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基于近场动力学的裂纹扩展及轨面剥离掉块成因机理

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同济大学学报（自然科学版） 2023年第6期51卷 912-922页

作者：程中宁周宇李骏鹏黄旭炜同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室上海201804 上海市隧道工程轨道交通设计研究院上海200235

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随... 详细信息

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随着通过总重累积和裂纹长度的增加逐渐降低;轨面多裂纹情况下,通过总重增量低于8.8 Mt时,裂纹在荷载作用下主要发生沿长度方向扩展。通过总重增量超过8.8 Mt后,裂纹之间的次生损伤形成;而且,这种情况在轨面多条裂纹间距≤1.5 mm时较为显著,裂纹间距>1.5mm时,裂纹间的相互影响减小;轨面多条裂纹同时存在且裂纹间距≤1.5 mm时,通过总重增量达到一定程度(>10.0Mt),裂纹间的次生损伤形成剥离掉块,剥离掉块深度约为裂纹深度的1/2以上。

关键词：铁路钢轨剥离掉块裂纹扩展近场动力学

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摩擦系数对滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗影响

同济大学学报（自然科学版） 2018年第10期46卷 1392-1402页

作者：周宇韩延彬木东升黄旭炜同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响... 详细信息

提出了疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展离散化过程建模设想,根据临界平面法材料疲劳损伤理论和Archard磨耗理论,建立钢轨三维疲劳裂纹萌生与磨耗共存发展预测模型,分析轮轨接触位置的摩擦系数对曲线段钢轨表面疲劳裂纹萌生与磨耗发展的影响.结果表明,摩擦系数对接触斑面积、形状和位置无影响,但影响轮轨接触斑黏着区/滑动区的分布和切向应力状态;随着摩擦系数的增大,钢轨的平均磨耗发展率增加、磨耗量增大、裂纹萌生寿命减小,其中,摩擦系数从0.3增大至0.7时,外轨和内轨的平均磨耗发展率分别增大了约17%～55%、16%～42%,外轨和内轨的裂纹萌生寿命分别降低约24%～34%和18%～35%;随着摩擦系数的增加,外轨的裂纹萌生位置从轨面以下2.0～2.5mm处向亚表面0.9～1.0mm移动;内轨的裂纹萌生位置基本处于轨顶面下2.4～2.6 mm;轮轨接触位置的摩擦系数控制在0.3～0.4的范围,可以达到延长钢轨疲劳裂纹萌生寿命、减缓钢轨磨耗的目的.

关键词：钢轨滚动接触疲劳裂纹磨耗摩擦系数

频变电应力下高频电力变压器绝缘沿面放电形态及发展过程

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电工技术学报 2016年第19期31卷 199-207页

作者：刘涛韩帅李庆民鲁旭黄旭炜新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京102206 中国电力科学研究院北京100192 国网北京市电力公司石景山供电公司北京100043 北京市高电压与电磁兼容重点实验室(华北电力大学) 北京102206

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程，搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10～40kHz正弦电压下．测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命，然后采... 详细信息

沿面放电是导致绝缘失效的主要原因之一。为研究高频电力变压器绝缘在频变电应力下的沿面放电形态及发展过程，搭建了高频沿面放电实验平台。首先在10～40kHz正弦电压下．测试了不同频率下的沿面放电起始、闪络电压及沿面寿命，然后采用恒压法开展沿面放电实验，记录了放电起始、发展至闪络的整个过程，获得了不同阶段的放电特征参量和放电相位谱图，并结合二次电子发射雪崩模型和陷阱理论，对沿面放电的发展演化过程进行了分析。实验及分析结果表明，电压频率的升高会导致沿面闪络电压的降低和沿面寿命的缩短；高频下聚酰亚胺的沿面放电形态为直线型，在放电的不同阶段，放电幅值、次数、相位谱图及其统计量均呈现出特定的变化规律，可作为沿面放电发展程度的评估指标；绝缘表面电荷分布和陷阱参数对沿面放电特性有重要影响，是进一步揭示沿面闪络机理的关键。

关键词：高频电力变压器高频正弦电压频变电应力沿面放电放电形态

直流电晕放电作用下Kapton型聚酰亚胺裂解机理的ReaxFF分子动力学仿真

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高电压技术 2020年第1期46卷 215-223页

作者：黄旭炜刘涛舒想李庆民王忠东高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学) 北京102206 中国电力科学研究院有限公司北京100192 曼彻斯特大学电气与电子工程学院曼彻斯特M139PL

空气中电晕放电将产生具有活性的离子,可导致电介质的高分子主链C—C键断裂,逐渐丧失其绝缘性能。Kapton型聚酰亚胺薄膜被广泛应用于直流特高压设备的气固绝缘中,其在电晕作用下的电气性能将直接影响到设备以及特高压电力系统的安全运... 详细信息

