Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием

Проблема создания электрических контактов твердых тел, обеспечивающих надежную коммутацию электрических цепей, появилась одновременно с возникновением электротехники. Создание первых электрических машин обусловило практическую необходимость разработки надежного скользящего электрического контакта. Развитие электротехники и радиотехники, появление электронных схем, устройств автоматики и телемеханики привели к необходимости широкого использования разъемных, разрывных и скользящих контактов: контактов реле, низковольтных и высоковольтных электрических аппаратов, реостатов, потенциометров, разъемов электронных схем и т. д. Условия окружающей среды, в которой эксплуатируются электрические контакты, включают и космический вакуум, и температуры в сотни градусов Цельсия, требования по стабильности и надежности контакта также качественно различны (достаточно сравнить, например, требуемую надежность бытового штепсельного разъема или коллектора микродвигателя в системе управления ракеты). С появлением новых типов техники условия эксплуатации электрических контактов все более ужесточаются. Так, токосъемы новых униполярных электромал шин должны пропускать токи в сотни и тысячи А/см, а монорельсовые поезда требуют токосъемов, способных работать при скоростях более 100 м/с [ 2, 3].

Несмотря на попытки перейти в ряде электротехнических устройств к электрическим бесконтактным схемам, надежность и стоимость последних не дают возможности предвидеть сужение области применения электрических контактов в ближайшем будущем.

Особое внимание заслуживают скользящие электрические контакты, прохождение тока в которых неразрывно связано с процессами трения и изнашивания. В тоже время в научной литературе проблема скользящего электрического контакта с точки зрения современного уровня науки о трении, смазках и изнашивании широко не рассмотрена.

В значительной степени решение этой проблемы зависит от качества и устойчивости технологических процессов получения исходных материалов, способов и условий обработки, сборочных операций методов контроля и испытаний готовой продукции. Так, в процессе механической обработки деталей происходит деформационная активация поверхности твердых тел, в результате чего, даже при одинаковой микрогеометрии, но полученной разными способами, служебные свойства поверхности могут резко отличаться. Возникает дополнительная проблема, обусловленная влиянием технологической наследственности, требующая учитывать «историю» и «биографию» исходных материалов [2, 3]. Разнообразие требований к контактам обусловило необходимость применения проводящих материалов — от графита до рения.

Для современной крупной электрической машины постоянного тока потери в щетках достигают 0,5% общей мощности. Только электрический транспорт железных дорог нашей страны потребляет около 5% всей электроэнергии и значительная часть ее расходуется в скользящих контактах токосъем — провод и коллектор — щетка.

Наконец, одни и те же способы и режимы обработки, методы контроля и испытаний могут привести к различным результатам при различии внешних условий, рода и состояния окружающей среды.

Все эти факторы должны учитываться при решении проблемы надежности, которая не может быть обеспечена только за счет материалов, конструкции или технологии и требует комплексного подхода.

Большой вклад в развитие путей повышения надежности и качества работы электрических контактов различных типов внесли отечественные и зарубежные учёные: И. А. Беляев, Г. Н. Братерская, А. В. Гринек, Ю. Е. Купцов, В. Г. Куранов, П. С. Лившиц, В. В. Михайлов, К. Мерл, В. И. Нэллин, Б. В. Протасов, И. И. Туктаев, А. С. Фиалков, Г. Н. Фридман, Фюри, Хисакадо, Р. Хольм, А. В. Чичинадзе, Шоберт и др.

Несмотря на многочисленные проведенные исследования, существует значительный разрыв между инженерной практикой, широко использующей эмпирически найденные методы конструирования и оптимизации характеристик контактов, и теорией, связывающей триботехнические и электромеханические характеристики контактов. Следует отметить, что большое количество работ было выполнено специалистами в области электротехники и в них глубоко рассматривались процессы и явления электрической природы и не учтены механические (технологические). В связи с этим актуальность рассмотрения три-ботехнических аспектов работы электрических контактов не снижается, а возрастает. Поэтому создание электрических контактов, обеспечивающих надежность и долговечность скользящего соединения, является актуальной научной задачей.

В связи с изложенным выше была поставлена цель работы — повышение качества работы и долговечности скользящих электрических контактов за счет формирования контактного слоя поверхностным пластическим деформированием.

