碳納米管束/石墨超潤(rùn)滑電刷摩擦磨損研究

電刷在接觸電動(dòng)機(jī)構(gòu)中無(wú)處不在，有刷電機(jī)摩擦磨損嚴(yán)重，壽命短，但有刷電機(jī)在重載、高電流密度、腐蝕環(huán)境、高溫等特殊環(huán)境下依然有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。另一方面，隨著中國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，速度的提高對(duì)高鐵受電弓滑塊材料的性能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的滑板材料容易因摩擦磨損而損壞，遠(yuǎn)不能滿足需求。在接觸的電極上分別生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)移石墨和碳納米管束，利用碳納米管束與石墨的超潤(rùn)滑性質(zhì)可制成一種全新的、性能優(yōu)越的超潤(rùn)滑電刷。目前還未見(jiàn)碳納米管束/石墨超潤(rùn)滑電刷的相關(guān)研究，摩擦力與滑移速度的依賴關(guān)系不清楚，超潤(rùn)滑電刷界面的導(dǎo)電性與滑移速度和正壓力的關(guān)系，環(huán)境對(duì)碳納米管電刷的影響，至今只有極少的報(bào)道。本項(xiàng)目擬開(kāi)展對(duì)這個(gè)方面系統(tǒng)、深入的實(shí)驗(yàn)和理論研究，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)碳納米管束/石墨電刷的獨(dú)特新現(xiàn)象、揭示有關(guān)機(jī)理、初步建立起一套碳納米管束/石墨電刷的理論體系，為碳納米管電刷的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)作用。 2100433B

石墨電刷常用的有三種，即天然石墨電刷（簡(jiǎn)稱石墨電刷）、電化石墨電刷和金屬石墨電刷。

國(guó)產(chǎn)常用的石墨電刷牌號(hào)和主要性能如圖1所示。

從圖1中可以看到，天然石墨電刷和電化石墨電刷電阻系數(shù)和電刷壓降較大，比較耐磨，允許使用的線速度較高（可達(dá)50～70米/秒）。金屬石墨電刷電阻系數(shù)和電刷壓降較小，耐磨性能較差，允許使用的線速度較低，約15～35米/秒。

這些電刷都有系列生產(chǎn)，其尺寸和公差都有標(biāo)準(zhǔn)。

標(biāo)準(zhǔn)尺寸按 t（厚）× a（寬）× r（高）順序書寫，如圖2所示。

電刷牌號(hào)的確定碰根據(jù)電機(jī)種類、容量、電壓、轉(zhuǎn)速和環(huán)境條件，以及圖1所示比的表格所列的各項(xiàng)性能進(jìn)行選擇。

電刷的材料大多由石墨制成，為了增加導(dǎo)電性，還有用含銅石墨制成，石墨有良好的導(dǎo)電性，質(zhì)地軟而且耐磨。電刷不僅存在于直流電機(jī)，也在交流電機(jī)有采用。直流電機(jī)中是用來(lái)和換向器配合來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械換向的，即保證輸入到直流電動(dòng)機(jī)或直流發(fā)電機(jī)輸出的電為直流電。交流電機(jī)中主要是電刷、滑環(huán)間傳遞電流。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，利用電子器件換向的無(wú)刷直流機(jī)也開(kāi)始廣為出現(xiàn)，并發(fā)展成熟。

石墨電刷是純用片狀天然石墨制成。無(wú)定型石墨雜質(zhì)太多，除黑鉛一種外，很少采用。品形石墨磨損性太高，不合制刷之用。

片狀石墨以錫蘭產(chǎn)的為最佳，比重為1.8.線膨脹系數(shù)不高。導(dǎo)熱及導(dǎo)電性能高于無(wú)定型碳，為制造電刷的優(yōu)良原料。

純粹石墨電刷的制造方法與碳-石墨電刷相同，是經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成，制成的電刷，有各級(jí)不同的密度，密度越高，體質(zhì)越硬，而額定電流密度也越高但是密度較低的石墨電刷在整流子運(yùn)行時(shí)比較穩(wěn)定，接觸也緊密，不致跳動(dòng)。

