（机械设计及理论专业论文）高速列车电机用电磁线芯拉拔成形的研究.pdf

原创性声明 y171 un l r8rl r i l i5lll lillt i i | 。 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丕重 日期：2 吐生年旦月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：二臣耍l 导师签名衅日期：业年单月阜日 摘要 随着我国铁路的蓬勃发展，高速列车牵引电机日益受到重视，为 此对牵引电机关键材料电磁线的性能提出了更高的要求。此种电 磁线需在高质量的铜线芯表面绕包k a p t o n 薄膜或f c r 薄膜胶带再经 高温烧结而成，具备优异的导热、耐热、机械和电气性能。与国外电 磁线同类产品相比，国产电磁线的线芯在表面质量、尺寸精度和柔软 度方面存在较大的差距，无法满足高速列车电机用电磁线线芯的使用 要求。为解决线芯的表面质量问题，本文从电磁线线芯的拉拔数学方 程、拉拔成形有限元数值模拟和拉拔试验三个方面开展了研究工作， 主要内容如下： 1 阐述了有限元模拟在塑性成形中应用状况，刚塑性有限元法 的基本原理、基本力学方程以及求解方法；建立了电磁线线芯拉拔的 刚塑性有限元模型，确立了模型适合的边界条件；结合应力平衡微分 方程与塑性条件，推导了电磁线线芯拉拔的数学公式。 2 应用有限元仿真软件d e f o r m 3 d 对电磁线线芯拉拔变形过 程进行数值模拟，结果表明：电磁线线芯拉拔成形过程中存在等效应 力、等效应变和温度等不均匀分布现象，尤其以线芯截面边缘中部和 圆角位置的应力应变最为集中、温度最高；摩擦对拉拔过程中温度、 拉拔力和金属流变存在明显的影响，在相同的工况条件下，降低摩擦， 电磁线线芯变形界面温度下降且分布均匀，促使电磁线线芯的均匀流 变，降低拉拔力；拉拔工艺参数对金属流变、应力也存在明显的影响， 拉拔速度在1 0 0 0 m m s 以下和模角在8 1 0 。时，有利于降低应力集 中、促进金属均匀流变和提高线芯表面质量。 3 研制了一套与万能拉伸试验机相配合的拉拔夹具，进行了不 同润滑剂的电磁线线芯拉拔实验，结果表明：单一的增大润滑剂基础 油的粘度，对于降低摩擦磨损、减小拉拔力和提高表面质量等作用有 限；在润滑剂中添加适宜的油性剂和极压剂，能明显减小电磁线拉拔 变形过程中摩擦，降低线芯表面磨损及铜粉产生，且显著提高了线芯 的表面质量。 4 进行了性能优良全油润滑剂和现有水基润滑剂的对比拉拔试 验，结果表明拉拔过程中采用优良的全油润滑剂比采用水基润滑剂时 的拉拔力下降9 0 0 n ，线芯的表面粗糙度r 由1 3 0 9 m 降至1 1 0 t m ， 微观形貌更加平滑细腻，线芯的表面质量明显提高，且明显优于电磁 线线芯工业产品( r o = i 4 7 1 a m ) 。因此采用高性能全油润滑剂是解决 高速列车电机用电磁线线芯表面质量难题的一条有效途径。 关键词：电磁线，拉拔，有限元模拟，线芯，摩擦 h a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l r o a di no u rc o u n t r y ，p e o p l ep a ym o r e a t t e n t i o nt ot h et r a c t i o nm o t o ro ft h eh i g hs p e e dt r a i n ，t h ef u n c t i o no ft h e e l e c t r o m a g n e t i cw i r e ，w h i c h i st h ek e ym a t e r i a lf o ri tt h e nh a sb e e nh i g h l y r e q u i r e d t h i sk i n do fe l e c t r o m a g n e t i cw i r ei sm a d eo fh i g hg r a d ec o p p e r c o r eh e a t e da th i g ht e m p e r a t u r e ，w i t ht h ek a p t o nf i l mo rt h ef c rf i l mi n t h es u r f a c e ，s oi th a se x c e l l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tr e s i s t a n c e ， m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n de l e c t r i cp r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t