空气中电晕放电将产生具有活性的离子,可导致电介质的高分子主链C—C键断裂,逐渐丧失其绝缘性能。Kapton型聚酰亚胺薄膜被广泛应用于直流特高压设备的气固绝缘中,其在电晕作用下的电气性能将直接影响到设备以及特高压电力系统的安全运行。为此利用ReaxFF反应分子动力学方法,针对直流电晕产生的主要活性离子(O3–、HO–、H3O+、NO+)的冲击作用,计算了Kapton的裂解化学反应过程,并分析了直流电晕极性效应的影响。结果表明:在活性离子基团的入射冲击作用下,聚酰亚胺与活性离子接触后发生能量转移,并与相应的活性基团发生化学反应,造成聚酰亚胺主链裂解,释出气态小分子产物(主要是CO和H2O)。针对不同极性电晕作用的仿真表明,正极性直流电晕对聚酰亚胺的侵蚀作用更加明显,这与已有的实验结果相符。最后通过仿真研究,阐释了电晕放电造成聚酰亚胺绝缘失效的微观作用机理。

关键词：直流电晕放电等离子体聚酰亚胺裂解反应分子动力学仿真

高频电压下表面电荷分布对沿面放电发展过程的影响

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电工技术学报 2018年第13期33卷 3059-3070页

作者：鲁杨飞李庆民刘涛黄旭炜王忠东华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206 曼彻斯特大学电气与电子工程学院

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其... 详细信息

为了探究高频电压下表面电荷积聚对气-固绝缘沿面放电发展过程的影响,搭建了沿面放电测试平台与表面电荷测量系统。首先,采用20 kHz和30 kHz高频正弦电压,基于针-板电极结构,实验研究了沿面放电形态的发展与放电特性参数的演化规律。其次,对放电发展不同阶段聚酰亚胺薄膜的表面电荷分布进行了测量,得出了表面电荷的时空分布特性。最后,通过扫描电镜与傅里叶变换红外光谱分析方法,对材料表面微观形貌和化学结构变化进行了测试,探究了材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响。研究结果表明,高频下沿面放电呈现极性效应,正半波放电幅值大于负半波,且放电中期正半波峰值处会出现较大幅值的放电,峰值处放电次数在后期明显增加;材料表面积聚负极性电荷,沿面放电导致的物化缺陷加剧了表面电荷的积聚;负极性表面电荷在电压正、负半波对针电极附近电场分布的不同影响,是沿面放电极性效应的主要产生原因。与高频电压相比,工频电压下负极性表面电荷积聚量较少,且沿面放电呈现出不同的极性效应。

关键词：高频电压聚酰亚胺沿面放电表面电荷物化缺陷

含苯硫醚基团的低介损聚酰亚胺薄膜合成及其性能调控机制

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中国电机工程学报 2019年第15期39卷 4623-4632页

作者：黄旭炜舒想王健李庆民林俊王忠东高电压与电磁兼容北京市重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 曼彻斯特大学电气与电子工程学院英国曼彻斯特M139PL

传统Kapton型聚酰亚胺薄膜在高频电应力下具有较高的介电损耗,难以满足高频电力变压器的绝缘需求。利用统计交替共聚法,制备含不同含量苯硫醚基团的聚酰亚胺薄膜,并对其结构、热学性质及介电特性进行测试。引入苯硫醚基团后,薄膜材料的... 详细信息

传统Kapton型聚酰亚胺薄膜在高频电应力下具有较高的介电损耗,难以满足高频电力变压器的绝缘需求。利用统计交替共聚法,制备含不同含量苯硫醚基团的聚酰亚胺薄膜,并对其结构、热学性质及介电特性进行测试。引入苯硫醚基团后,薄膜材料的介电损耗随苯硫醚含量的增加呈现先降低后升高的趋势,在40%含量时达到最低值(1k Hz时tan??0.000929),并保持热学性能不变,该趋势与紫外–可见光吸收光谱起峰波长的红移现象相一致。当含量较低时,苯硫醚基团可破坏聚酰亚胺分子间电荷转移络合作用(chargetransfercomplexes,CTC)的分散性,减弱松弛极化并离散极化时间分布,降低介电损耗;而随着苯硫醚基团含量增加,有较强失电子性能的硫元素会加强CTC,从而提高介电损耗。通过引入苯硫醚基团可影响聚酰亚胺的电荷转移络合作用,实现对其频域介电损耗特性的有效调控。

关键词：聚酰亚胺苯硫醚基团介电损耗电荷转移络合

两种功能化硅氧基聚酰亚胺薄膜的高频沿面放电寿命对比研究

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电工技术学报 2021年第13期36卷 2719-2729页

作者：丁梓桉黄旭炜李庆民郭玉金林俊新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京102206 重庆邮电大学自动化学院重庆400065

聚酰亚胺可用作高频电力变压器的包覆绝缘材料,但要面临因沿面放电而可能导致的绝缘失效问题,可借助于材料改性技术解决。该文通过引入1%、2%、5%摩尔含量的1,3-双(3-氨基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(GAPD)和等效含量的SiO_(2),分别... 详细信息

