Введение к работе
Актуальность работы. Развитие техники предъявляет возрастаю-" щке требования к надошюсги и долговечности электрических контактов. Одним из путей решения этой задачи является применение жидко-металлических контактов (2-Ж). Они обладают калым переходным электрическим сопротивлением, хорошими возможностями охлаждения, не подвержены свариванию при больших токах и температурах, а такта влиянию вибраций. Малое контактное наяагае позволяет существенно упростить приводные механизмы и снизить износ контакт-деталей.
В настоящее время дМК находят широкое применение в системах электролиза, в шщних жидкометаллических насосах, электромагнитах, ускорителях алекентарных частиц, сверхпроводящих системах, униполярных генераторах, коммутационных аппаратах на десятки и сотни килоамлер, а также в разнообразных герметизированных контактах релейного диапазона токов.
Однако, несмотря на очевиднее преимущества МК, производство контактних устройств на их основе сдерживается отсутстакем достаточно полных исследований контактирования твердых контакт-деталей при использовании промежуточной зддковдталлической среды, фрикционных и электрических характеристик З.Ж, отсутствием методик определения этих свойств и методик выбора оптимальных компонентов трибологическои системы скользящего 2Ж при граничном треіпш. 0
На частичное восполнеіше указанного пробела направлена настоящая работа, в которой получены результаты, необходимые для совершенствования существующих и разработки, нов ых-более эффективных ЕЖ.
Цель и основные задачи работы. Целью работы является создашга инженерных 'методик расчета фрикционных и электрических характеристик яидкометаллических контактных узлов и выбора оптимальных материалов контакт-деталей и ЕМсред на основе теоретических и экспериментальных исследований фрикционного взаимодействия'в. скользящем МС с промежуточной галлийсодаржаз'ай средой.
Для достижения этой цели били поставлены следующие основные
задачи:
1, Создание специальных экскери.т'тглькдо'^стыгоуок " ;«отод;;к
для комплексного изучения тренля,. износа а электропроводности
скользящих КК.
2. Теоретические и экспериментальные исследования факторов, :
определяющих фрикционные и электрические характеристики кбнтактно-
го взаимодействия твердомзталлических контакт-деталей через проме-
зкуточную галлийсодержащую 2Лсреду.
3. Разработка научно обоснованных рекомендаций по подбору материалов пар трения и промежуточных сред скользящего IKK.
Научная новизна.' В результате теоретического и экспериментального анализа факторов, определяющих фрикционные и электрические свойства единичного и множественного контактного взаимодействия твердошталлических контакт-деталей через промежуточную галлийсодержащую ЕЛсреду установлено рвиаэцее влияние физико-механических свойств поверхности твердометаллических контакт-деталей на границе с аидким металлом и инертной рабочей средой.
Влияние контактного давления, гашрогеоыегрки поверхности твердых контакт-деталей и температуры на величини коэффициента трения, интенсивности изнашивания и контакти./о сопротивления незначительно.
Показана возможность получения практически нулевого переходного контактного сопротивления на грашще жидкий металл / твердый електрод для ряда контактных материалов кек в статике, так и в динамике.
Разработана аппаратура для определения контактного сопротивления галлийсодержащх ІКсред при различных температурах, получены уравнения температурних зависимостей удельного электрического сопротивления ІІЛсред различного, состава,
.Показана необходимость использования в рокиме граничного трения в качестве контакт-деталей антифрикционной пари материалов, не взаимодействующих с жидким металлом..
Определенн параметры адгезионной составляющей удельной силы трения и электрическое сопротивление едшшцы площади для ряда контактных пар с промежуточной галлийсодержащеи И.'средой.
Показано, что переходное сопротивление в скользящем МК определяется окисныш пленками и посторонними загрязнениями на границе жидкий металл / твердый электрод.
Обнаружено явление нарушения сплошности Насреда на дорожке трения, находящейся под слоем инертной жидкости. Определены рабочие среды, исключавшие нарушение сплріаности. Установлено, что в таких средах частиціі износа, распределяясь в объеме жидкого металла и инертной рабочей среды, не влияют на проводимость скользящего зшк.