h t h e o v e r s e a se l e c t r o m a g n e t i cw i r e ，d o m e s t i ce l e c t r o m a g n e t i cw i r ei su n a b l e t om e e tr e q u i r e m e n t sb e c a u s eo ft h ec o p p e rc o r ei nt h em o t o ro ft h eh i g h s p e e dt r a i n ，d i f f e r e n c e se x i s ti nt h ea s p e c t so ft h eq u a l i t yo ft h es u r f a c e ， d i m e n s i o np r e c i s i o na n df l e x i b i l i t y i no r d e rt o i m p r o v et h es u r f a c e q u a l i t yo fc o p p e rc o r e ，t h r e ea s p e c t sr e s e a r c h e sa b o u td r a w i n ge q u a t i o n s ， f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd r a w i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n ei nt h i sp a p e r t h et e x tw i l ld e s c r i b ei tf r o mt h r e ea s p e c t s ： 1 t h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni nt h e p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，b a s i cp r i n c i p l e s ，b a s i ce q u a t i o n sa n ds o l u t i o nm e t h o d o fr i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw e r ed i s c r i b e d ；t h er i g i dp l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o p p e rc o r ew a se s t a b l i s h e d ，t oc h o s ef e a s i b l e b o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h em o d e l ；a n dd e r i v et h em a t h e m a t i c a lf o m u l a t e o fd r a w i n gc o p p e rc o r eb a s e do ns t r e s se q u i l i b r i u md i f f e r e n t i a le g u a t i o n a n dp l a s t i c i t yc o n d i t i o n 2 t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r e ，d e f o r m 一3 d ，w a sa d o p t e dt os i m u l a t e t h ed r a w i n gf o r m i n gt e s to fc o p p e rc o r e t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h e d i s t r i b u t i o no fe f f e c t i v es t r e s s ，e f f e c t i v es t r a i na n dt e m p e r a t u r ew e r e u n e v e n ，w i t hc h a n g e so ff o u rs i d e sa n dr o u n d e dc o m e ro fc o p p e rc o r e s e c t i o nw e r em o s tr e m a r k a b l e t h ec o n d i t i o n so ff r i c t i o nh a do b v