聚酰亚胺可用作高频电力变压器的包覆绝缘材料,但要面临因沿面放电而可能导致的绝缘失效问题,可借助于材料改性技术解决。该文通过引入1%、2%、5%摩尔含量的1,3-双(3-氨基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(GAPD)和等效含量的SiO_(2),分别对聚酰亚胺薄膜进行分子结构改性和纳米复合改性,以两种方法实现其硅氧功能化,并基于紫外光谱、扫描电子显微镜(SEM)、电阻率等材料理化特性测试的对比研究,重点考核材料的高频沿面放电寿命。结果表明,两种改性方式均可获得聚酰亚胺较优异的热学、力学等基本理化特性,加入5%SiO_(2)后,薄膜电寿命可提升至纯聚酰亚胺的3.4倍;而引入5%GAPD后,薄膜电寿命可提升至纯聚酰亚胺的4.77倍。两种改性方式的影响机制有所差异:加入SiO_(2),是将Si-O-Si结构的晶体添加至聚酰亚胺中形成纳米复合体系,并通过界面等作用提升材料的高频沿面放电耐受性能;引入GAPD,是将均匀分布、不分相的Si-O-Si网络键入至聚酰亚胺中,使基体结构更致密,同时可在外层被破坏后形成均匀的絮状无机粒子,多因素协同作用更有效地提升了材料的高频沿面放电寿命。利用GAPD对聚酰亚胺进行分子结构改性以实现其硅氧功能化,可获得更加优异的材料理化特性和放电耐受性能,具有潜在应用价值。

关键词：聚酰亚胺硅氧功能化理化特性高频沿面放电电寿命

聚酰亚胺纳米复合绝缘体系中TiO2颗粒团聚现象的微观作用机制研究

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绝缘材料 2020年第2期53卷 14-21页

作者：黄旭炜李庆民邹亮华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室北京102206 山东大学电气工程学院山东济南250061

为研究聚酰亚胺-二氧化钛(PI-TiO2)复合材料中纳米颗粒团聚现象的微观作用机制,利用反应分子动力学构建并计算了含有不同纳米颗粒尺寸和数量的PI-TiO2复合仿真体系中纳米颗粒的运动过程,结合微观运动过程中化学键与氢键的变化趋势,分析... 详细信息

为研究聚酰亚胺-二氧化钛(PI-TiO2)复合材料中纳米颗粒团聚现象的微观作用机制,利用反应分子动力学构建并计算了含有不同纳米颗粒尺寸和数量的PI-TiO2复合仿真体系中纳米颗粒的运动过程,结合微观运动过程中化学键与氢键的变化趋势,分析了聚酰亚胺基体中纳米颗粒发生团聚现象的作用机理。结果表明:由于边沿缺位原子的非饱和性,TiO2纳米颗粒将与氢键受力的聚酰亚胺分子发生相向运动,并与之形成Ti-O-C桥接化学结构,这是导致纳米颗粒团聚的主要原因。基于体系能量分解的研究表明,纳米颗粒是在电荷转移能、静电势能及分子间作用能等微观能量的共同作用下趋于团聚。最后,利用原位聚合法制备了含不同TiO2质量分数的PI-TiO2纳米复合薄膜,根据扫描电子显微镜(SEM)测试中呈现的团聚分布特征,验证了上述团聚现象的发生机理。

关键词：纳米二氧化钛团聚聚酰亚胺纳米复合薄膜反应分子动力学原位聚合法

聚酰亚胺薄膜局部放电频致拐点现象及形成机制

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中国电机工程学报 2017年第9期37卷 2750-2758页

作者：刘涛李庆民黄旭炜韩帅鲁杨飞鲁旭王忠东新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 北京市昌平区102206 中国电力科学研究院北京市海淀区100192 国网北京市电力公司石景山供电公司北京市石景山区100043 曼彻斯特大学电气与电子工程学院

局部放电是导致高频电力变压器绝缘劣化和失效的重要因素,为准确评估高频正弦波形下电压频率和温度对局部放电特性的影响,设计了高频局部放电测试系统,研究了聚酰亚胺薄膜在不同电压频率(0.5~40k Hz)和温度(30~200℃)下的局部放电相位... 详细信息

局部放电是导致高频电力变压器绝缘劣化和失效的重要因素,为准确评估高频正弦波形下电压频率和温度对局部放电特性的影响,设计了高频局部放电测试系统,研究了聚酰亚胺薄膜在不同电压频率(0.5~40k Hz)和温度(30~200℃)下的局部放电相位谱图、放电次数、放电幅值和绝缘寿命。实验发现,平均放电次数和幅值随电压频率的升高先增长后减小,存在"频致拐点"现象,且拐点频率随着温度的升高向低频段转移,而放电次数和幅值随温升单调增加。从空间电荷与放电特征参量的关联规律,以及温度对局部放电特性的影响机制分析着手,结合高频致热效应和电压频率对空间电荷耗散过程的影响,建立了"频致拐点"现象的数学模型,并揭示了其产生机制,为解释高频下的局部放电机制提供了理论依据。

关键词：高频局部放电拐点现象频率温度空间电荷聚酰亚胺