Изучено влияние контактной нагрузки и температуры на электрические и фрикционные характеристики к/шпозишюшшх ZMK на основе
пористого твердого каркаса, пропитанного ЕЛсредоіі, разработанных
Институтом проблем материаловедения АН Украйни и Московским онер-'
гетачеекпм институтом. ' "
Практическая полезность. Разработали методы исследований и экспериментальное оборудование для комплексного изучения триботвх-! ішческих, физпко-мохаїшчесзих, электрических сеоііств 1'3,Ж о галлий-содоржздей промежуточной средой и целенаправленного улучшения их зксплуатациоіших своі'.ств .
. Предложен критерий выбора оптимальних Ніорсд применительно к конкретним условия:.; работы и путл реализации граничного трения в скольз.чдег. -її,К. Реализован простої! способ гредэкоплуатащюнноп под-готобки контактних поверхностей микрорезаниєм под слоеи жидкого металла, в т.ч. для ко:.шозлщюшшх ЕЖ. В соединениях с промежуток нон Шсредоіі достигнуто сопротивление на 2-3 порядка меньше, чем в традициошшх твердометаллдческих.
Выполнен расчет силы трения и контактного сопротивления три-босопрлт.еішіі с галліііісодертащой промежуточно S средой, что позволяет обоснованно подойти к конструировании токопроводящих контактных узлов с использованием ІЇ.К с заданными' эксплуатационными свойствами.
Г0каэана возможность разумного сшгашия требований к качеству обработка поверхностей контакт-деталей, что позволило конструктивно упростить приводные и крепекные узлы токопроводящих трибосопр^я-лениіі с сохранением качества передаваешго электрического сигнала дшш при наличии вибраций и температурных деформаций узла.
Разработаны рекомендации го защите промежуточной Шсредн скользящих контактов от окисления слоем инертной жидкости, что позволяет расширить области применения ЗЖ и увеличить срок службы существующих негерметизкрованных конструкций токопроводящих узлов.
Созданы новне конструкции токопроводящих узлов с ЗЫК для ускорения сборки-разборки соединений шидапроводов электролизеров /А.С. Г.' 1525763, й IS74279/, коммутации цепей электролизеров /А.С. !Ь 1588296/, коммутации силових цопай и цепей управления^ /А.С. й IS59324/, способные обеспечить надотаую работу энергоустройстн на десятки килоампер.
Реализация работа. Рекомендации по повиионии'надежности и долговечности контактных соединений надми применение при эксплуатации, ремонте и восстановлении разъемов силовых электроцепей и цепей управления энергооборудования большой мощности. Годовой
экономический э&гдат от внедрения составил 240 тнс.рублей.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуядены на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: І. НТК "Пути повышения качества к надежности скользящих электрических контактов", г. Симферополь, 1988 г.; 2. 1-ой НТК молодих ученых и специалистов КПИ "Перестройке - энтузиазм и творчество молодых", г.Калинин, IS88 г.; 3. Йколэ-секкнаро "Электрические контакте, физические явления. Материалы", г. Одесса, 1988 г.; 4. Школе-семинаре "Электрические контакты и электроды. Материалы, физические процессы", г. Одесса, 1990 г.; 5. 2-ой НТК молодых ученых и специалистов ТвеПИ, г. Тверь, 1991 г.; 6. Всесоюзной НТК "Износостойкость машин", г. Брянск, І99І г.; 7. Юбилейной 20-ой научно-технической конференции-школе "Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров", г. Гомель, 1991 г.; 8. 5-ой НТК, "Триботехника -машиностроению", г. Н.Новгород, 1991 г.; 9. Всесоюзном с мевдуна-роднда участием постоянно действующем семинаре "Создание, испытание, диагностика и надежность трибообъекгов", г. Ростов, Ярославской обл., 1991 г.; 10. Межреспубликанской НТК "Качество.и наличность узлов трения", г. Хмельницкий, 1992 г.; II. 2ІУ, ХУ, ХУІ, ХУЛ, ХУШ'НТК профессорско-преподавательского состава Тверского лояитс."-пическі .'о института.