i o u si n f l u e n c eo nt e m p e r a t u r e ，d r a w i n gl o a da n dm e t a l l i cr h e o l o g yd u r i n gt h e d r a w i n gp r o c e s s ，i nt h es a m ec o n d i t i o n s ，l o w e rf r i c t i o nc o u l dc u tt h e t e m p e r a t u r e o n p r o c e s s i n gi n t e r f a c e ，a n d m a d et h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nm o r eu n i f o r m ，r e s u l ti nu n i f o r md e f o r m a t i o no fc o p p e rc o r e a n dl o w e rd r a w i i n gs t r e n g t h p r o c e s sp a r a m e t e r sc o u l da f f e c tt h em e t a l r h e o l o g ya n ds t r e s ss i g n i f i c a n t l yt o o ，w h e nd r a w i n gs p e e dw a su n d e r i i i 10 0 0 m m sa n dd i ea n g l ek e e p s8 10 0 ，t h a tw e r eb e t t e rc o n d i t i o n st o r e d u c es t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，l e a v i n gt h em e t a l l i cr h e o l o g ym o r eu n i f o r m a n ds u r f a c eq u a l i t yi m p r o v e d 3 ad r a w i n gf i x t u r et h a tc o o r d i n a t e dw i t hu n i v e r s a lt e n s i l et e s t e r w a sd e v e l o p e d ，a n dc o p p e rc o r ed r a w i n ge x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n t l u b r i c a n tw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t so fa n a l y s i ss h o wt h a t ：t h ee f f e c t w a sl i m i t e dt or e d u c e da d h e s i v ew e a r ，c u td r a w i n gl o a da n dp r o v e dt h e s u r f a c eq u a l i t yj u s tb yi n c r e a s i n gt h ev i s c o s i t yo fl u b r i c a n t o i l i n e s s a d d i t i v ea n de x t r e m ep r e s s u r ea d d i t i o nw a ss i g n i f i c a n ti nr e d u c i n gt h e f r i c t i o nd u r i n gt h ed r a w i n gp r o c e s s ，c u t i n gt h ew e a ro nt h es u r f a c ea n d p r o d u c t i o no fc o p p e rp o w d e r ，e s p e c i a l l yi m p r o v i n gt h es u r f a c eo fc o p p e r c o r e 4 t h ec o n t r a s td r a w i n ge x p e r i m e r i tb e t w e e nf i n eo i l b a s e dl u b r i c a n t a n dw a t e r - b a s e dl u b r i c a n tw a sd o n et os h o wt h a td r a w i n gf o r c eh