Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путей повышения эффективности эксплуатации скользящих контактов токосъемных устройств электротранспорта
1.1 Обзор скользящих контактов токосъёмных устройств 11
1.1.1 Условия работы и требования, предъявляемые к скользящим контактам 11
1.1.2. Классификация скользящих контактов по типу конструкции и материала 18
1.2. Токосъём в тяжёлых метеорологических условиях 25
1.3. Процессы фрикционного взаимодействия и токопрохождения в скользящих контактах 26
1.3.1. Влияние токовой нагрузки на фрикционные характеристики 26
1.3.2. «Электрический» износ тгри искро.— и дугообразовании 29
1.4. Спекание в присутствии жидкой металлической фазы 30
1.4.1. Процессы, протекающие при жидкофазном спекании 31
1.4.2. Спекающееся тело как капиллярная дисперсная система 34
1.4.3. Смачивание твёрдых тел жидкими металлами 36
1.5. Цель и задачи исследования. 40
2. Исследование технологических особенностей создания металлокомпозиционных материалов для скользящих контактов
2.1. Теоретические аспекты выбора материала для скользящих контактов 44
2.2. Исследование и обоснование материалов для скользящих контактов, эксплуатируемых в экстремальных условиях ...51
2.3. Исследование физико-химических и технологических свойств курейского графита 60
2.4. Особенности формирования структуры металлокомпозиционного материала на основе железа для скользящих контактов 67
2.5. Исследование химического состава поверхности контакта, подвергнувшегося воздействию электрической дуги 73
2.6. Разработка технологии изготовления скользящих контактов 74
2.7. Выводы 80
3. Экспериментальные исследования металлокомпозиционных скользящих контактов
3.1. Исследование физико - механических свойств металлокомпози-ционных скользящих контактов 82
3.2. Исследование эксплуатационных характеристик металлокомпози-ционных скользящих контактов 85
3.2.1. Стенд для исследований эксплуатационных характеристик пары «контактный провод - скользящий контакт» 85
3.2.2. Методика проведения стендовых исследований скользящих -контактов 89
3.2.3. Результаты экспериментов и их обсуждение 95
4. Исследование и разработка методов повышения эксплуатационных характеристик металлокомпо-зиционных скользящих контактов 107
4.1. Физико-химические свойства ультрадисперсного алмазографитового порошка 108
4.2. Исследование и разработка метода ультразвуковой пропитки скользящих контактов смазочным материалом с добавкой УДП-АГ 112
4.3. Стендовые исследование эксплуатационных характеристик пропитанных скользящих контактов 120
4.4. Производственные испытания 124
Заключение 131
Список используемых источников 133
Приложение 144
- Токосъём в тяжёлых метеорологических условиях
- Исследование и обоснование материалов для скользящих контактов, эксплуатируемых в экстремальных условиях
- Исследование эксплуатационных характеристик металлокомпози-ционных скользящих контактов
- Исследование и разработка метода ультразвуковой пропитки скользящих контактов смазочным материалом с добавкой УДП-АГ
Введение к работе
Повышение надёжности, экономичности и производительности машин, снижение их материалоёмкости и энергоёмкости непосредственно связаны с развитием фундаментальных и прикладных исследований в области трения, смазок и износа, поскольку именно подвижные сопряжения являются наименее надёжными элементами техники и вызывают огромные материальные и энергетические потери.
К одним из наиболее распространённых в технике подвижных сопряжений относятся скользящие электрические контакты. Особая сложность решения триботехнических проблем в скользящих электрических контактах обусловлена действием электрического тока, приводящего к ужесточению условий внешнего трения и изнашивания.
Электрические контакты, изготовленные из традиционных материалов (композиционные угольные и угольно-графитовые, электро-и металлографиты, медь и её сплавы и др.) не всегда отвечают требованиям к ним как с позиций обеспечения надёжности и долговечности токосъёмного узла в условиях ужесточения нагрузочных и скоростных режимов эксплуатации машин, приборов и аппаратов, так и в отношении дефицитности материалов, применяемых в токосъёмниках различного назначения.