Публикации. Но результатам вшюлнонних исследовании опуйлико-вано.12 научных статей, получено 4 авторских евндетельстпа по заявкам на изобретение. , Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литературы и приложения.
Введение включает обоснование актуальности теаы работы, и,1' л-тическую полес-яооть для народного хозяйства и основное задачи исследования.
Первая глава содержит анализ современных взглядов на природу жидкометаллического контакта, специфические особенности трения, износа и механизма алектрической'проводимости СШЖ. Значительный вклад в развитие теории и исследования физико-механических свойств UK внесли отечественные ученые Б.Л.Алиевский, А.Д.Еаринберг, А.И.Бертинов, В.Л.Беляав, О.Б.Брон, В.В.Вячкио, А.Г.Годолло, В.Г.Дегтярь, В.-О.С.Зарецкао, А.В.Иванов, Ю.Ю.Каунас, Н.Е.Лысов, О.ЯгНовиков, Г.Н.Перелыитейн, Н.Н.Полов, В.В.Танаов и зарубскные
ученью П.Клаудн, Т.дррлеа, А.Личев, Т.Цутия, іС.Ваґ.ян, Х.ІАплер, в работах которых разработаны методы расчета основних характеристик контактов жидкий метала / твердий электрод кап на оригиналь-h:jx моделях, таг, и з реальній конструкциях токопроводящих контактній узлов.
Обобщение иуекшіхсл результатов исследовании фкзкко-кохани-чоских свойств и эксплуатационных характеристик легкоплавких мо-т алло в по слодуїзсм критерия:,!: рабочий диапазон температур, иинл-;.;альігае :.:ехакичоскио потери л контактное сопротивление, стабильность свойств, безопасность в обслуживании, технологичность в изготовлении и эксплуатации контактных узлов, недефицитиость позволило сделать впьод о наибольшей пригодности дія скользящего элек-трлчесіхзго контакта галлия и эвгекпш на его основа. Применение гаддпйсодер:;!а;дих материалов в качество промежуточной среды основывается па теории и практике триботехники электрических контактов.
Еолкіоц вклад в развитие современных представлений о влиянии различных факторов на работоспособность электрических контактов, связи фрикционных: характеристик контактов о их эксплуатационными свойствами внесли работы Г.Н.Ератерской, В.Я.Берента, Н.А.Еуше, Н.Б.демккна, Н.Н.Дзокцера, Б.З.Измайлова, Ьі.А.Короткова, В.3.Конница, В.Г.Куранова, И.К.Мьшкина, Л.БЛичннадзв, а такхе Р.Хольма, К.Мано, 5.;,:ерла, Х.Хефта.
Анализ литературных данных показывает, что на современном ** этапе исследовашШ токопроводящих контактных узлов основная проб-лема-обеспечить сочетание требуемых антифрикционных и электрических свойств.
CyaiecTBSHiib'ii прогресс в области скользящих электрических контактов ко;хст бить достигнут за счет использования композиционных НЛК, разработка я производство которвх осуществляется з сотрудничестве Институтов проблем материаловедения АН Украины и .Московским энврге-тичоскининстатутам. Однако отсутствие комплексных исследований ^ фріікционнкх и электрических свойств комп6зиционных"катёрйалов,вли-ягсіо различных факторов на трение .износ я электрическое коптактз-розашо, ска слеш: -ядкого коталло при граничном трении ограничивает использование таких материалов в практическом слекгрсалпаратостро-еш:п.
Анализ вь'шшюншх работ показал, что недостаточно полно изучены особенности сказочного действия геллийсодержащих материалов, нет реко.тендаи'лп по вибору жидкого металла и контактирующей
-y6-
твердометалдическоп пари для узлов трения токопроводяїдих устропотв,
недостаточно исследовано влияние процессов трения ц износа на
электрические характеристики 71%,- нэ разработаны научиш принципи
конструирования и расчета устройств с їїро;.;е;хугочноіі галлипсодер-
жащаіі средоіі, работающих в резимс граничного трекпя, кало исследо
вано влияние окисления на электрические и сТ-рикцдонние характерис
тики скользящего ІГ.К и способы задам от окисления жидюго метал
ла. '
На основании этого анализа сформулированы цель работы и основино задачи исследований.