Для достижения поставленной цели в данной работе:

— изучены процессы, протекающие в электрических контактах;

— выделены основные параметры, влияющие на качество работы скользящих электрических контактов;

— исследовано влияние поверхностного слоя скользящих электрических контактов, полученного разными способами обработки, на стабильность переходного сопротивления;

— определен эффективный способ и режимы обработки скользящих электрических контактов;

— исследовано влияние поверхностного слоя скользящих электрических контактов на износостойкость поверхности.

В первом разделе диссертации рассмотрены типы электрических контактов, виды износа, факторы, влияющие на контактирование, приведены основные материалы, из которых изготавливают электрические контакты, способы изготовления и повышения их надежности, выделены основные проблемы, возникающие при работе скользящих электрических контактов, поставлена задача исследования.

Во втором разделе диссертации с использованием некоторых допущений разработана математическая модель процесса контактирования скользящих электрических контактов. На основе конечно-элементного моделирования определена фактическая площадь контакта. По фактической площади контакта определена величина переходного сопротивления.

В третьем разделе работы приведены экспериментальные результаты исследований по выявлению влияния различных способов обработки и их режимов на величину переходного сопротивления скользящих электрических контактов, позволяющие оценить теоретическую модель процесса контактирования.

В заключительной части работы представлены исследования влияния способов обработки контактной поверхности на износостойкость. Даны технологические рекомендации по применению способов и режимов обработки скользящих электрических контактов для обеспечения более стабильного процесса контактирования.

По результатам выполненных исследований автор выносит на защиту следующие положения:

— математическую модель электрического контакта, — учитывающую микрогеометрию контактируемых поверхностей и усилия прижима контактов;

— результаты исследований по влиянию способов обработки на переходное сопротивление скользящих электрических контактов;

— результаты исследований по влиянию состояния поверхностного слоя полученного в результате обработки на износ скользящих электрических контактов;

— рекомендации по отделочно-упрочняющей обработке контактов поверхностным пластическим деформированием.

Общие выводы по работе.

В результате выполнения данной работы были получены следующие результаты:

1. На основе теории малых упруго-пластических деформаций и метода конечных элементов разработана математическая модель скользящего контакта, обеспечивающая расчет фактической площади контакта и переходного сопротивления с учетом микрогеометрии контактирующих поверхностей и усилия прижима.

2. По результатам численных расчетов установлено влияние микрогеометрии контактной поверхности на величину переходного сопротивления. За счет снижения высоты микропрофиля, шага по средней линии и увеличения радиуса при вершине можно снизить переходное сопротивление скользящих контактов в 3−4 раза.

3. На основании численных и экспериментальных исследований установлено, что обработка скользящих электрических контактов поверхностным пластическим деформированием по сравнению с обработкой шлифованием позволяет получить электрические контакты с переходным сопротивлением меньшим на 25−30% и износостойкостью большей на 30−35%.

4. Установлены режимы поверхностного пластического деформирования, обеспечивающие наименьшее переходное сопротивление скользящих электрических контактов. Так, натяг при обработке медных контактов роликом должен составлять 0,1−0,15 мм, относительное обжатие при охватывающем упрочнении — 1,5−2,0% при обработке меди и 1,2−1,6% при обработке стали.

5. Технологическая смазка как при охватывающем деформировании, так и при операции полирования оказывает отрицательное влияние на качество работы скользящих электрических контактов. Этот вывод подтвержден результатами ИК-спектроскопии рабочей поверхности контактов, в которой обнаружены органические соединения.

6. Установлено влияние следа обработки скользящих контактов на величину переходного сопротивления. Совпадение движения электрических контактов с направлением обработки обеспечивает более низкое переходное сопротивление по сравнению с контактами, у которых направление следа обработки и движение контакта не совпадают.

7. По результатам экспериментальных исследований выявлено, что снижение шероховатости контактов, обработанных резанием, способствует уменьшению переходного сопротивления. Для данного вида обработки наблюдается устойчивая, достаточно высокая степень корреляции между величиной переходного сопротивления и шероховатостью контактируемых элементов.

8. Экспериментальными исследованиями установлено, что износостойкость скользящих контактов, обработанных поверхностным пластическим деформированием, на 20−25% превышает долговечность контактов, обработанных шлифованием.

9. По результатам выполненных исследований разработаны рекомендации по способам и режимам обработки поверхности скользящих электрических контактов. Ожидаемый экономический эффект от внедрения технологических разработок на ОАО «ИркутскНИИхиммаш» составит около 119 тыс. руб. в год.