石墨電刷的一般特性為能夠忍受電流沖擊及機(jī)械性震動(dòng)。質(zhì)地較軟而有韌性。壽命比較碳制電刷為長(zhǎng)。運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無(wú)聲，不致跳動(dòng)。由于具有天然的潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)不高，用在轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)上，優(yōu)于碳及碳-石墨電刷。惟對(duì)于整流子或滑環(huán)的磨損性，雖然比較碳-石墨電刷為優(yōu)，但是仍舊較差于電化石墨電刷，額定電流密度為11至13安/平方厘米。

黑鉛亦是制造電刷材料之一。在實(shí)際上，黑鉛是無(wú)定型石墨的一種，惟兩種材料的性能并不完全相同。英國(guó)產(chǎn)黑鉛頗豐。故被用作制刷材料。經(jīng)提煉后，甚為干燥，雜質(zhì)亦少。煤粉砂礫，清除凈盡。含有石墨在60%以上。在制作過(guò)程中不用高溫以保存其潤(rùn)滑性能，導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能頗高。制成電刷，用在高轉(zhuǎn)速電機(jī)上，由于潤(rùn)滑性能優(yōu)異，無(wú)摩擦雜聲，又無(wú)火花。惟受熱后，膨脹性比較碳制電刷為大，故刷握與電刷間的空隙，應(yīng)留的稍微大些。額定電流密度約為7至8安/平方厘米。

石墨電刷裝置按電刷在換向器或集電環(huán)上的安裝方向分為：徑向式、后傾式和前傾式三種，如圖3中（a）、（b）、（c）所示。

徑向式電刷對(duì)單向和雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)都適用。對(duì)要求能兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，則必須采用徑向安裝結(jié)構(gòu)。單方向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)采用徑向電刷時(shí)，還可以采用上端面傾斜式。

電刷對(duì)刷盒前壁有一個(gè)適當(dāng)?shù)目烤o分力，可以提高電刷工作的穩(wěn)定性。

對(duì)只允許一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，如電源電機(jī)、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)及部分轉(zhuǎn)速較高的直流電動(dòng)機(jī)等，常采用后傾式結(jié)構(gòu)， 如圖3中（b）所示。后傾角度

前傾式電刷在工作中被緊壓在刷盒側(cè)壁上，減振效果好，電刷工作穩(wěn)定性好，有利于減小火花。因壓力

在較大功率的同步發(fā)電機(jī)集電環(huán)上，前傾與后傾式電刷可成對(duì)使用，形成爪式刷握結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)在直流力矩電機(jī)中也被采用，只是其彈簧一般采用金屬片。這種結(jié)構(gòu)也適用于要求兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的情況。

在常用的徑向式結(jié)構(gòu)中，彈簧加壓方式也有不同。如圖4所示，（a）為蝸線彈簧，（b）為螺旋彈簧，（c）為拉簧。這三種彈簧加壓方式都是使彈簧壓力直接作用在電刷上。（d）為杠桿壓板式，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是彈簧壓力不直接壓到電刷上。

直接加壓的電刷裝置中，隨著電刷的磨損，彈簧壓力將隨之減小。而間接作用的電刷裝置中（如圖4中（d）所示），彈簧壓力在電刷上的分量可基本保持不變，因?yàn)閺椈衫?section class="formula-container formula-container__inline"> 與加征電刷上的壓力

式中

電刷磨損后，

如圖5所示為蝸線彈簧電刷裝置結(jié)構(gòu)。（a）為徑向式，（b）為后傾式。用兩個(gè)專用的螺栓，由專用工具定位，把刷盒固定在塑料壓制的電刷架上。蝸線彈簧可以用鈹青銅或彈簧鋼片制成。刷盒可用黃銅、也可用鋁合金精密鑄造。

盒式螺旋彈簧電刷裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示，（a）為徑向式，（b）為傾斜式。徑向式結(jié)構(gòu)也可用在端面換向器上，這時(shí)他成為軸向式。

這種電刷裝置結(jié)構(gòu)多用于小功率直流電機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，它一般由銅刷盒1和擰在刷盒上的刷蓋8組成。彈簧2通過(guò)刷蓋8給電刷加壓，刷盒材料多為黃銅。端蓋與刷盒之間為塑壓的絕緣襯套7。電刷引線焊在銅刷盒一端。

拉簧式電刷裝置用于小機(jī)座號(hào)直流電機(jī)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，便于安裝刷盒。刷盒可用黃銅或紫銅板沖壓而成，彈簧用不銹鋼絲或琴弦鋼絲卷制。