Среди всего многообразия скользящих электрических контактов менее изученными являются скользящие контакты токосъёмных устройств городского электроподвижного состава типа "контактный провод-вставка контактная троллейбусная". Вопрос создания материалов для данного типа скользящих электрических контактов, которые удовлетворяли бы жёстким требованиям эксплуатации в экстремальных условиях (низкие температуры, повышенная влажность и т.д.) остаётся открытым.
При решении поставленной задачи использовались методы порошковой металлургии, которые благодаря значительному вкладу в их развитие отечественных и зарубежных учёных среди которых Р.А. Андриевский, В.Н.
Анциферов, Я.Е. Гегузин, Г.В. Самсонов, И.М. Федорченко, Айзенкольб, Джонс и др. позволяют получать разнообразные композиционные материалы, в которых присутствуют структурные составляющие, выполняющие строго определённые функции. Сочетание различных фаз в определённых количественных соотношениях и с определённым характером их распределения позволяет реализовать в подобных многофазных материалах свойства, недостижимые в материалах, получаемых традиционными способами.
Актуальность проблемы. Анализ условий работы показывает, что в отличие практически от всех городов России, городской электротранспорт, в частности троллейбусы, в Красноярске эксплуатируется в исключительно сложных климатических условиях. Так, высокая влажность воздуха, связанная с тем, что в черте города протекает незамерзающая р. Енисей, является причиной образования инея на контактных проводах в зимний период времени. Это приводит к образованию дуги между контактирующими поверхностями токосъёмного скользящего контакта (вставки контактной троллейбусной) и контактного провода в процессе движения троллейбуса, в результате чего происходит катастрофический износ вставок и контактного провода, в особенности при температуре ниже -20С. Кроме того, для Красноярска характерны значительные отличия зимней и летней температур и её резкие колебания в течение суток, особенно в весенний и осенний периоды (от плюсовой до минусовой и обратно). Высокая запылённость и загазованность агрессивными газами, наличие на контактной сети свыше 150 спецчастей (стрелок, переходов, стыков), часть из которых не отрегулирована или находится в неисправном состоянии, также отрицательно влияют на ресурс эксплуатации скользящих контактов. Проблема усугубляется ещё и тем, что зачастую Красноярское муниципальное унитарное предприятие «Горэлектротранс» (КМУП ГЭТ) вынуждено использовать скользящие контакты, изготовленные из несоответствующего условиям эксплуатации материала или по не совсем отработанной технологии. Такие скользящие
7 контакты либо не вырабатывают ресурс, либо приводят к ухудшению состояния поверхности медного контактного провода и ускорению его износа.
Аналогичная ситуация наблюдается в г. Братске и г. Иркутске, где протекают незамерзающие реки, и в них проблема эксплуатации троллейбусов является также актуальной.
В связи с этим задача по созданию токосъёмных скользящих контактов троллейбуса, которые имели бы достаточную прочность и износостойкость при эксплуатации в экстремальных условиях с минимальным износом провода контактной сети, является актуальной и требует скорейшего решения.
Работа выполнялась на основании договора о творческом сотрудничестве между Красноярским государственным техническим университетом, Институтом вычислительного моделирования СО РАН, Институтом химии природного органического сырья СО РАН, Красноярским муниципальным унитарным предприятием «Горэлектротранс» и Красноярской графитовой компанией «Континиум ЛТД» - поставщиком природного графита Курейского месторождения.
Цель работы состоит в теоретическом обосновании и разработке составов и технологии изготовления металлокомпозиционных скользящих контактов, обеспечивающих эксплуатацию троллейбусов в экстремальных условиях при минимальном износе контактного провода.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
1. Изучение закономерностей фрикционного взаимодействия и токопрохождения в скользящих контактах, а также особенностей их эксплуатации в экстремальных условиях.
Исследование основных электроконтактных материалов, используемых для изготовления скользящих контактов, и их физико-механических и эксплуатационных свойств. Выбор материала и обоснования его состава.
