩擦系数呈现较为稳定的状态。双丝结构的摩擦系数大于单丝结构的配对副，小于丝束结构的配对副。由图1 得出，随着刷丝个数的增加，刷丝与滑环的接触面积增大，摩擦系数随之增大。

图1 三种刷架结构在三种转速下的摩擦系数

配对副的接触面实际上是配对副的两个粗糙表面的接触，真实接触状态是双方表面上一些凸峰相互接触来实现的，凸峰外的部分没有产生实际接触，因此两个表面真实接触面积实际上远小于名义上的接触面积。本实验中刷丝结构从单丝到双丝再到丝束形式，配对副间的真实接触面积不断增大，所以初始摩擦系数也随着真实接触面积的增大而增大。当转速低时，配对副的表面随着滑动的进行，凸峰的直径逐渐变大，真实接触面积随着滑动的进行不断变大，所以摩擦系数呈现快速变大的现象。当转速达到100rpm 时，随时间的进行，配对副间接触点的温度升高，滑环表面出现“梨沟现象”，导致真实接触面积减小，即摩擦系数呈现快速下降的现象。

2.2 刷丝结构和转速对接触电阻的影响

当电流通过配对副的接触材料时，会产生额外的附加电阻，这个电阻就是接触电阻，接触电阻过大将会导致配对副的表面产生高温，破坏电流传输稳定性，应该保持接触电阻的阻值和波动值都比较小，减小接触电阻对电流信号传输影响；如果接触电阻波动值过大，严重时可能会导致信号传输出现瞬断的现象，瞬断是指滑环在传输电信号的过程中出现信号丢失的现象，这是在传输过程中必须避免的现象[11-12]。

实验结果利用MATLAB 进行滤波处理，由图2 得出，刷架结构为单丝的配对副，在不同转速情况下，接触电阻都远大于其他结构的配对副；随着转速的增大，单丝和双丝结构配对副的接触电阻有明显的波动，而丝束结构配对副的接触电阻随转速的增大，没有明显的波动，由此可见丝束结构配对副的接触电阻在稳定性上比单丝和双丝结构都要好。

图2 三种刷架结构在三种转速下的接触电阻

因为配对副间的接触实际上是两接触表面间粗糙峰的接触，同时在实际接触的过程中，有一些接触点因为氧化或者杂质等原因，导致无法传递电流，这类接触点称为“导电斑点”，所以实际接触面积远远小于理论接触面积。刷架结构为单丝的配对副，接触面积与双丝和丝束结构的配对副相比，配对副间的接触面积较小，所以单丝结构配对副的接触电阻最大，双丝和丝束结构的配对副的接触电阻相对较小。由图2 可知，随着刷丝个数的增加，刷架与环道的接触面积增大，所以接触点增大，从而接触电阻减小。

3 结论

（1）丝束结构配对副的摩擦系数最大，且随着转速的增大，摩擦系数的斜率逐渐减小。

（2）双丝结构配对副的摩擦系数在两者之间，接触电阻与丝束较为接近。

（3）刷丝结构随着刷丝个数的增加，刷丝与环道的接触面积越大，摩擦系数越大，接触电阻越小；反之，刷丝与环道的接触面积越小，摩擦系数越小，接触电阻越大。