a db e e n c u td o w nb y9 0 0 nw h e nf i n e o i l b a s e d1 u b r i c a n tw a su s e di n s t e a do f w a t e r - b a s e dl u b r i c a n t ，rt h er o u g h n e s so fs u r f a c ew a sr e d u c e df r o m1 3 0 t o1 1o p m ，m i c r o - t o p o g r a p h yw s am o r es m o o t h ，a n ds u r f a c eq u a l i t yw a s i m p r o v e dg r e a t l y ，a n dc l e a r l ys u p e r i o rt oe x i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i cw i r e i n d u s t r i a lp r o d u c t s ( r 口= 1 4 7p m ) s u mu pt h ea b o v et h i n g s ，h i g h - q u a l i t y o i l b a s e dl u b r i c a n ti so n eu s e f u l lk e yt ot h eq u e s t i o no fs u r f a c eq u a l i t yo f e l e c t r o m a g n e t i cw i r ec o r ef o rh i g hs p e e dt r a i n s k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cw i r e ，d r a w i n g ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ， c o p p e rc o r e ，f r i c t i o n i v 目录 第一章绪论l 1 1高速列车电机对电磁线性能要求2 1 1 1高速列车电机工作特点及性能要求2 1 1 2 高速列车电机的失效形式2 1 1 - 3 高速列车牵引电机对电磁线及线芯的性能要求3 1 2高速列车电机用电磁线线芯制备工艺4 1 2 1高速列车电机用电磁线线芯的材质4 1 2 2 高速列车电机用电磁线线芯的成形工艺5 1 3高速列车电机用电磁线线芯拉拔成形过程中的摩擦与润滑7 1 3 1电磁线线芯拉拔变形的特点7 l - 3 2 拉拔过程中的摩擦分析7 1 4 高速列车电机用电磁线的最新研究及存在的问题9 1 5 课题背景、来源、意义及研究内容l o 1 5 1 课题背景及来源10 1 5 2 研究的意义1 1 1 5 3 研究内容1 1 第二章高速列车电机用电磁线线芯拉拔仿真数理基础1 2 2 1 有限元数值模拟技术的应用一12 2 1 1 有限元模拟技术在塑性加工过程中的应用1 3 2 1 2 有限元模拟在拉拔过程中的应用1 5 2 2 刚塑性有限元法基本原理1 5 2 2 1 刚塑性材料基本假设一1 6 2 - 2 2 刚塑性体塑性力学基本方程1 6 2 2 3 刚塑性有限元变分原理一1 7 2 3d e f o r m 软件的介绍1 9 2 3 1d e f o r m 软件概况l9 2 3 2d e f o r m 3 d 软件特点1 9 2 3 3d e f o r m 软件的模块结构2 0 2 4电磁线线芯拉拔的数学解析法2 l 2 5 本章小结2 3 第三章高速列车电机用电磁线线芯的有限元模拟2 4 3 1高速列车电机用电磁线线芯拉拔有限元模型的建立2 4 3 1 1 几何模型的确立2 4 3 1 2 材料特性的设定和网格划分2 6 v 3 1 - 3 摩擦边界条件的确定2 7 3 1 4 载荷的施加和位移约束的设定2 8 3 1 5 选择行程步长和步数2 9 3 2高速列车电机用电磁线线芯拉拔仿真结果及分析。2 9 3 2 1电磁线线芯拉拔模拟过程中的金属流变3 0 3 2 2 电磁线线芯拉拔模拟过程等效应力分布3 2 3 2 3电磁线线芯拉拔模拟过程中温度分布3 2 3 2 4 摩擦对电磁线线芯拉拔过程的影响3 3 3 2 5 拉拔速度对电磁线线芯拉拔的影响4 0 3 2 6 模角对电磁线线芯拉拔的影响4 l 3 3电磁线线芯拉拔的有限元模拟与数学解析法比较4 3 3 4 本章小结4 5 第四章高速列车电机用电磁线线芯拉拔试验研究4 6 4 1拉拔润滑剂摩擦学性能试验。4 6 4 1 1 拉拔润滑剂的选取4 6 4 1 2 试验仪器及方法4 7 4 1 3 在四球机上的试验结果及分析4 8 4 2高速列车电机用电磁线线芯拉拔试验。