Вторая глава посвящена анализу факторов, определяющих фрикционные и электрические характеристики скользящего 2ЛК. Рассмотрен механизм проводимости контактов твердого и :а:дкого металлов и спефицкческие особенности фрикционного'контакта с промежуточной галлийсодер::;ащей средоіі.
На основании теории контактирования шероховатых поверхностей . получена формула для определения сопротивления контакта с промежуточной НЛсродой
fr.p)l J '*<- "", CI)
где gp - наибольшая высота .чпкровыстушв над средней линией; 4п- номинальная площадь контакта двух контакт-деталей; С - относительное сближение; у - относительная шющадь контакта; p^M> J>rb - соответственно удельное электросопротивление жидкого и твердого металлов.
Исследовано влияние контактного нагруления,контактной ползучести и температурних деформаций узла на контактное сопротивление. Экспериментальная проверка полученных результатов показала, что в реальном трибосопряжении с промежуточной ЗЛсредой сопротивлешэ контакта больше теоретического в 1,5-4 раза..
Проанализированы причины данного расхождения.
Изучение ЗЛК как токопроводящих трибосопрякени;: потребовало создания оборудования и методики исследования сохраняемости устойчивой жидкометаялической пленки галлия или его эвтектики на поверхности твердой контакт-детали при фрикционном взаимодействии.
Для предварительной оценки качества кидкометаллического покрытия на твердой контакт-детали, удовлетворяющего требованиям нормального функционирования трабосистеии, использованы критерии: I) обеспечннне минимального электросопротивления контакта .-кидай
метам / твердая поверхность при получении П.Іпокрития; 2) обеспечение, сохраняемости ^Лпокрнтия Бри фрикционном контакте. Практическая проверка данных критериев осуществлялась измерением контактного сопротивления мезду эталонна зондом и исследуемо;; контакт-деталью, проводимое в статике и со сдвигом зонда. Б связи с высокой химической активностью галлия и его эвтектпк зонд был изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 2 км со сферическим концом, окоченный перед измерен:!ем адцким металлом.
Для реализации метода был использован прибор для измерения :лик-ротвердости ЕМГ-3, в котором алмазная пирамида била заменена держателем зонда. Применение ТКГ-З позволило обеспечить с высокой точностью заданное усилие накатил на зонд в диапазоне 5-200 г с помощью набора гирь из комплекта прибора и контролируемый сдвиг зонда при контакте с образцом с помощью механизма горизонтального перемещения стола прибора, микроскоп прибора позволял наблпдагь состояние поверхности образца с покрутнем после сдвига. Лерматель образца был снайкен нагревателе:,:, что позволяло проводить испытания при температуре до 250С. измерения #« осуществляюсь методом вольтметра-амперметра при постоянной измерительном токе.10, 100, 1000 мА и компенсации тєр.'.іо-SC при испытаниях при повышенных температурах путем изменения полярности зонда.
Исследовались следующие методы получения жидкокетачлическогр покрытия: I) гальваническое нанесение галлия на твердую контакт-деталь, 2) использование материала-посредника (например, олова, цинка), хорошо взаимодействующего с галлием, 3) смачивание жидким металлом очищенной поверхности, 4) механическая обраоотка под слоем іглдкого металла (например,скребком, скальпелем и др.).
Полученные значения #* для образцов из меди Ml при 25-ти- ' кратных измерениях в диапазоне температур 20-250С при контактном jiarpysereu? N = 20. г и качественная оценка сохраняемости покрытия приведены в табл. I.
Высокое контактное сопротивление ^ при гальваническом метода (.го-то объяснить попаданием э НЛпокрытие электролита &з раствора; большод диапазон значений /?* при лужении объясняется присутствием. остатков флюса в цокрытии, г.оторое удается частично уменшить иагро-вом и выдержкой при температуре вше Тла олова; при смачивании средний диапазон к и удовлетворительная сохраняемость объясняются том, что при очистке поверхности абразивами и прошвкэ растворителями часть поверхности неизбежно окисляется, что сказывается на однород-
ности гэкретия. Вывод о хорошей пригодности Г-ллшїсодорна'чего покрытия, полученного при механической обработке контактной поверхности под слоем жидкого металла,был в дальнєіііег.: иодтверзден при исследованиях Фрикционных характеристик скольт.ения ZZSi, а саы i:e-тод усовераепстьован.
