楊鳳彪，孫世宇，白鴻柏

（軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北石家莊 050003）

金屬橡膠構(gòu)件電參數(shù)模型建立

楊鳳彪，孫世宇，白鴻柏

（軍械工程學(xué)院車輛與電氣工程系，河北石家莊 050003）

針對金屬橡膠在成型方向可承受較大載荷，在非成型方向承載能力低的問題，研制了基于數(shù)字控制的高能電脈沖燒結(jié)控制設(shè)備，實現(xiàn)了金屬橡膠燒結(jié)過程的自動控制及數(shù)據(jù)采集．利用燒結(jié)控制設(shè)備對某種規(guī)格金屬橡膠進行了燒結(jié)試驗，并對燒結(jié)試驗電流波形進行分析，構(gòu)建放電電流的數(shù)學(xué)表述，進而確立了金屬橡膠的電參數(shù)模型．該電參數(shù)模型指出金屬橡膠脈沖電流燒結(jié)過程中電感量決定了燒結(jié)過程中能量轉(zhuǎn)換與電流波形，是不能忽略的重要參數(shù)．建立的金屬橡膠電參數(shù)模型對不同規(guī)格金屬橡膠的燒結(jié)過程都具有一定的指導(dǎo)意義．

金屬橡膠；電脈沖；燒結(jié)；電參數(shù)模型

金屬橡膠材料在工程應(yīng)用中常面臨非常惡劣的工作環(huán)境，同時受到幾個方向上的載荷，這對其拉伸、剪切等機械性能指標(biāo)提出了很高的要求．一般來講，壓力成型方向能夠承受的載荷很大，而在壓力成型方向的反方向（拉伸方向）上的承載能力卻很低，其它方向上的承載能力介于二者之間[1]．這一特點反應(yīng)在力學(xué)性質(zhì)上就是：金屬橡膠材料的拉伸強度和剪切強度遠(yuǎn)小于其成型方向上的壓縮強度．金屬橡膠材料的各向異性使其在受到幾個方向上的綜合載荷時，在壓力成型方向以外的方向上（尤其在壓力成型方向的反方向上）很容易發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致撕裂破壞，這便使其應(yīng)用范圍受到了很大的限制．采用高能電脈沖對金屬橡膠進行放電燒結(jié)，使金屬橡膠內(nèi)部金屬絲螺旋卷接觸點處出現(xiàn)熔焊，而其它部位不發(fā)生形變，從而提高其各個方向上的力學(xué)性能，是目前業(yè)界越來越關(guān)注的重點．對金屬橡膠電脈沖燒結(jié)的關(guān)鍵在于燒結(jié)設(shè)備的研制與金屬橡膠模型的建立．燒結(jié)設(shè)備要能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生幾千安培的脈沖電流，且燒結(jié)時間可控[2-5]．當(dāng)電流通過金屬橡膠時，金屬橡膠內(nèi)部必然存在電磁現(xiàn)象，金屬絲之間會有電動力產(chǎn)生[6]，且對金屬的凝固、電致朔性、非晶結(jié)構(gòu)變化等都有影響[7]．金屬橡膠模型的建立是進行燒結(jié)的依據(jù)，目前科研人員進行了大量試驗與測試，建立了基于動力學(xué)的各種分析方法與模型[8-12]，但進行金屬橡膠燒結(jié)時，主要是依據(jù)金屬絲接觸電阻發(fā)熱熔焊，使接觸點熔接，金屬橡膠受熱時會出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象[13]，對其內(nèi)部接觸會有影響，因此對金屬橡膠進行燒結(jié)時，必須進行電學(xué)分析，建立電參數(shù)模型．

1 脈沖電流燒結(jié)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

金屬橡膠通過電脈沖放電提高機械性能的實質(zhì)是，在放電電流的作用下，金屬橡膠材料內(nèi)部的螺旋巻線匝間形成局部燒結(jié)點．這是因為金屬橡膠材料在受到載荷作用時，由于螺旋卷線匝之間的摩擦、滑移、擠壓和變形耗散大量的能量而起到大阻尼粘彈性材料的作用，所以在燒結(jié)完成后必須保證線匝之間的相對運動，否則金屬橡膠材料將起不到大阻尼粘彈性材料的作用，就失去了金屬橡膠應(yīng)用的基礎(chǔ)，從而燒結(jié)也就失去了任何意義．