4 9 4 2 1试验设备。4 9 4 2 2 试验材料。4 9 4 2 3 试验方案的设计5 1 4 3 试验结果与分析。5 1 4 3 1 拉拔力分析5 1 4 3 2 表面粘附铜粉量分析5 4 4 3 3 表面粗糙度和微观表面形貌分析5 7 4 3 4 拉拔试样与工业产品的表面质量比较6 6 4 4 有限元模拟与高速列车电机用电磁线线芯拉拔试验的比较6 7 4 4 1电磁线线芯拉拔模拟的设置6 7 4 4 2电磁线线芯拉拔力比较6 8 4 4 3电磁线线芯表面温度比较6 9 4 5 本章小结7 0 第五章全文总结与展望7 1 参考文献7 2 至i 谢7 8 攻读学位期间主要的研究成果7 9 v l 第一章绪论 近年来，我国对铁路建设投资不断加大，巨大的投资逐步改善了铁路基础设 施，实现了我国铁路机车和客、货车的更新换代，并促进铁路运输的大提速。至 2 0 0 6 年末，在全国铁路机车中内燃、电力机车比重达到9 9 3 ，主要干线全部实 现内燃、电力机车牵引。从2 0 0 2 年至今，我国铁路实行六次大提速，开通了z 字头直达列车，增加了多对“朝发夕返和“晚发朝至 的列车。与此同时开发 出一系列适应社会需求的运输新产品，在城市群和重点城市间，开行城际快速客 车；在跨区域的重点城市间，开行了动车组快速客车；增加夕发朝至、一站直达 特快列车数量。根据2 0 0 4 年1 月的中长期铁路网规划【啦】，提出形成以“四 纵四横 快速客运通道和环渤海地区、长江三角洲地区、珠海三角洲地区3 个城 际快速客运系统为骨架、覆盖全国5 0 万以上人口城市的铁路快速客运系统( 其 中2 5 0k m h 以上的线路是高速铁路) 。2 0 0 8 年，中国高速铁路建设步伐加快。 2 0 0 8 年4 月1 8 日，投资规模达2 2 0 0 亿的京沪高速铁路正式宣告开工；2 0 0 8 年 8 月1 日，中国第一条具有完全自主知识产权、世界一流水平、时速为3 5 0k m 的高速铁路京津城际高铁通车运营；2 0 0 9 年1 2 月2 6 日，时速为3 5 0k m 武 广客运专线正式投入运营。预计到2 0 1 2 年，我国将有1 3 万公里客运专线及城 际铁路投入运营，其中时速3 0 0 - - - 3 5 0 公里的有8 0 0 0 公里，时速2 0 0 - - 2 5 0 公里 的有5 0 0 0 公里。按照综合交通网中长期发展规划，到2 0 2 0 年我国高速铁路 总规模为1 8 万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。 我国高速铁路发展，就离不开高速牵引机车技术进步。我国的高速牵引机车 发展较晚。1 9 9 6 年，株洲电力机车厂、株洲电力研究所共同研制出a c 4 0 0 0 交 流传动机车，标志我国电力机车进入交流传动时代。通过自主研发和创新，结合 国外先进技术，我国相继研制出高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组动力 车“蓝箭号”、“先锋号 、“中华之星”和“和谐号等，标志我国高速机 车研究进入高科技领域。在高速牵引机车发展一次一次取得科技进步时，人们对 于高速牵引机车的核心部件高速牵引电机运行安全稳定性提出来更高的要求，其 中高速电机用电磁线又是影响电机运行性能的核心材料之一。 1 1 高速列车电机对电磁线性能要求 1 1 1 高速列车电机工作特点及性能要求 高速机车均采用交流传动系统，牵引电机有异步电机和同步电机两种选择， 目前采用较多的是交流异步电机。牵引电机是高速机车的核心部件之一，它悬挂 在转向架或者车体上【3 4 】，通过齿轮与轮对称相连。 牵引电机的工作条件十分恶劣：负载变化大、冲击和振动严重，恶劣的风沙、 雨雪天气、酸碱性气体影响侵蚀严重。对于交流变频调速异步电机来说，要在 p w m 波调制的、含有大量谐波和尖峰脉冲、非纯正正弦波电源供电下工作。 机车在运行中，牵引电机要在启动、爬坡这样的大电流状态下运行；要在平 直道上高速状态下运行；要在弯道、过道俞这样的冲击和振动状态下运行；还要 能适应沿海多雨潮湿、内地干燥风沙的环境。 牵引电机是实现电能和机械能转换的最核心部件：高速机车在牵引运行状态 时，牵引电机将电能转换成机械能，通过轮对驱动列车运行，但机车在电气制动 状态运行时，牵引电机将机械能转换成电能，产生列车的制动力，此时电动机就 处于发电状态。高速列车要求牵引电机机械强度高、高速运行时能承受很大的轮 轨冲击力；采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统，以适应变频电源供电；电机前 后端采用绝缘轴承，以防止电机轴承的电蚀；转子导条采用电阻率低、温度系数 高的铜合金材料，以保证传动系统的控制精度，电机采用轻质高强度材料，以减 轻电机自重；在一定功率的情况下，为减少体积，采用强迫通风和优化的通风结 构，充分散热，以降低电机的温度，提高材料的利用率。