Разработка технологических параметров изготовления скользящих контактов с регулируемой структурой, обеспечивающей заданный уровень
8 физико-механических и эксплуатационных свойств при минимальном износе контактного провода.
Разработка методики и испытательного стенда для исследований физико-механических и эксплуатационных характеристик скользящих контактов в паре с контактным проводом в условиях, максимально приближенных к реальным.
Разработка методики и проведение эксплуатационных испытаний скользящих контактов при различных климатических условиях.
Оценка экономической эффективности от внедрения скользящих контактов в производство.
Научная новизна:
Установлено, что высокодисперсный порошок курейского графита, за счёт своей повышенной реакционной способности, позволяет обеспечить дополнительную защиту композита от внутреннего окисления в процессе спекания.
Поэтапное смешивание и низкотемпературное спекание позволяет компенсировать термодинамическую пассивность несмешивающихся компонентов и получать однородную микроструктуру с заданными физико-механическими свойствами.
Ультрадисперсный алмазографитовый порошок (УДП-АГ), получаемый из взрывчатых веществ, выполняет роль многофункциональной добавки, позволяющей уменьшить мощность искрения, электроэрозионные и тепловые воздействия на скользящий контакт в процессе эксплуатации.
Практическая ценность:
Предложен и обоснован состав металлокомпозиционного материала, отличающегося от известных тем, что в качестве одного из дополнительных компонентов в виде твёрдой смазки введён высокодисперсный порошок курейского графита.
Предложена методика оценки эксплуатационных свойств скользящих контактов в паре с проводом контактной сети.
3. Создан стенд, позволяющий проводить исследования эксплуатационных характеристик скользящих контактов в паре с контактным проводом в управляемом режиме, при различных значениях механических и электрических нагрузок. Стенд внедрён на Красноярском муниципальном унитарном предприятии «Горэлектротранс» с целью отбраковки партий скользящих контактов с пониженным ресурсом эксплуатации, а также в научно-исследовательскую работу и учебный процесс по дисциплине «Порошковая металлургия и композиционные материалы».
4. Разработана конструкторско-технологическая документация для организации производства скользящих контактов.
На защиту выносятся:
Качественные и количественные параметры исходных компонентов, позволяющие создавать композиционный материал для скользящих контактов, эксплуатируемых в экстремальных условиях.
Основные параметры процессов поэтапного смешивания и спекания при пониженных температурах, обеспечивающие скользящим контактам заданные физико-механические и эксплуатационные свойства.
Результаты экспериментального исследования влияния добавок УДП-АГ на улучшения эксплуатационных характеристик контактной пары «скользящий контакт-контактный провод».
Комплексная методика исследований эксплуатационных характеристик контактной пары «скользящий контакт-контактный провод».
Апробация работы:
Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Отдела машиноведения ИВМ СО РАН, на семинарах кафедры «Высокоэнергетические процессы обработки материалов» КГТУ, научно-технических советах Красноярского муниципального унитарного предприятия «Горэлектротранс» (КМУП ГЭТ), Всероссийской научно-практической конференции (Решетнёвские чтения) в 1998г. в г. Красноярске, на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием в 1999 г. в г.
10 Красноярске, на Второй межрегиональной конференции с международным участием в 1999 г. в г. Красноярске, на Второй Всероссийской конференции с международным участием в 2000 г. в г. Красноярске, на межрегиональной конференции в 2001 г. в г. Красноярске, Пятой Всероссийской конференции, проводимой в составе 1-го международного Аэрокосмического салона в 2001 г. в г. Красноярске.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 22 печатных работ, из них 3 статьи в центральной печати, 10 материалов конференций, 7 тезисов докладов конференций, 2 информационных листка ЦНТИ.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 14 таблиц, список литературы из 138 наименований.