電脈沖燒結(jié)控制系統(tǒng)原理如圖1所示，包括測控模塊、電容充電控制模塊、電容放電控制模塊、電容組、伺服電機加壓模塊等組成．

電容充電控制模塊由充電控制電路、電壓傳感器組成．充電控制電路將輸入逆變、濾波后輸出可調(diào)直流電壓，向電容組進行恒流充電．充電控制模塊采用PWM控制技術(shù)，使充電電流維持在10 A，充電最高電壓可達250V．充電過程中，由連接在電容2端的電壓傳感器將電壓信號輸送至測控模塊．

圖1 電脈沖燒結(jié)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Functionalblockdiagramofcontrolsystemforcurrentpulsesinter

電容組由10只1F/300V大容量電容器并聯(lián)組成，圖1中以3只并聯(lián)示意，其正極用紫銅排連接后分別與放電控制模塊的5個放電支路連接，各個放電支路的輸出端經(jīng)紫銅排匯流后與伺服電機加壓模塊中的上電極相連．電容器的負(fù)極用紫銅排連接后與伺服電機加壓模塊中的下電極相連，形成1個完整的放電回路．

電容放電控制模塊有5條并聯(lián)支路組成，圖1中以2條支路示意．每條支路包括電流傳感器、IGBT、驅(qū)動及控制電路等，電流傳感器用于檢測電容放電電流，IGBT控制放電支路的通斷，驅(qū)動及控制電路控制放電電流的大小，每條支路放電電流可達600A．該放電模塊受測控模塊輸出的同一個參考電壓信號控制，當(dāng)參考電壓為地電平時，每1路放電支路中的IGBT都不導(dǎo)通，電容組不能放電；當(dāng)參考電壓不為0時，該信號與電流傳感器輸出信號進行比較，使IGBT工作在PWM模式，各個支路以參考電壓設(shè)定的電流值進行放電．由于參考電壓為同1個信號，因此各個支路的放電電流是相等的．為了對放電的總電流進行采集，對各個電流電感器的輸出信號進行加運算后送至測控模塊．

測控模塊由基于Labview的測控軟件、D/A板卡（NI公司DA6731）和數(shù)據(jù)采集模塊（阿爾泰公司USB5935）組成．DA6731向電容放電控制模塊輸出1路電壓信號，其作用有2個方面：1）作為電容放電電流的參考電壓，參考電壓的高低決定放電電流的大?。?）作為電容放電的使能信號，當(dāng)參考電壓為地電平時，電容放電控制模塊中的IGBT不導(dǎo)通，電容放電回路斷開．USB5395的DO（數(shù)字輸出）模塊向電容充電控制模塊輸出1路控制信號，其電平的高低決定電容組是否被充電；向伺服電機加壓模塊輸出2路控制信號，控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)．USB5395的A/D轉(zhuǎn)換模塊對壓力傳感器、電容電壓傳感器、放電電流傳感器的輸出信號采集，根據(jù)采樣值進行相應(yīng)控制．

伺服電機加壓模塊由控制電路板、伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機、傳動皮帶、絲杠、上下電極、壓力傳感器、微動開關(guān)等組成．控制板根據(jù)測控模塊的給定信號，向伺服驅(qū)動器輸出控制信號，控制電動機的正反轉(zhuǎn)，電機的轉(zhuǎn)軸通過皮帶、絲杠帶動上電極上下移動，下電極位置固定．當(dāng)上電極向上運動觸動微動開關(guān)時，微動開關(guān)的常開觸頭閉合，當(dāng)控制板檢測到該閉合信號后使電動機停止運行，達到上限位；當(dāng)上電極向下運行，與下電極共同擠壓金屬橡膠時，壓力傳感器輸出壓力值，并經(jīng)測控模塊進行采集，達到設(shè)定的壓力值時，電動機停止運行．

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

電脈沖燒結(jié)控制系統(tǒng)軟件基于Labview2012編制，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集計算、放電電壓和電流波形的顯示，操作流程如圖2所示．