总的来说，就是要求高 速牵引电机的结构简单、体积小、重量轻、功率大，调速平滑、范围大，绝缘性 能好、可充分利用电网传输功率，并减少对通讯线路干扰，控制优良。 1 1 2 高速列车电机的失效形式 高速牵引电机实际的运行中，人们发现其主要故障为【5 1 ：( 1 ) 绝缘故障：包括 电枢绕组绝缘故障、励磁绕组绝缘故障、换向器接地。( 2 ) 励磁回路故障：包括匝 间短路、绕组引出线断裂、接头松动。( 3 ) 电枢回路故障：包括电枢绕组匝间短路、 换向器故障、片间短路、电刷接触不良等。据统计，高速列车牵引电机故障中绕 组故障占6 0 6 1 ，局部放电是导致绕组绝缘损坏的主要原因之一【| 7 1 。这是因为绕 组绝缘环境的恶化，极容易导致绝缘介质发生局部放电，尤其是绝缘层中的各种 缺陷位置更容易发生局部放电或导致空间电荷的积剽引，而其中由绕组引起的大 部分故障又与绕组中的电磁线息息相关。 2 1 1 3 高速列车牵引电机对电磁线及线芯的性能要求 电磁线【9 】又称绕组线，用于绕制电机、变压器等电工设备线圈和绕组，实现 电能和磁能的相互转变。电磁线一般由导电线芯外包一层绝缘层所构成。线芯以 铜线为主，外形有圆线、扁线、带、箔等。 牵引电机安装在机车下部，直接受雨、雪、潮气的影响，牵引机车在运行中 掀起的尘土容易侵入电机内部。此外，由于受季节和负载及温度和湿度的变化， 电机绝缘容易受潮、受污、对其寿命和性能产生极为不良的影响。热是电磁线绝 缘层失效的主要原因，使有机绝缘材料老化加快，绝缘层的绝缘性降低。所以， 牵引电机用电磁线要有良好的绝缘性能、耐热性能。 高速牵引电机要求电磁线有良好的导电性、击穿电压和绝缘电阻等电性能。 电磁线线芯应该采用电阻率低、温度系数高的材料。银虽是一种优良的导电材料， 但因是一种较稀缺的金属所以应用受到很大的限制，所以高速牵引电机的电磁线 线芯材质是无氧铜。 为达到缩小牵引电机体积，就必须提高电磁线的空间利用率，既空间因数越 大越好，于是电磁线外形应为空间系数较大的扁线形式；绝缘层要薄，空间因数 才大，于是绕包的绝缘层厚度一般为0 0 2 5 0 0 7 5 m m 1 0 】：要求电磁线线芯和绝缘 层的尺寸精度高、公差要小。电磁线线芯尺寸精度不高时，线芯尺寸的偏差及其 累积就会影响换位导线和组合导线的总体尺寸，使得组合厚度的尺寸难以控制， 直接影响电机内部结构布局，减小电磁线的空间系数。另外当电磁线线芯尺寸精 度不高时，电磁线绕制后很可能出现间隙，间隙是产生局部放电的重要载体，将 会引起绝缘层破坏【】。 电磁线安装在牵引电机中一般需经过卷线、嵌线和整形等过程，线芯和绝缘 层会受到各种形式的机械力作用，于是要求电磁线线芯有良好柔软度，并且要求 线芯尺寸精度高，表面质量好，因为线芯的任何质量问题都会损伤绕包绝缘层， 进而引起电磁线提前失效；牵引电机经常过载、启动频繁、高速和振动大，要求 电磁线线芯有较好的拉伸强度。线芯加工中产生的毛刺是引起电磁线绝缘过早失 效的重要原因，其原因一是毛刺损伤或者刺破绝缘薄膜引起绝缘失效，二是毛刺 如同杂质夹在在绝缘薄膜与线芯之间降低了击穿电压。线芯表面有麻坑时，绕包 绝缘薄膜后，麻坑处可以近似看出是一个气泡，气泡也能降低击穿电压【1 2 】。线芯 表面有磨损时，同样也能降低绝缘层的击穿电压，磨损处同样能影响绝缘层的厚 度，降低击穿电压。 线芯表面的划伤内残留较多的润滑剂，退火时引起线芯的变色、发黑，产品 的外观质量差，而且带有黑斑点的电磁线各种性能普遍将下降，特别是机械性能 大幅度下斛1 3 】。 3 可见，电磁线线芯的表面质量、尺寸精度和柔软度直接影响着电磁线的质量 以及对其绝缘性能有着特殊的影响。 高速列车电机用电磁线是在线芯表面绕包k a p t o n 薄膜或耐电晕的f c r 薄膜 胶带，再经高温烧结而成。高速列车电机用电磁线的线芯是铜扁线，材质是无氧 铜。 1 2 高速列车电机用电磁线线芯制备工艺 1 2 1 高速列车电机用电磁线线芯的材质 高速牵引电机用电磁线线芯是铜扁线，其材质是含氧量极少的无氧铜。无氧 铜具有纯度高、导电、导热性高的特点，无“氢病 或极少“氢病 ，主要应用 于电真空仪器仪表零件，广泛用于汇流排、导电条、波导管、同轴电缆、真空密 封件、真空管、晶体管的部件等【1 4 】，也可用于大中型汽轮发电机绕组中，对于提 高汽轮发电机的制造和运行可靠性、降低绕组损耗等具有重要的作用1 4 】。 无氧铜的化学成分、物理性能及典型力学性能分别见表1 1 1 3 t 1 4 , 1 5 】。 表1 - 1 无氧铜的化学成分( g b t 5 2 3 1 - 2 0 0 1 ) ( 质量分数) 晶格类型 原子量 密度fk g m 刁 熔点 电导率( 2 0 ) i a c s 电阻率( 2 0 ) 衅m 线性膨胀系数 热导率( 2 0 ) w ( m k ) 4 电阻温度系数 磁化率m 3 。