Автор выражает глубокую признательность сотрудникам Красноярского государственного технического университета к.т.н., доценту Зеер Г.М., д.ф-м.н., проф. Корчагину А.И, к.т.н., доценту Гордееву Ю.И., руководству Красноярского муниципального унитарного предприятия «Горэлектротранс» Болотину В.Ф. и Плотникову Н.П. за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Токосъём в тяжёлых метеорологических условиях
Согласно 191 неблагоприятными для токосъема метеорологическими условиями являются низкие температуры окружающего воздуха, а также повышенная влажность при низких температурах, которая является причиной образования инея. В этих условиях ухудшается работа всех устройств контактной сети и происходит катастрофический износ контактной вставки.
Иней является главной помехой токосъему. Проблема усугубляется тем, что в черте г. Красноярска протекает река Енисей, который не замерзает зимой. Это является причиной высокой влажности воздуха, которая при низких температурах приводит на проводах к обильному инееобразованию. В зимнее время иней является проблемой в течение 1-1,5 месяца. Сложными климатическими условиями характеризуются еще два города - Иркутск и Братск. В этих городах проблема эксплуатации городского электротранспорта является также актуальной, как и в Красноярске.
Лёд имеет очень высокое электрическое сопротивление и поэтому покрытие проводов гололедными отложениями любого вида вызывает существенное ухудшение контакта между ними и вставкой. При движении троллейбуса отрицательное влияние инея (гололёда) на токосъем проявляется в сильном искрении, хорошо видимом даже в светлое время суток, результатом которого является резкое ухудшение поверхности провода и катастрофический износ контактной вставки.
Согласно источника /31/ токосъём при инее и гололеде существенно нарушается лишь у первых машин, выпущенных на линию после ночного перерыва, а у последующих это проявляется в меньшей степени, так как осадки при частом движении не успевают обволакивать контактные провода. Однако, как показал опрос, проведённый среди водителей троллейбусов депо № 1 и№ 2 г. Красноярска, иней является проблемой до 11-12 часов дня. Это объясняется тем, что при выезде первого троллейбуса часть инея действительно удаляется с контактного провода, а другая часть инея расплавляется электрической дугой и превращается в воду, которая в последствии замерзает, образуя наледь. И так продолжается до полного удаления инея с контактного провода.
В связи с этим в условиях низких температур необходимо устанавливать вставки, изготовленные из металлокомпозиционного материала на основе железа. Работоспособность вставок, изготовленных из данного материала в 5-7 раз выше, чем у углеграфитовых и алюминиевых /32, 33/. Прохождение электрического тока через скользящий контакт (СК) металл провода - самосмазывающийся композиционный материал в большинстве случаев сопровождается существенным изменением фрикционных характеристик /34-38/. Для углеграфитовых материалов увеличение токовой нагрузки приводит к уменьшению коэффициента трения, поэтому в ряде случаев говорят о «смазывающем» действии электрического тока, или о «смазке» током /38-42/. Анализ имеющихся данных показывает, что подобный характер влияния электрического тока на трение в наибольшей степени свойствен углеграфитовым материалам. Однако для многих марок металлосодержащих материалов падающая зависимость коэффициента трения от плотности тока менее выражена (иногда вообще не проявляется) /43-46/. На основании литературных данных /45, 47-52/ можно сказать, что для различных по природе контактных материалов возможны три основных вида зависимости коэффициента трения от тока: 1. Углеграфитовые материалы. Наиболее вероятной причиной снижения коэффициента трения и увеличение износа является тепловое воздействие электрического тока. Согласно /53-56/, локальные температуры, развивающиеся на пятнах контакта при прохождении тока, а также известный факт уменьшения прочности твёрдых тел с ростом температуры, можно полагать, что прохождение тока приводит к ослаблению связи между элементами структуры материала в микрообъёмах, прилегающих к площадкам реального контакта. В результате облегчается процесс разрушения поверхности контакта на части контактных пятен, где реализуется микрорезание. В то же время модуль упругости рассматриваемого материала, определяющий размер контактных площадок при упругой деформации, сравнительно мало зависит от температуры. Поэтому отсутствует существенное влияние электрического тока на фрикционное взаимодействие пары при реализации преимущественно упругого контакта. Таким образом, основным фактором, обусловливающим проявление эффекта «смазывания» для рассматриваемой группы материалов, является приводящее к обратимому ослаблению его структуры в микрообъёмах, прилегающих к контактным областям, и уменьшению работы сил трения на части контактных пятен, где реализуется режим микрорезания. Одновременно снижается величина предельного напряжения, приводящего к реализации микрорезания. В результате наряду со снижением трения в СК проявляется другой эффект - увеличение интенсивности изнашивания при увеличении плотности тока /57/. 