吳海紅，楊 健，王 屹，田志強，呂 斌

（1 中船九江精達科技股份有限公司，九江332000；2 海洋石油工程股份有限公司，天津 300000）

1 前言

浮式產(chǎn)油儲油卸油裝置（FPSO）是集海上原油開采、油氣分離、動力發(fā)電、供熱及裝卸等功能于一體的用于近海油汽開發(fā)綜合性原油裝卸的浮動式碼頭。單點系泊系統(tǒng)是FPSO 裝置最重要的系統(tǒng)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)電能及流體等介質(zhì)的輸轉(zhuǎn)功能；中壓導電滑環(huán)是單點系泊系統(tǒng)的核心部件，擔負電力和通信信號傳輸任務(wù)，是FPSO 向附近設(shè)備供電的最重要的節(jié)點性機構(gòu)[1-4]。

劉軍濤[8]對金基摩擦副進行了滑動電接觸規(guī)律的試驗研究，得到了法向載荷、滑動速度及電流對接觸電阻、摩擦系數(shù)及磨損率的影響規(guī)律；Reck B 等[5][6]提出了一種用于電連接器的三維多場耦合數(shù)值模型，以評估在不同載荷作用下電連接器接觸區(qū)域周圍的局部應(yīng)力和溫度分布；周文韜[9]實現(xiàn)了導電滑環(huán)靜態(tài)的接觸力學特征的有限元建模，通過數(shù)值擬合的方法得到了法向載荷與真實接觸面積的規(guī)律，結(jié)合GW 模型及Archard 方程，對電滑環(huán)的服役壽命進行了預測；周蠡等[10]利用三維W-M 分形函數(shù)和有限元軟件多場耦合模塊構(gòu)建粗糙表面接觸模型，揭示了接觸區(qū)域α 斑點的分布規(guī)律及α 斑點之間的相互作用，闡述了法向載荷作用下接觸區(qū)域的的力學、熱學及電學規(guī)律。

目前應(yīng)用于單點系泊中壓電滑環(huán)的數(shù)值分析研究還相對較少，針對大電流、載荷壓力變化范圍大等惡劣服役環(huán)境下的電滑環(huán)數(shù)值模擬及相關(guān)研究也僅是針對單一因素的研究。本文對影響導電滑環(huán)的大電流（600 A），運用有限元軟件對電流溫度因素進行模擬分析。

2 理論基礎(chǔ)

在熱電耦合場分析中，需詳細建立分析對象的電流大小I 和傳輸材料物理參數(shù)R，再設(shè)置溫度場參數(shù)，將電流的庫倫定律產(chǎn)生的焦耳熱場和溫度場相互結(jié)合，實現(xiàn)電熱耦合場的求解。電熱耦合求解的核心算法，就是Maxwell 方程和歐姆定律下的數(shù)值方法，建立瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)、線性和非線性因素下的電流焦耳熱應(yīng)力和溫度分布數(shù)值分析方法[11]；在電接觸材料載流分析中，運用電荷守恒的基本原則和焦耳熱分析中電流恒定的假設(shè)。焦耳熱計算方程為：

式中：V 為任一控制載流發(fā)熱的體積；S 為接觸面積；n 為焦耳熱產(chǎn)生的接觸面外法向；J 為焦耳熱電流總和。

將公式（1）和（2）代入公式（3）中，并變換形式為:

就表示電流通過導體產(chǎn)生電能轉(zhuǎn)化為焦耳熱，即電能P 轉(zhuǎn)換為熱能Q，焦耳熱的計算公式為：

式中：ηv為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3 有限元模型的構(gòu)建

參照《海上單點系泊裝置入級規(guī)范》建造要求，對10.5 kV/600 A 中壓電滑環(huán)進行電傳輸設(shè)計。主要由監(jiān)測系統(tǒng)、電傳輸環(huán)路、驅(qū)動臂和外殼等部組件組成，如圖1 所示。

圖1 10.5 kV/600 A 中壓電滑環(huán)結(jié)構(gòu)圖

中壓電滑環(huán)由多個環(huán)路結(jié)構(gòu)軸系依次疊加組裝而成，每個環(huán)路均具備傳輸10.5 kV/600 A 的傳輸能力。為此，針對單一環(huán)路進行電熱溫度場的分析，對環(huán)路設(shè)計進行優(yōu)化，進一步提升環(huán)路的接觸可靠性。

3.1 環(huán)路設(shè)計狀態(tài)

在中壓電滑環(huán)的環(huán)路電傳輸中，每個環(huán)路由4 個電接觸結(jié)構(gòu)組成，每個電接觸結(jié)構(gòu)由兩個側(cè)面接觸，如圖2 所示。

圖2 10.5 kV/600 A 中壓電滑環(huán)環(huán)路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

將環(huán)路結(jié)構(gòu)進行單獨的電熱分析，建立分析模型，如圖3 所示。

圖3 中壓電滑環(huán)有限元環(huán)路設(shè)計模型狀態(tài)

3.2 電熱分析假設(shè)

由于模擬計算條件的限制，對計算模型作如下假設(shè)：

（1） 在單點系泊中壓電滑環(huán)環(huán)材料（紫銅+AuCo貴金屬鍍層）/電刷（銅碳）的材料載流應(yīng)用能力范圍內(nèi)，各項物理參數(shù)保持穩(wěn)定不變；