k 9 1 比热容j - ( k g ) 。1 延伸性 面心立方 6 3 5 4 8 9 4 0 10 8 2 5 l0 8 3 1 0 1 4 o 0 1 7 l 1 7 6 x 1 0 - 6 3 9 1 0 0 0 3 9 3 0 0 8 5 x1 0 - 6 3 8 5 4 0 4 表1 - 3 无氧铜的典型力学性能 性能加工状态退火状态铸造状态 弹性极限od m p a 2 8 0 - - 3 0 02 0 - - - 5 0 屈服点od l v l p a 3 4 0 , - , 3 5 05 0 7 0 抗拉强度。加v i p a 3 7 叫2 02 0 0 - - 2 4 017 0 伸长率6 耷击4 5 - 5 0 断面收缩率、l ，脯 3 5 - - 4 56 5 7 5 布氏硬度h b s 1 1 0 1 3 03 5 4 54 0 剪切强度oz m p a 2 1 01 5 0 冲击功a x j l 乱1 8 抗压强度oy m p a 1 5 7 1 2 2 高速列车电机用电磁线线芯的成形工艺 ( 1 ) 电磁线线芯的连续挤压法 1 铜杆2 梗具3 i 司同线4 梗腔5 挤压轮 图1 - 1 连续挤压原理图 连续挤压法【1 6 】是由英国原子能管理局普斯林菲而德实验室德格林( d g r e e n ) 在1 9 7 1 年提出的，称之为连续挤压( c o n t i n u o u i se x t r u s i o n ) ，最初应用在铝的连续 挤压生产。连续挤压法是一种扁线生产新技术。连续挤压技术的新颖之处在于将 在压力加工中做无用功的摩擦力变为变形的驱动力和加热源，从而成为一种高效 节能的加工新技术。连续挤压的工作原理如图1 1 所示。挤压轮在动力的驱动下 沿图示的方向旋转，一根铜杆坯料进入挤压轮轮槽时，在槽壁的摩擦力作用下被 拽引到由挤压轮和模腔形成的挤压腔内，在摩擦力产生的高压和高温作下，金属 通过模口挤出形成铜扁线型材。更换不同的模具，即可得到不同尺寸的铜扁线产 品。由于是热塑性成形，铜扁线的机械性能符合软态要求，不再需要退火。 采用连续挤压方法生产铜扁线，是对传统生产工艺的一次变革，它的优点主 要表现在如下几个方面： 简化了生产工艺，一次成形，成本降低； 取消了退火工序，节能显著； 5 原材料为统一规格的铜杆，备料方便； 变换产品仅需更换一只模具，快捷方便，便于组织小批量、多品种生产； 可超长度连续工作，生产效率高。 铜扁线连续挤压法虽然在技术上具有一定优势，但毕竟还是一种新型方法， 在工艺上有待完善，并没有大规模工业运用，一般用于加工变压器电磁线线芯。 现在国内传统工艺还是拉拔退火法。 ( 2 ) 拉拔退火法 电磁线线芯传统的生产工艺【1 7 】是上引连铸无氧铜杆一轧制一多次拉拔一真 空退火一铜扁线成品，这也是国内绝大部分企业采用的生产工艺。上引连铸无氧 铜杆是在熔炼炉中利用真空将无氧铜液吸入结晶器，通过结晶器及其二次冷却而 凝固成坯，同时通过牵引机构将铸坯从结晶器中拉出来。拉出铜杆温度低于1 0 o c ，铜杆表面光亮，不用酸洗即可进入后续加工。上引的铜杆直径一般为巾8 巾2 0 m m 。上引法的设备结构简单，容易掌握、生产灵活、生产成本低。无氧铜杆 经过一道或者几道冷轧加工成方形铜杆，然后将方形铜杆在拉伸机上通过几个道 次拉拔成合符要求的铜扁线，最后经过真空退火保温处理，制成铜扁线成品。 ( a ) 圆铜线 ( c ) 型线拉线机 ( b ) 压扃机 图1 - 2 铜扁线生产设备图 6 ( d ) 退火罐 图1 - 2 为某公司高速列车电机用电磁线线芯生产设备图，将上引连铸无氧铜 杆经压扁机压成方铜线，再经四道次型线拉线机拉制成成品尺寸，最后在退火罐 中退火保温一段时间即得到成品铜扁线。 1 3 高速列车电机用电磁线线芯拉拔成形过程中的摩擦与润滑 1 3 1 电磁线线芯拉拔变形的特点 金属塑性加工中的摩擦与一般机械传动中摩擦就有很大差别，电磁线线芯的 拉拔成形过程的特点主要有以下几点【”】： ( 1 ) 拉拔过程的摩擦是伴随坯料的塑性变形而产生。由于塑性变形金属要发 生塑性流动，在接触面上不同区域金属质点变形的摩擦行为不同，有的滑动，有 的黏着，且拉拔模具紧密的贴合而近乎真空状态下出现的新鲜金属表层具有较强 的化学活性。 ( 2 ) 在电磁线线芯拉拔成形过程中，坯料的温度是变化的。坯料与模具之间 的摩擦热和变形体的变形热，使坯料的温度整体有一定的上升，变形量大的局部 温升更大，而在一定的温升下，会改变坯料的局部表面状态，强烈地影响摩擦状 态。 ( 3 ) 电磁线线芯的拉拔成形是不均匀变形，其长边和短边的变形是不一致， 使得摩擦力分布很不均匀；在实际生产中，由于润滑剂的使用，可能在不同的区 域出现不同的润滑状态。可见拉拔过程中摩擦要比机械传动中的摩擦复杂。 