2. Материалы с низкой тепло-и электропроводностью. Согласно работе /57/, исследования, моделирующие влияние электрического тока на элементарные акты фрикционного взаимодействия, показали, что для каждого типа материала существует предельное значение плотности тока на контактных пятнах. При достижении предельной плотности тока ширина дорожки трения резко возрастает, исчезает четкость ее очертаний, трение становится неустойчивым. Очевидно, что в этом случае выделение джоулева тепла приводит к разрушению связующего скелета материала в области, прилежащей к пятну контакта, вследствие чего теряется его монолитность. Для контактных материалов «горячего прессования» с однотипным связующим (фенольно-формальдегидные смолы) значение критического тока тем ниже, чем выше количество связующего, т.е. ниже тепло- и электропроводность. Согласно результатам, полученным в работе /56/, в случае рассматриваемой группы материалов при плотностях тока выше критической большинство контактных пятен достигает значений, достаточных для интенсивной деструкции связующего. Разрушение связующего скелета в микрообъёмах поверхностного слоя, прилегающего к контактным площадкам, ведёт к ослаблению связи между частицами наполнителя и их более лёгкому удалению, чем объясняется интенсификация износа. Уменьшение величины сопротивления на сдвиг материала в поверхности является причиной снижения коэффициента трения. Таким образом, для композиционных материалов с низкой термической стойкостью и электропроводностью фрикционное поведение СК определяется интенсивностью разрушения связующего в поверхностном слое контактного материала под действием джоулева тепла.
Исследование и обоснование материалов для скользящих контактов, эксплуатируемых в экстремальных условиях
В течение длительного периода времени в Красноярске эксплуатировались вставки, изготовленные из материала на основе алюминия (9,3-10 % Sn, 6,7-7,7 % Си, 2,0-2,3 % Si, 0,5-0,8 % Zn, 0,7-2,6 % Mg, 0,1-0,14 % Мп, остальное Al), со следующими основными физико-механическими характеристиками: 1. Удельное электрическое сопротивление - 3 Ом-мм2 / м; 2. Временное сопротивление, - 210 МПа; 3. Твёрдость вставок, НВ - 90... 95; 4. Плотность материала - 2,77 г / см ; Однако, как показал опыт эксплуатации данного типа вставок, при этом наблюдался повышенный износ контактного провода.
Это объясняется тем, что твёрдость вставки соизмерима с твёрдостью контактного провода. Кроме того, в процессе изнашивания возможно образование продуктов износа, характеризующихся высокой твёрдостью и играющих роль абразива. На работоспособность вставок на основе алюминия также отрицательно влияют пониженные температуры, иней и изморозь, образующиеся на контактных проводах. В этих условиях работа вставок сопровождается весьма интенсивным искрением и дугообразованием. Происходит оплавление контактной поверхности, вызывающее катастрофически быстрый износ вставки и контактного провода. Кроме того, в процессе эксплуатации вставок происходит намазывание материала вставки на контактный провод, что в свою очередь приводит к схватыванию однородных материалов, с последующим вырывом. Это приводит к ухудшению качества поверхности трения и увеличению механического износа. В связи с этим задача по созданию вставок, которые имели бы достаточную износостойкость при эксплуатации в экстремальных условиях с минимальным износом провода контактной сети. Анализ условий работы показал, что вставки будут эксплуатироваться в сложных климатических условиях (высокая влажность, низкие температуры, запыленность и загазованность атмосферы), поэтому к ним предъявляются более жесткие требования, чем к обычным скользящим контактам. Проведённый анализ научно-технической и патентной литературы показал, что для изготовления вставок наиболее часто используются углеграфитовые и металлокомпозиционные материалы на основе железа, которые наиболее полно удовлетворяют предъявляемые к ним требования с точки зрения эксплуатационных свойств и стоимости изделия. На первом этапе работы вставки изготавливались из материала на основе графита, так как он обладает высокими антифрикционными свойствами. Благодаря значительным силам молекулярного сцепления с металлами, графит образует на их поверхности плёнку, которая сохраняет кристаллическую структуру и предохраняет от износа, как саму вставку, так и контактный провод. Углеграфитовые вставки изготавливались двух видов: 1. Из отработавших контактных пластин пантографов электровозов (изготовленных по традиционной электродной технологии) путём механической обработки. 2.