Таблица I Сравнительный анализ галлийсодоржаїціїх покрытий
Вашюй характеристикой любого узла с ZT.S является удельное влектросопротнвлеше Р*« кпдкочеталлнческо:" среды. Недостатком имеющихся в литературе значений ржм автектпк галлкя является то, что они определитесь на г.одедкх реальных контактних узлов, в которых на регистрируемое значение контактного гадекг.я напряжения лі/ оказывали влияние конструкция узла и проводимость контакта ::;іщсі;: металл / контактная поверхность твордометаллнческоП детали. Для измерения удельного сопротивления Пісред і: изучения температуркой зависимости р%п были созданы две установки, основанные на регистрации контактного падения напряжения tU при постоянное токе на вольфрамовых зондах по четырехпроводной схег,:о по методу вольтметра-амперметра, свободные от указанных недостатков. В установке УЕС-І в стеклянной трубке формировался квдкокеталлическик проводник фиксированной длины и сечения. Удельное электросопротивление
(2)
Доопределялось по формуле
^ p*M = ($te)(AU/l),
где S - сечение 2 - длина 'Jr.: пп
где о - сечение - длина л,; проводника, контролируемая микрометрическим винтом, I - сила тока.
- В установке У2С-2ЛЧ постоянное количество жидкого металла наливалось в два цилиндрических изоляционных сосуда, -на дне которых расположены четыре зонда, е.одном случае по линейной схеме, в другом- в вида четырехугольника. Удельное сопротивление рх* определялось по формуле
рж„ = К iU/І , (3)
где ^ - масштабні:", коэффициент, зависетіпГі от взаимного расположения зондов. Для ллксГ.но;; схеми # = 0,022 м, для чегкрохіїшьшй -/С = 0,049 и. Контактное падение' напряжения измерялось, в диапазоне температур 30-180
Б указаішо.м диапазоне температур наблгздаетея линейная температурная зависимость Рхм'/ҐТК которая описывается выражением .
рт ~зо(і+*Т), Ш
гдарзо - зішчєіпіо удельного сопротивления при Т = 30С ( = 29,78С) бС - температурі;; >ії шоТкициент сопротивления, Т - температура в С. Значения коЗТїіііїідснгов/їоИ «С для галди я я наиболее часто применяемых на практике овтоктпк приведены в табл. 2 (в скобках - содержание Go , In , Sn , Zn в массовых процентах).
Таблица 2 Коэффициент;: температуркой зависимости удельного электросопротивления
Как видно из табл. 2, усложнение структуры Злсреды приводит к
увеличению ее удельного сопротивления и понижению температурного
коэффициента сопротивления, что согласуется с теориями электропро
водности кандвнсированных сред. ' :
Особенности проводимости скользящего ЗіК исследовали на двух -физических моделях: I) на классической модели В5К П.Клауди, представляете;» собой дЕа разделенные жидким металлом твердометалличе-ских цилиндра с (Фиксированными размерам твердого и лвдкого провод-киков,изучался контакт жидкий металл / твердый электрод, 2) на спе-циалыга разработанное модели сфера - плоскость в статике и при сдвиге изучался контакт единичной микронеровности и мпо.таственнкй контакт реаіьні'Х поверхностей через промежуточную Е.!среду. ,
На .6-ти позиционной стенде ЭХ-5КМ из контактов П.Клауди при исследовании временной, зависимости удельного переходного сопротивления (т.е. переходного сопротивления единицы площади контакта жидкий металл / твердый электрод) установлено, что фриттинг повер-
хностнкх ідейок с течением врш/.еші сопровождается уменьшением 32 (практически к нулеаоліу значению), которое ко:::ко объяснит тс;,:, что при (Григ-кете пленки галлпіі чорез гостиш'проводягостк погадает на границу твердый кеталл - пленка, отслаивает п разрулао? шаанку. Наблюдения з течение t с ІІОО суток контакта Ni - - 5'ICTJ і? при постоянно;,; тока / = 5 А при Т= 30С,(уелолхя, исі'лача'оїциа образованно клтоокетоллкчоокпх соє-динокил) позволили долучить врокенцуо ьазиекаость удельного переходного сопротивления гліда
^^г,1?чо'10-^,оч-н*; (5)
гдо - вре:,;н в сек.
