触头温度升高,发生熔化甚至气化,触头表面材料以蒸气形式进入到电弧中;高速粒子在轰击触头表面过程中产生力的作用,使触头材料以液滴形式发生喷溅,导致部分材料丢失到周围环境中。电弧燃烧过程所伴随的熔化、蒸发和喷溅等现象使得触头材料发生侵蚀和转移,触头表面将形成凹坑和突起,触头材料组分和组织结构发生改变,进而导致触头接触电阻升高、质量减小、熔焊力变大2023。因此,电接触材料的侵蚀行为一直是电接触研究领域中的基本问题,并且直接决定了电触头的使用寿命。由于电接触材料在使用中需要经历闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程,故材料的侵蚀是多过程、多变量和多物理场耦合的结果。如果要深入研究这些过程中电接触材料的具体行为,必须采用一定的研究方法和手段24。目前国内外研究主要采用
f实验和数值模拟相结合的思路:首先在实验数据的基础上,建立一定的数学模型;其次采用数值分析方法主要是有限元方法进行求解和计算;最后,通过计算结果和实验结果的比较并完善数学模型,从而了解电接触材料的侵蚀机理、电接触过程和控制因素。
1电弧侵蚀行为实验分析研究针对电接触材料在直流电弧作用下发生质量变化,成分变化和表面形貌变化,相应的实验研究方法分别为:称重法,表面成分分析和表面形貌分析2527。称重法利用质量测量设备,得到燃弧前后阴极和阳极触头质量变化。因单次燃弧导致的触头质量变化太小,难以准确测量,因此通常进行上万次燃弧实验。每隔一定次数后,测量触头质量,分析烧蚀量随燃弧次数燃弧时间的变化,确定单次燃弧导致的触头平均侵蚀量。触头表面成分分析通常利用能谱分析仪EDS对烧蚀后触头表面微区成分元素种类和含量进行分析,得到触头表面不同区域内材料成分在燃弧前后的变化。触头表面形貌分析方法是利用扫描电镜SEM对烧蚀区域进行显微组织观测,定性描述烧蚀区域的形貌特征,并对烧蚀轨迹直径、电弧斑点个数及尺寸、喷溅颗粒尺寸等进行定量分析。由于侵蚀机理的复杂性和侵蚀特性的多样性,研究者通常也采用多种实验方法如高速摄像法、探针法、激光成像法等从不同角度描述侵蚀特性,建立侵蚀模型,分析侵蚀机理。2电弧侵蚀行为有限元模拟研究在电接触材料侵蚀行为的模拟研究方面,YukioNakaqawa28采用数值计算的方法建立了电触头电弧侵蚀热传播过程的一维模型,首次建立了电触头材料的物理参数与电接触行为的定量关系。随后,Khari
29考虑了表面张力、重力、电r