На основе природного графита Курейского месторождения методом горячего прессования следующего состава: Природный графит Курейского месторождения - 80% Фенольное связующее (пульвербакелит СФП-015А) - 20% Вставки, изготовленные по первому способу, имеют в своем составе в основном порошки кокса, сажи, графита и специальные добавки, смешанные со связующим в виде смолы и пека.
Процесс изготовления вставок начинается с приготовления порошков мелкой фракции и перемешивания их в специальной мешалке. Повторное перемешивание с добавкой связующих производится в мешалке с обогревом. После перемешивания либо выгружают полученную массу, дают ей остыть, размалывают, просеивают и прессуют в виде блоков нужного размера при удельном давлении прессования 1500-2300 кг/см , либо при помощи пресса выдавливают полученную в мешалке массу через мундштук нужной формы и размера в виде стержней. Остывшие стержни, как и блок, полученные прессование, подвергаются обжигу в кольцевых печах в течение длительного времени при температуре свыше 1000 С. Полный цикл - от загрузки вставок в печь до их выгрузки (подогрев, обжиг, выдержка, остывание) составляет 18-20 суток. Обжигаемые блоки защищают от обгорання и окисления кессонами, изготовленными из огнеупорного материала, и засыпаются угольным порошком. В процессе обжига состав вставок меняется вследствие образования кокса из связующих и удаления летучих веществ. После обжига производится электрографитация вставок, заключающаяся в прокаливании их до температуры около 2500-3000С в специальных электрических печах сопротивления. При прокаливании происходит рост кристаллов графита и испарение примесей. В результате электрографитации уменьшается коэффициент трения и удельное сопротивление, но при этом несколько уменьшается твердость вставок.
Исследование эксплуатационных характеристик металлокомпози-ционных скользящих контактов
В последние годы отмечается заметная активность исследований в направлении разработки новых электроконтактных материалов, а также в области триботехники и трибологии скользящего контакта, в особенности применительно к высоким скоростям скольжения. Эти исследования ставят своей целью создание композиционных электроконтактных материалов, обладающих заданным комплексом свойств для обеспечения работоспособности токосъёмных устройств /123/. В связи с этим, существенное значение приобретают вопросы расчётного и экспериментального определения рабочих характеристик электроконтактных пар токосъёмных устройств (фрикционно-износные характеристики, температура на скользящем контакте, контактное электросопротивление). Следует отметить, что вопросы оценки и прогнозирования рабочих характеристик электроконтактных материалов стоят достаточно остро, поскольку натурные испытания многих токосъёмных устройств, в частности контактных троллейбусных вставок, являются очень трудоёмкими и дорогостоящими. Поэтому основную часть исследований по оценке работоспособности контактных пар целесообразно выполнять на лабораторных установках. К настоящему времени разработано достаточно большое количество установок для испытания на трение и износ материалов, идущих на изготовление щёток электрических машин, вставок токоприёмников электротранспорта, а также других видов скользящих электрических контактов. Однако недостатком таких установок является то, что они не позволяют проводить испытания вставок в паре с контактным проводом и моделировать токосъём в сложных климатических условиях (иней, высокая влажность, загазованность), приводящих к катастрофическому износу за счёт дуговых пробоев большой мощности /77, 78, 124/.