（2） 摩擦損傷過程中，滑動摩擦接觸界面穩(wěn)定，中壓電滑環(huán)環(huán)材料（銅+AuCo）/電刷（銅碳）的摩擦系數(shù)穩(wěn)定，符合焦耳熱的基本定律；

（3） 電流所做功均轉(zhuǎn)化為焦耳熱；

（4） 在模擬摩擦接觸過程中，視摩擦熱為理想惡劣工況，摩擦熱全部由電接觸傳輸結(jié)構(gòu)吸收；

（5） 在溫度場的分析過程中，僅考慮了熱傳遞，不考慮熱輻射，各個接觸區(qū)域的熱傳遞視為相等的理想情況。

3.3 電熱分析邊界條件

環(huán)片材料選擇紫銅，并在紫銅表面進行AuCo 貴金屬鍍覆，進一步提升電接觸性能；電刷材料采用銅碳材料進行電接觸；中壓電滑環(huán)選用銅合金。

通過有限元軟件熱電耦合模塊對單點系泊系統(tǒng)中壓電滑環(huán)在電流作用下的總熱通量和溫度變化進行研究：電流分別為100 A、200 A、400 A 及600 A，模擬時長為1 s，具體的有限元設(shè)計參數(shù)見表1。通過不同的電流參數(shù)分析不同的溫度，進一步保障電傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

表1 參數(shù)設(shè)計表

采用Ansys workbench 進行材料參數(shù)設(shè)置、模型導入、材料參數(shù)選擇、網(wǎng)格劃分、電流設(shè)計、電壓設(shè)置和求解，完成了電熱的溫度場分析，并對模擬分析結(jié)果進行討論。

4 模擬計算結(jié)果與討論

根據(jù)上述邊界條件和計算參數(shù)，摩擦副施加電流載荷后，電流通過材料接觸界面會產(chǎn)生焦耳熱，熱量會導致材料的性質(zhì)發(fā)生變化，這些因素對于接觸電阻均會產(chǎn)生影響。本研究采用熱電耦合的數(shù)值方法，研究單點系泊系統(tǒng)中壓電滑環(huán)及其摩擦配副接觸區(qū)域的溫度變化。

根據(jù)模擬計算結(jié)果顯示：滑環(huán)系統(tǒng)初始溫度值為25 ℃，通電時間1 s 后，隨著電流強度的增加，單點系泊中壓電滑環(huán)總熱通量快速增加，100 A 時最大熱通量為713 W/m2，200 A 時為2 852 W/m2，400 A 時為11 408 W/m2，600 A 時為25 669 W/m2；根據(jù)Q=I2Rt，電流所做功與電流強度的二次方成正比。

滑環(huán)系統(tǒng)初始溫度值為25 ℃，通電時間1s 后，隨著電流強度的增加，單點系泊中壓滑環(huán)溫度逐漸升高，100 A時最大溫度值為31.29 ℃，200 A時為43.63 ℃，400 A 時為64.65 ℃，600 A 時為114.2 ℃；根據(jù)ΔT=I2Rt/（m·c），最大溫度隨著電流增大而顯著增加，中壓滑環(huán)以及電刷的連接區(qū)域是溫度增加最明顯的區(qū)域，這是因為摩擦副之間的電接觸是是通過分布于接觸面上的α 斑點形成的，并且是摩擦副之間電流唯一的傳導路徑。電流通過這些接觸斑點時，由于通導面積減少，電阻值迅速增加，導致電流產(chǎn)生更多的焦耳熱，也使得接觸區(qū)域溫度增加更多。

中壓電滑環(huán)實際工作于電、熱物理場耦合的環(huán)境，引起溫升的主要有滑動速度和法向載荷下產(chǎn)生摩擦熱和電流產(chǎn)生的焦耳熱，中壓電滑環(huán)溫升主要來源于電流引起焦耳熱。本文主要開展了對不同電流條件下的焦耳熱進行比較，焦耳熱隨著電流的增加更明顯，當電流從100 A 增加至600 A，焦耳熱引起的溫度變化值從27.48 ℃增加至114.2 ℃，在溫升中所占比例從2.3%增至45.6%；

為此，通過數(shù)值分析，將接觸面積由300 mm2優(yōu)化為450 mm2，溫度控制在80 ℃，極限工況下環(huán)路傳輸?shù)臏囟葹?8.43 ℃，在考慮到實際工況、熱輻射和熱對流，環(huán)路的溫度會較此模擬分析值低。

5 結(jié)論

本文利用有限元軟件的多場耦合數(shù)值模擬對單點系泊系統(tǒng)中壓電滑環(huán)的電熱溫度場分布進行了研究。中壓電滑環(huán)及其摩擦副產(chǎn)生的焦耳熱與電流的二次方成正比，隨著電流增加，焦耳熱迅速增加，并導致中壓電滑環(huán)工作溫度顯著增加，尤其因為接觸區(qū)域電流收縮效應(yīng)，電刷與滑環(huán)接觸區(qū)域的溫升最為明顯。

結(jié)合實際的工作條件，回轉(zhuǎn)過程中600 A 穩(wěn)定傳輸?shù)碾娊佑|面積至少要達到450 mm2，每組電刷組件均在回轉(zhuǎn)變化，考慮到電接觸位置主要由多個α 斑點形成，為了保障有效的電接觸面積，需選用硬度和表面粗糙度匹配的材料組合，提高有效接觸面積，降低接觸電阻異常導致的溫度升高，對于單點系泊系統(tǒng)中壓電滑環(huán)保持穩(wěn)定可靠的工作狀態(tài)非常重要。