首先在測控模塊中對放電電流、壓力載荷、電容組充電電壓、放電時間等參數(shù)進行設(shè)定，完成后判斷上電極是否處于上限位，如果未達到上限位，則控制伺服電機運轉(zhuǎn)，使上電極向上運行至上限位，使上下電極之間的空間距離達到需要的高度，方便金屬橡膠工件的放置．安放好金屬橡膠工件后，在測控模塊的控制下，伺服電機帶動上電極向下運行，由于下電極的位置固定，上電極與金屬橡膠工件充分接觸后，使金屬橡膠在上下電極的擠壓下產(chǎn)生壓力載荷，期間測控模塊對壓力傳感器的輸出信號進行實時采集，當(dāng)壓力值達到設(shè)定的載荷值時，上電極停止運行．充電控制模塊對電容組進行充電，當(dāng)達到設(shè)定的充電電壓值時，停止充電，充電期間金屬橡膠工件內(nèi)部金屬螺旋卷之間達到動力學(xué)穩(wěn)定．在測控模塊的控制下，通過開通各放電支路的IGBT，對金屬橡膠原件進行電脈沖燒結(jié)，脈沖幅度由放電電流設(shè)定值控制，脈沖寬度由放電時間決定，電容放電至設(shè)定時間后，關(guān)斷各支路IGBT，完成1個工作循環(huán)．

圖2 電脈沖燒結(jié)控制系統(tǒng)操作流程Fig.2 Operationprocessofcontrolsystemfor currentpulsesinter

2 金屬橡膠電參數(shù)模型建立

金屬橡膠材料內(nèi)部是細(xì)金屬絲線螺旋匝相互交錯勾連形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從電學(xué)角度考慮，其宏觀模型應(yīng)為電阻、電感和電容的組合．由于金屬橡膠內(nèi)部螺旋線匝之間相互勾連形成通路，因此其電容效應(yīng)可以忽略不計．關(guān)于金屬橡膠在不同壓力載荷下所具有的電阻特性在文獻[1]中進行了詳細(xì)論述，但金屬橡膠是用金屬絲螺旋卷制備而成的，其內(nèi)部必然存在金屬絲螺旋卷形成的電感，電感的存在必然影響脈沖電流的波形，此外，在關(guān)斷放電通路時也會產(chǎn)生較大的反電勢，因此在燒結(jié)過程中只考慮金屬橡膠的電阻特性是不完善的．

由于無法建立金屬橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，故無法通過理論計算的方法對其電阻和電感進行研究，此外，金屬橡膠元件金屬絲互相導(dǎo)通連接，無法確定其直接的測試點，只能試圖通過實驗對其電阻、電感的特性進行研究．

根據(jù)圖1可知，對金屬橡膠進行放電燒結(jié)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)為RLC串聯(lián)二階電路，其中R、L和C為放電回路的總電阻、電感和電容值，其中由于儲能電容的值較大（10F），因此線路中的雜散電容可以忽略．在儲能電容充電到85V、電流傳感器傳輸比300mV/20A、放電時間為600ms、對金屬橡膠施加50N的壓力、不限制電流大小時放電電流波形如圖3所示，圖3中放電電流曲線分為2個階段，第1段為燒結(jié)段，電容儲能主要在本階段釋放；第2段為關(guān)閉放電回路中的IGBT很短時間后，再重新導(dǎo)通的波形．之所以采用電流分段燒結(jié)的方式，是為了防止在第1階段中形成的燒結(jié)點進一步熔焊成大的熔塊，需要對燒結(jié)點進行短時間的冷卻．假設(shè)金屬橡膠元件在一定的壓力條件下，其電阻R、電感量L為恒定值，根據(jù)電路分析基礎(chǔ)理論[14]可知，儲能電容電壓表達式為

圖3 金屬橡膠燒結(jié)電流波形Fig.3 ThecurrentwaveformofMRsintered

根據(jù)微分方程理論可知，式(1)的解答形式視特征根的性質(zhì)而定，式(1)的特征方程為

根據(jù)圖3放電電流波形可知，電容放電電流即燒結(jié)電流為非振蕩波形，為過阻尼情況，此時必然有R2＞4L/C，即式(3)的值S1,2為不相等的負(fù)實數(shù)，方程(1)的解可表示為