В результате чего возникают значительные температурные градиенты в материале, приводящие к термоупругим разрушениям, которые могут значительно превышать электроэрозионный износ при работе на постоянном токе. В связи с этим, в проблемной научно-исследовательской лаборатории ультрадисперсных материалов КГТУ и отделе машиноведения института вычислительного моделирования СО РАН, при содействии Красноярского муниципального унитарного предприятия «Горэлектротранс» был разработан и изготовлен стенд /125-127/ (рис. 3.2.), позволяющий испытывать на износ вставки в паре с контактным проводом. Результаты испытаний позволяют сделать выводы о пригодности вставок различного состава к эксплуатации и их воздействии на контактную сеть. На стенде можно проводить испытания с широко изменяющимися значениями скоростей скольжения, величин силы тока и нагрузок на контактную пару, как в форсированном режиме, так и в условиях, максимально приближённых к реальным. Стенд смонтирован на базе универсального токарного станка, в центрах (патроне и вращающемся центре задней бабки) которого установлен (рис. 3.3.) узел крепления контактного провода, состоящий из вала 1 и диска 3, к которому кольцом 4 прижимается контактный провод 5. Вставка 2 закрепляется в башмаке 6, который крепится к коромыслу 7. Коромысло, состоящее из двух стержней, соединённых между собой шарниром, зажимается в резцедержателе. Для подачи нагрузки на вставку предусмотрен специальный стержень 8 с грузом 9.
Принцип работы стенда заключается в следующем: вставка 2 прижимается к вращающемуся контактному проводу 5 через коромысло 7 грузом 9. Величина нагрузки может меняться от 1 до 30 кг. Диск 3 приводится во вращение с помощью шпинделя с числом оборотов от 12,5 до 2000 об/мин, что соответствует скорости скольжения вставки по контактному проводу в пределах от 0,2 до 35 м/с (от 0,72 до 120 км/час). Для исследования влияния электрического тока на износостойкость пары «контактный провод-вставка» разработана электрическая схема, обеспечивающая подачу на вставку как постоянного тока (от 0 до 300А), так и импульсного тока (от 0 до 3 кА). Длительность импульса составляет 500 мкс, максимальная частота следования импульсов 50 Гц. Плавная регулировка тока достигается при помощи переменного автотрансформатора Ц. Импульсы тока формируются благодаря разрядке конденсаторов С\, Сг, Сз при помощи тиристора К. В данной схеме для наблюдения за формой импульсных токов применён константановый шунт R, с помощью которого кроме измерения силы Схема стенда для совместного испытания на износ пары «контактный провод-вставка троллейбусная» тока оценивается с достаточной точностью сопротивление образца и его температура. Подача импульсного тока позволяет моделировать поведение вставки в условиях инееобразования на контактном проводе. Износ образца определяется методами измерений линейного износа, объёмного износа, взвешивания, а контактного провода - методом микрометрирования, методом вырезанных лунок и взвешивания. Чтобы воспроизвести условия повышенной влажности и запылённости, устанавливается специальная бюретка таким образом, что вода (суспензия) из неё попадает в место контакта вставки и контактного провода.