1 3 2 拉拔过程中的摩擦分析 拉拔过程中，模具和被拉拔金属表面在相当大的接触压力条件下发生相对运 动，因此产生的摩擦力相当大，所以研究拉拔时的摩擦并采取合适的润滑措施非 常重要。 有不少近代的摩擦理论能说明拉拔时的摩擦机理，其中干摩擦的粘着理论和 分子机械理论最为重要【1 9 1 。这两种理论都认为：物体表面不论其光洁度有多 高，表面都是高低不平的。因此，当两物体表面发生接触时，实际接触只发生在 某些点上，这些真实接触点的总和就称为“真实接触面积”。真实接触面积要比 名义接触面积小得多。因为真实接触面积很小，所以即使在接触压力很小的情况 下，在真实接触面上也会产生很大的单位压力，拉拔的接触压力很大，真实接触 面积也相应的占有很大比例，其真实接触面积上的单位压力也很大。拉拔产生摩 擦时，一方面由于接触点产生瞬时高温使金属发生黏着；同时，黏着点在物体相 对运动过程中受剪切而撕脱，使相对运动的两金属发生滑脱。因此，坯料与模具 7 的相对运动就是黏着撕脱交替进行的过程。这个过程中的各黏着点被剪切而撕脱 的阻力的总和，是构成摩擦力的主要部分。其值为： c = 4 t ( 1 - 1 ) 式中，e 摩擦力； 4 黏着面积； f 。坯料的剪切强度。 构成摩擦力的另一部分是，当硬金属粗糙表面在软金属表面上滑动时( 拉拔 模具属于硬金属，变形金属属于软金属) ，硬金属表面上的微凸体就会压入软金 属表面，使之发生塑性变形并犁出沟槽，此时因犁削金属而产生的摩擦阻力叫犁 沟分量。当两表面较光滑时，它与黏着造成的摩擦力相比影响较小。 在很大的接触压力作用下，接触点上的金属将发生塑性变形。这时，塑性接 触点上的应力等于较软金属的压缩屈服极限仃，。此时评价摩擦力大小的摩擦因 数的计算用： 厂：f ：鱼：立 ( 1 2 )，= = 上= 上kl - z ， j na o f 6 f 即：摩擦因数为金属的剪切强度与压缩屈服极限的比值。 分子机械理论认为：在很大单位压力作用下，摩擦物体接触时处在弹塑 性混合状态，且表面相啮合，两金属相对运动时要克服相互间的啮合和分子间的 吸引力。摩擦因数碇义为摩擦力死与接触压力及金属分子间引力d 之和的 比值。即 厂2 彘 3 ， 在金属拉拔过程中，总的能耗分为以下几个方面： 使金属材料产生有效变形所需的能量； 使金属材料产生不均匀变形及内部滑动的内摩擦损失所需的能量； 用于克服金属与模具间的外摩擦损失的能量。 研究表明，拉拔中总能量的1 0 消耗于金属与模具间的外摩擦。当低速拉时， 模具与金属界面发生的热量，几乎都传到金属与模具中。而在高速拉拔时，产生 的变形热和摩擦热来不及传递，从而使模具与金属界面的温度急剧上升，引起润 滑膜的破坏。随着摩擦因数的增加，摩擦能耗占总能耗的比例增加当摩擦因数f 在0 0 2 - 4 ) 1 之间变化时，断面收缩率为1 0 - 4 0 ，摩擦消耗功所占的比例也由6 增 j i 至u 4 0 。 8 1 4 高速列车电机用电磁线的最新研究及存在的问题 电磁线制造工艺一般为上引无氧铜杆一拉拔一退火一绕包绝缘层一高频烧 结一电磁线成品。 大约在1 9 9 3 年【2 0 2 ，美国、日本、欧洲等国家相继开展了作为电机系统重 要组成部分的电磁线研究。研究的目标是确定电机绝缘损坏机理。主要分化成以 下几种观点：以k a u f h o l d 2 2 】等为代表的局部放电损坏机理；以b e l l o m o 2 3 1 等为代表的的空间电荷积累损坏机理；以y i nw e i j u n 2 4 ，2 5 】等为代表的热击穿 机理。 近年来，日本在电磁线的开发上出现一些新动向，主要有【2 6 】：为了改善电磁 线的卷线加工性，提高电气设备的效率，开发了自润性漆包线、导线与绝缘膜之 间粘结性得到改善的漆包线，小尺寸扁平漆包线、耐高温漆包线等。在电磁线的 制造方面采用缺陷检测装置进行在线监控从而提高产品质量。 陈范才【2 7 】等对电磁线表面黑膜的组成进行研究，对其产生原因进行了探讨。 指出电磁线绝缘层下表面黑膜是一种组成较复杂的氧化物混合物膜，并含有少 量铜的氯化物、硫化物、钠盐等。其产生黑膜的问题是属于非常复杂的金属材料 腐蚀问题。张秀梅【2 8 】等研制了15 5 级涤玻璃绝缘线和涤玻璃烧结线，此种新型电 磁线采用熔融聚酯，部分或全部替代粘结漆，使其机械性能与绝缘性能有了大幅 度的提高，满足大型发电机制造的要求。周新民【2 9 】探讨了s b e m b 型薄膜电磁线 线芯发黑及其影响。指出线芯发黑主要是产生c u o 的缘故。衷敬和【3 0 】等采用热固 性酚醛环氧自粘性胶作为电磁线胶粘剂，提高电磁线的剪切强度。牛玉英【3 l 】等 分析了采用拉拔退火法生产电磁线线芯的显微组织，并指出在室温下电磁线线芯 性能高于铜扁线标准( g b 5 5 8 4 8 5 ) 的要求。李楚方【3 2 】研究了一种简便有效的用 于铜扁线的工艺计算方法，并指出只有因地制宜合理编制压扁工艺，才能获得满