Фор.\ула поьаоїідогпрогнозирозать уозньденно переходного сопротивления со араіленє;.;.
Па 'i'op.'.iy.iu (5) следует, что «шллалыюе достигл.нос значение удельного переходного сопротивлении в донно;.: контакти порядна -;М0~10 0;,;-!.Г.
7;.:опаїіоиае переходного сопротивления Эв пол ііл;:рп:.:енп,<і сгрпт-тнкга за счет увеличения сечения ;.:еїздднческаго «ластика проноднло-сти уотаног-лзію к еля контакта cj.opa - плоскость на установко
Влияние на проводимость шітеркзталлцчєеїжх соединен!::: исследовалось на 4-х позиционной установко cil-iZ для контакта схора -плоскость при гозглдкних температурах. Установлено, что наличие отих соединений на основних юнетрукцконних материалах скользящего ІйСХ (л:едь, шшаль, молибден, неркавеюадя стать) при оксіиуата-цкоккых температурах 4~І80С воздействия на переходное сопротивление практически не оказьшаег. В элементах конструкции узла слздует избегать алюлякик и его сплавов из-за их хрупкого разрушения и резкого роста переходного сопротивления при взаимодействии галлия и алюминия. Два возлппных предельных случая изменения переходного сопротивления во времени изображены на рис. 1.
На установках ПКТ-З 5л л ПКД-5 МЭд проводились эксперккентоль--ные исследования влияния нормального давления, температури, способа механической обработки контактной поверхности под слоем жидкого металла, кикрогеометрки контактной поверхности на эксплуатациошшэ характеристики контакта модели единичной мзкронероЕноста с шероховатой плоскостью, композиционным ЕЛматериадоы, а тамке мнояеетвен-ного контакта шероховатых поверхностей через промежуточную "Переду.
Установлено, что переходное co-гротнилсшіо контакта R«. \\ ого отноюонио к о.тачог;:ому сопротивлению коктакт-дотллеіі &> практически но завислт ог номинального контактного давленая ро и ютро-
.; ГСОї'.ІОТрПЛ К0Н7Ш.ТІЮІІ 1!О38рХН0СТИ,
Рис. I. Зависимость эдоктро сопротивления от времени контакта при Т = 50С,N = 20 г, I = 0,1 Л: Г -Cu-G-a-Ca-2 -АЄ-Gc-Ae
і незначительно зависит от температуры л существенно зависит от оио-tfit/mtiK c0(ja мзхаїгачоскоЗ обработки (см. рпс.2,3,4). і.юделкровйние изменения нормального давления в трпбо-сопрякклн при топловоГ; деформации узла и вибрациях, .коизбетеннх при эксплуатации, таїее показало высокую стабильность электрических характеристик контакта с проколсу-точноіі Ілісрояріі (си. рис,5).
. Предложен оригинальны;: і.:отод подготовки Z.Zi млкророзаниєм под слоем жидкого металла, осуществдлзіай кардо'доткрл. Сравшітельшй анализ способов механической обработки поверхности композиционного катеряала {VJ'Ga) приведен в табл. 3.
Таблица 3 Переходное сопротивленце контакта сферический" зонд - композиционный СІК при температуре 323К (числитель - без сдвига зонда, знаменатель - со сдвигом на 0,05 ш)
Б результата обработки иикророэаннем контактних поверхностен номинально і; плоігдди An = 2,8-Ю-5 <-? на моделях ПК П.Клауди при-температуре Т = 30 С в течение t = 270 суток га ряда материалов наблюдалось практически полное отсутствие переходного сопротивления (см. табл. 4).