Исследование и разработка метода ультразвуковой пропитки скользящих контактов смазочным материалом с добавкой УДП-АГ
Проведённые стендовые и производственные испытания показали, что пробег разработанных металлокомпозиционных вставок в экстремальных условиях значительно выше пробега вставок, изготовленных из других типов материалов. При этом износ контактного провода значительно меньше допускаемого значения. Однако износостойкость разработанных вставок не отвечает требованиям ТУ. Согласно ТУ16-538.034-75 пробег вставок должен быть не менее 2000 км (в сухую погоду при отсутствии эксцентричного смещения провода на стыках), тогда как пробег разработанных вставок составил 1100-1200 км (в экстремальных условиях). Для повышения износостойкости вставок применяли пропитку минеральным маслом. С целью улучшения защитных свойств масла в него вводили УДП-АГ. Согласно /136/ антифрикционные свойства ультрадисперсных порошков максимально проявляются при их размерах до 500А. Однако размеры частиц УДП-АГ значительно меньше, они неустойчивы и склонны к грануляции, пока их поверхность не модифицирована мантией поверхностно-активных веществ /137/. Поэтому простое перемещение, даже в высокоинтенсивных режимах, не способствует разрушению крупных агрегатов и соответственно не реализует преимущества высокодисперсной углеродной присадки. Поэтому, чтобы обеспечить надежное разрушение конгломератов ультрадисперсных алмазографитовых частиц, пропитку вставок осуществляли методом ультразвукового воздействия.
Вставки пропитывали как чистым маслом И-20А, так и масляной суспензией с различной концентрацией УДП-АГ. Результаты пропитки сведены в таблицу 4.2. Пропитку проводили с частотой 22 кГц и мощностью 15 Вт/см в течение 30 мин. Превышение удельной мощности приводит к тому, что основная часть ультразвуковой энергии превращается в тепловую и вызывает резкий перегрев масла, связывание высокодисперсных порошков и выпадение в осадок не растворимого в масле вязкого продукта. Воздействие ультразвуковых колебаний с высокой энергией в течение 30 мин обеспечивает изменение дисперсности гранул 5-Ю мкм до 0,1-0,03 мкм. Увеличение времени диспергирования не приводит к дальнейшему уменьшению размеров частиц, так как они являются предельными для алмазографитовых ультрадисперсных порошков. По результатам пропитки рассчитывались параметры, характеризующие эффективность пропитки (массовую масловпитываемость, объёмную масловпитываемость и коэффициент заполнения пор). Массовую и объёмную масловпитываемость определяли по формулам Результаты расчёта сведены в таблицу 4.3. и по ним построен график зависимости коэффициента заполнения пор от концентрации УДП-АГ в масляной суспензии (рис. 4.3.). Анализ результатов пропитки показал, что пропитываемость вставок зависит от концентрации УДП-АГ в масле (рис. 4.3.). Из рисунка видно, что по мере увеличения концентрации УДП-АГ, пропитываемость увеличивается и при достижении 3,5 % наблюдается максимум содержания масла в порах. Однако, при дальнейшем увеличении концентрации УДП-АГ, пропитываемость вставок уменьшается, и при концентрации 7 % количество масла в порах меньше, чем при пропитке чистым маслом. Эффект увеличения пропитываемости вставок маслом при добавке в него УДП-АГ вероятнее всего объясняется следующим образом.
Как известно /122/, в основе ультразвуковой пропитке лежит звукокапиллярный эффект. Существуют различные представления относительно механизма звукокапиллярного эффекта, однако наибольшее распространение получил гидродинамический /122/, заключающийся в том, что проникновение и подъём жидкости в порах происходит под действием микроструй, образовавшихся при захлопывании кавитационных пузырьков. В случае добавки в масло УДП-АГ, частицы, попадая со струёй масла в поры, не дают ему вытекать обратно в промежутке времени между двумя последовательными попаданиями струй масла, тем самым, способствуя более полному заполнению пор. Иными словами, частицы УДП-АГ играют роль клапана, пропускающего масло только в одном направлении, так как давление струи значительно больше капиллярного, которого недостаточно для вытеснения частиц УДП-АГ из пор. При концентрации частиц УДП-АГ в масле менее 3,5 %, их оказывается недостаточным для удержания масла внутри пор, в результате чего часть масла вытекает и наблюдается меньшая пропитываемость вставок. А в случае концентрации частиц УДП-АГ более 3,5 % наблюдается частичное закупоривание пор на входе, и как следствие, уменьшение пропитываемости вставок. По результатам проведенных исследований наиболее оптимальной является концентрация УДП-АГ в масле 3,5 %.
