摘要：大电流高速滑动电接触环境下，多次发射后轨道表面出现铝沉积现象。电枢与铝沉积层在界面热源作用下发生熔化磨损会改变接触状态，严重影响滑动电接触性能。界面热源在电枢和沉积层轨道间的热分配特性是研究界面材料熔化磨损的基础。 考虑实际发射过程界面热源和速度动态变化特性，

阅读提示：本文约 2400 字

研究背景

大电流高速滑动电接触环境下，多次发射后轨道表面出现铝沉积现象。电枢与铝沉积 层在界面热源作用下发生熔化磨损会改变接触状态，严重影响滑动电接触性能。界面热源在电枢和沉积层轨道间的热分配特性是研究界面材料熔化磨损的基础，因此有必要对滑动电接触界面热量分配过程进行研究。目前热分配过程尚未有文献公开研究。

论文所解决的问题及意义

实际电磁发射过程中电枢运动速度、界面焦耳热和摩擦热均随时间动态变化，此情况下热分配方程存在多重积分及奇异函数，无法获得解析解。最小二乘估计法因最优解唯一、求解方便及具有较好的解析性质，广泛应用在非线性方程求解过程，尤其是热传导方程的非线性问题。通过将最小二乘估计法应用于热分配方程的求解过程，获得了实际发射过程中接触 热源在界面上的动态热分配特性。

研究团队建立的计算模型和分析结果可为界面熔化机理的研究提供基础支撑，进一步为界面结构设计、热管理设计及沉积层控制技术提供理论指导，对提高重复发射滑动电接触性能具有重要意义。

论文方法及创新点

1、材料热参数影响热分配系数随时间变化曲线的初始值，不改变热分配系数随时间变化的衰减速率。

图1 不同材料下的热分配系数变化曲线

基于最小二乘估计法计算不同材料参数情况下热分配系数随时间变化曲线如图1所示。吸热比例系数越大，热分配系数初始值越小，随着时间的推进，热分配系数值逐渐衰减，但是不同材料下其衰减速率不变。

2、速度影响热分配系数随时间变化衰减的速率，速度越大热分配系数随时间衰减越快

图2 三种速度曲线

图3 不同运动状态下电枢热分配曲线

假设三种运动形式在 0.5ms 时的速度均达到 300m/s， 三种速度曲线如图2所示，对应的热分配变化曲线如图3所示。可以发现，速度变化曲线决定热分配系数变化曲线的走势，速度越大热分配系数越小，加速度越大热分配系数下降得越快。但是相同时间下，电枢速度相等时，热分配系数也近似相等。

3、在整个发射过程中，随着速度的不断增加， 热分配系数逐渐减小，当速度达到很高时，热分配系数趋于稳定值，界面大部分热量最终都传入轨道。

图4 界面热传导物理过程

随着时间的推进，电枢体积温度和表面温度均逐渐升高，电枢表面发生熔化。假设熔化后材料立即被轨道带走，电枢表面仍然与轨道表面直接接触，接触界面温度保持熔化温度不变，当dy处的体积温度逐渐升高，电枢表面温度梯度逐渐减小，最终热量几乎全部进入轨道，仅有少量热量传导进入电枢用于电枢材料温升熔化。

结论

本文基于最小二乘估计法建立了枢轨界面热分配计算模型，研究了速度、材料热参数对热分配系数的影响规律，并通过理论分析进一步揭示了界面热分配过程物理机制。得到结论如下：

1、热分配系数值与发射速度、接触材料热参数、 接触长度、发射时间有关。材料热参数影响热分配系数随时间变化曲线的初始值，不改变热分配系数 随时间变化的衰减速率。

2、速度影响热分配系数随时间变化衰减的速率，速度越大热分配系数随时间衰减越快。相同时刻和速度条件下，热分配系数值相等。

3、在整个发射过程中，随着速度的不断增加，热分配系数逐渐减小，当速度达到很高时，热分配系数趋于稳定值，界面大部分热量最终都传入轨道。

团队介绍

南京邮电大学电气工程研究中心一直从事电磁轨道发射技术中的界面接触机理方面的研究，研究内容涉及电枢表面熔蚀机理、液化层电接触机理、磁流体动力学模型建模、界面电磁、热、力学特性研究分析。参与国家重大课题，国家重点基金、国家自然科学基金项目多项。团队在研究过程发表多篇SCI期刊论文，研究内容包括电枢表面电流熔化波理论、磁流体动力学模型、液化层动态润滑特性、稳定性分析等。近年来，该团队完成了多个国家，省和电网企业的研究项目。

姚金明

博士，硕士生导师，研究方向为电磁发射技术、智能配电网运行与控制技术等。发表SCI/EI论文10余篇，参与国家重点基金及国家基金多项，主持国家级基金1项。

傅 强

高级工程师，硕士学位。长期从事智能配电网及分布式电源、交直流配电网、乡村电气化、电磁发射混合储能技术等领域的科技攻关，获得国家级/省部级7项资助。发表论文10余篇，编写企业及团体标准6个，授权发明专利8项，获得省部级科技进步奖7项。

本工作成果发表在2024年第17期《电工技术学报》，论文标题为“大电流高速滑动电接触界面热量分配过程“。本课题得到国家自然科学基金和高校科研启动资金项目的支持。

引用本文

姚金明, 傅强. 大电流高速滑动电接触界面热量分配过程[J]. 电工技术学报, 2024, 39(17): 5497-5507. Yao Jinming, Fu Qiang. Heat Partition Process at Sliding Electrical Contact Interfaces with High-Speed and Large Current. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(17): 5497-5507.

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来源：小何说科技