碳纳米管束/石墨超润滑电刷摩擦磨损研究

电刷在接触电动机构中无处不在，有刷电机摩擦磨损严重，寿命短，但有刷电机在重载、高电流密度、腐蚀环境、高温等特殊环境下依然有着不可替代的优势。另一方面，随着中国高速铁路的快速发展，速度的提高对高铁受电弓滑块材料的性能要求越来越高，传统的滑板材料容易因摩擦磨损而损坏，远不能满足需求。在接触的电极上分别生长或转移石墨和碳纳米管束，利用碳纳米管束与石墨的超润滑性质可制成一种全新的、性能优越的超润滑电刷。目前还未见碳纳米管束/石墨超润滑电刷的相关研究，摩擦力与滑移速度的依赖关系不清楚，超润滑电刷界面的导电性与滑移速度和正压力的关系，环境对碳纳米管电刷的影响，至今只有极少的报道。本项目拟开展对这个方面系统、深入的实验和理论研究，目标是发现碳纳米管束/石墨电刷的独特新现象、揭示有关机理、初步建立起一套碳纳米管束/石墨电刷的理论体系，为碳纳米管电刷的实际应用提供指导作用。 2100433B

石墨电刷常用的有三种，即天然石墨电刷（简称石墨电刷）、电化石墨电刷和金属石墨电刷。

国产常用的石墨电刷牌号和主要性能如图1所示。

从图1中可以看到，天然石墨电刷和电化石墨电刷电阻系数和电刷压降较大，比较耐磨，允许使用的线速度较高（可达50～70米/秒）。金属石墨电刷电阻系数和电刷压降较小，耐磨性能较差，允许使用的线速度较低，约15～35米/秒。

这些电刷都有系列生产，其尺寸和公差都有标准。

标准尺寸按 t（厚）× a（宽）× r（高）顺序书写，如图2所示。

电刷牌号的确定碰根据电机种类、容量、电压、转速和环境条件，以及图1所示比的表格所列的各项性能进行选择。

电刷的材料大多由石墨制成，为了增加导电性，还有用含铜石墨制成，石墨有良好的导电性，质地软而且耐磨。电刷不仅存在于直流电机，也在交流电机有采用。直流电机中是用来和换向器配合来实现机械换向的，即保证输入到直流电动机或直流发电机输出的电为直流电。交流电机中主要是电刷、滑环间传递电流。随着电力电子技术的发展，利用电子器件换向的无刷直流机也开始广为出现，并发展成熟。

石墨电刷是纯用片状天然石墨制成。无定型石墨杂质太多，除黑铅一种外，很少采用。品形石墨磨损性太高，不合制刷之用。

片状石墨以锡兰产的为最佳，比重为1.8.线膨胀系数不高。导热及导电性能高于无定型碳，为制造电刷的优良原料。

纯粹石墨电刷的制造方法与碳-石墨电刷相同，是经过高温烧结而成，制成的电刷，有各级不同的密度，密度越高，体质越硬，而额定电流密度也越高但是密度较低的石墨电刷在整流子运行时比较稳定，接触也紧密，不致跳动。

石墨电刷的一般特性为能够忍受电流冲击及机械性震动。质地较软而有韧性。寿命比较碳制电刷为长。运转平稳无声，不致跳动。由于具有天然的润滑性能，摩擦系数不高，用在转速较高的电机上，优于碳及碳-石墨电刷。惟对于整流子或滑环的磨损性，虽然比较碳-石墨电刷为优，但是仍旧较差于电化石墨电刷，额定电流密度为11至13安/平方厘米。

黑铅亦是制造电刷材料之一。在实际上，黑铅是无定型石墨的一种，惟两种材料的性能并不完全相同。英国产黑铅颇丰。故被用作制刷材料。经提炼后，甚为干燥，杂质亦少。煤粉砂砾，清除净尽。含有石墨在60%以上。在制作过程中不用高温以保存其润滑性能，导电及导热性能颇高。制成电刷，用在高转速电机上，由于润滑性能优异，无摩擦杂声，又无火花。惟受热后，膨胀性比较碳制电刷为大，故刷握与电刷间的空隙，应留的稍微大些。额定电流密度约为7至8安/平方厘米。

石墨电刷装置按电刷在换向器或集电环上的安装方向分为：径向式、后倾式和前倾式三种，如图3中（a）、（b）、（c）所示。

径向式电刷对单向和双向旋转的电机都适用。对要求能两个方向旋转的电机，则必须采用径向安装结构。单方向旋转的电机采用径向电刷时，还可以采用上端面倾斜式。

电刷对刷盒前壁有一个适当的靠紧分力，可以提高电刷工作的稳定性。

对只允许一个方向旋转的电机，如电源电机、电机扩大机及部分转速较高的直流电动机等，常采用后倾式结构， 如图3中（b）所示。后倾角度

前倾式电刷在工作中被紧压在刷盒侧壁上，减振效果好，电刷工作稳定性好，有利于减小火花。因压力

在较大功率的同步发电机集电环上，前倾与后倾式电刷可成对使用，形成爪式刷握结构。

这种结构在直流力矩电机中也被采用，只是其弹簧一般采用金属片。这种结构也适用于要求两个方向旋转的情况。

在常用的径向式结构中，弹簧加压方式也有不同。如图4所示，（a）为蜗线弹簧，（b）为螺旋弹簧，（c）为拉簧。这三种弹簧加压方式都是使弹簧压力直接作用在电刷上。（d）为杠杆压板式，其结构特点是弹簧压力不直接压到电刷上。

直接加压的电刷装置中，随着电刷的磨损，弹簧压力将随之减小。而间接作用的电刷装置中（如图4中（d）所示），弹簧压力在电刷上的分量可基本保持不变，因为弹簧拉力

式中

电刷磨损后，

如图5所示为蜗线弹簧电刷装置结构。（a）为径向式，（b）为后倾式。用两个专用的螺栓，由专用工具定位，把刷盒固定在塑料压制的电刷架上。蜗线弹簧可以用铍青铜或弹簧钢片制成。刷盒可用黄铜、也可用铝合金精密铸造。

盒式螺旋弹簧电刷装置结构如图6所示，（a）为径向式，（b）为倾斜式。径向式结构也可用在端面换向器上，这时他成为轴向式。

这种电刷装置结构多用于小功率直流电机，其特点是结构紧凑，它一般由铜刷盒1和拧在刷盒上的刷盖8组成。弹簧2通过刷盖8给电刷加压，刷盒材料多为黄铜。端盖与刷盒之间为塑压的绝缘衬套7。电刷引线焊在铜刷盒一端。

拉簧式电刷装置用于小机座号直流电机。特点是结构比较简单，便于安装刷盒。刷盒可用黄铜或紫铜板冲压而成，弹簧用不锈钢丝或琴弦钢丝卷制。