根據(jù)電容電壓、電流的伏安特性可知，電容電流即金屬橡膠的燒結(jié)電流為

將式(4)帶入式(5)，并考慮初值條件可得到電流表達式

根據(jù)圖3所示波形取4個特殊點，取波形中0ms、120ms、240ms和360ms對應(yīng)的電流值，分別為786.67A、410.67 A、346.67A和309.33A，根據(jù)式(6)建立微分方程組

分析這2組解及式(6)的結(jié)構(gòu)可知，這2組解其實為式(6)及方程組(8)的相同解．經(jīng)過計算得

S1=0.9069943577，S2=21.76307277，K2=47.2523，K2=1.6454．將上述結(jié)果帶入公式(6)，得燒結(jié)電流表達式：ic=428.576e0.9069943577t+358.094e21.76307277t

將S1，S2的值帶入式(3)得

在沖擊大電流設(shè)備中，當(dāng)存能電容器確定以后，電感量大小是決定最大沖擊電流及沖擊電流最大上升時間的關(guān)鍵．在Matlab/Simulink中建立RLC放電電路仿真模型，儲能電容值設(shè)定為10F（初始電壓設(shè)為85V），電阻值設(shè)定為115m，而電感量分別設(shè)定為2.5 mH、5 mH和10 mH時對應(yīng)的放電電流曲線如圖4中1、2、3（自上而下）所示．如圖4可見，電感量越大，最大電流上升時間越長，最大電流越小，若對放電脈沖寬度控制不合理，燒結(jié)能量把控不精準(zhǔn)，會造成欠流或過流燒結(jié)，金屬絲出現(xiàn)不熔或熔斷現(xiàn)象．因此，對金屬橡膠進行脈沖電流燒結(jié)時，如果僅考慮電阻的熱效應(yīng)而忽略電感的儲能和延時作用，將很難獲得滿意燒結(jié)效果．

圖4 電感量不同時放電電流曲線Fig.4 Thecurrentwaveformindifferentinductancevalue

3 結(jié)束語

金屬橡膠以其優(yōu)異的機械性能在各個領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，同時對金屬橡膠的應(yīng)用環(huán)境也提出了更加苛刻的要求，為了滿足不同的應(yīng)用條件，需要對金屬橡膠的編織方法和制備工藝進行改進，高能大電流脈沖燒結(jié)無疑是一種合理、有效的技術(shù)途徑．雖然金屬橡膠的形狀、編織、疊壓方式不同，但其制備原理是一致的，都是采用一定絲徑的金屬絲螺旋卷進行纏繞壓制成型的，從金屬橡膠構(gòu)件整體來看，其電阻、電感串聯(lián)的特性是一致的．文中以某種型號金屬橡膠在一定壓力、電壓下進行脈沖電流燒結(jié)，所得出的結(jié)論對金屬橡膠進行電脈沖燒結(jié)是具有一定指導(dǎo)意義的．

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

TheelectricparametermodelofMR

YANGFengbiao，SUNShiyu，BAIHongbai

(DepartmentofVehicle&ElectricEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,HebeiShijiazhuang050003,China)

In viewoftheproblemthatmetalrubbercan bearlargerload intheforming direction,yetbearlessload intheotherdirection,thehigh-energy currentpulsesintering controlequipmentwasdeveloped,thusrealizingsinteringprocessofautomaticcontrolanddataacquisition.Sinteringexperimentwasdoneonsomespecificationsofmetalrubberto makeuseofsinteringcontrolequipment.Andbydoingthecurrentwaveformanalysisforsinteringexperimentandbuildingthemathematicalexpressionofthedischargecurrent,the electricparametermodelofmetalrubberwasestablished.Theelectricparametermodelpointsoutthatthemetalrubberinductanceisanimportantparameterthatcannotbeignored, becauseitdeterminestheenergyconversionandthecurrentwaveforminsinteringprocess.Theelectricparametermodelforsinteringprocessofdifferentspecificationsmetalrubber hascertainguidingsignificance.

metalrubber;currentpulse;sintering;electricparametermodel

TM13

A

1007-2373(2015)06-0012-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.003

2015-04-29

武器裝備十二五預(yù)研項目（51312060404）

楊鳳彪（1977-），男（漢族），講師，博士生．

數(shù)字出版日期：2015-11-24數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151124.0903.004.html