0,75
430 .г «С
контактного
3. Зав::с:-;.-.ость
сопроткалоиад #* и отноааш:л 8«/& от температури Т лрн р<з - const: - - ЛС-59/1 (ft, = 0,8 ;.Г;а); * - 10-59/1(S іЛа); + - 1С-5 9/1 (5 :Za); - ЛС-Ю/І нокршет S" (0,3 LHa); , - ЛС-5Э/1 лоиритле - -5л (3 Mia); о - ІС-59/І - G-IS -.10-59/1(0,8 Kla); Л - Ж-59/1 -G-Z5-ЛС-5 у/І(5;.ІПа)
наОкі
Рис.
г. 4
' Рис 2. Зависимость контактного сопротазлошщ к от нокшадь-його давления при Т = const : * - Си - Си (1t20oC); -Си/ъо-kpktiiq«WT=20C); + -Си{1 = Ю0С); о ~й/~/~Су(Т=20оС); с -07-Ш-С«(Т=ЮОС); л _&/_=1500с)
я а їв і9амки
Рис. 4. Зависимость контактного сопротивления Qk от среднего Арифметического отклонения профиля от средней лиши Ро : p-Q/_ GIS-Cu <Т=55С); ...Л -Cu-ul'S - Си (Т=150С); :а Си - &I -Си <Т=Л50С); '.*-№-G2S- Ni (Т=20С) iUG-m/l- ОІ-ЯС-59/l (Т=55С).' *
t> I 4 РоМПа
Рис.5. Влияние разгрузки тряоо-сопряженяя при тепловой деформации узла, первичного и вторично-\ го нагружония при Т = 20С):
о ~Ni -62$-Ы(,
- ІЗ -
Таблица 4 Результати изшрошя контактного сопротивления после обработки шкрорезашем
В связи с наличием в моделях, двух контактов кидки У. .\:етаал. / твердая контактная поверхность срєднво удельное переходкев сопротивление ОДредеЛЯДОСЬ ПО формуле *& ^) (g экс» ~ Кте о/о) Л л.
Третья гланя посвяцена исследованию удельной сили трения и проводимости скользящего ІІІІС при граничном трении.
Анализ литературных данных показал, что для силы трения скользящих электрических контактов опредоляюдел является адгезії-огатя состаллянцая, а деформационной еостах-ляцей «окно пренебречь. Для расчета адгезионной составляющей с иль: трения часто пользуются зііачением удельной силы трения Т , экспериментально определяемой характеристикой, связанной с фринидониши озоііствоіяі единицы площади контактирующих поверхностей. Согласно люлокулярно-механи-ческой теории трения, адгезионная составляющая ЕЫражутся в вида
С « {^- -to +J>Pr , (б)
где Frp - сила трения, Аг - фактическая площадь контакта,^г = ^/рг,
N - нагрузка на контакт,рг - фактическое давление, to - удель
ная сдвиговая прочность молекулярных связей в отсутствии нормаль
ных нагрузок, /ь -.пьезокоэффициент, характеризуючій увеличение
прочности молекулярных-связей о нагрузкой. Практически единствен
ным способом определения параметров la vijb пока является экспе
риментальный. ' . .
Исследования проводили на трибометре конусном TK-45S, пред
назначенном для определения сдвиговой прочности адгезионных свя
зей в контакте полированной поверхности конического образца
{«= 0,02-0,05 ти) с углом при вершине 90 п поверхности смятия
края отверстия контробразца. Измеряли момент тронкя при сдвиге с
одновременной регистрацией контактного падения напрямиш л по чегв-
рехпрозоднок схеме при пропускании постоянного тока. Предваритель
ную нагрузку на образцы Л^иувибирали TaKj Ч70$и обеспечить в кон
тактной зоне пластическую деформацию. 3 результате погружения ко
нуса и образца с отверстием образуется поверхность контакта в ви
де узкого кол та боковой поверхности усеченного конуса. Для измере
ния момента трения при различном давлении нагрузку уменьшают доМи/у
Удельную силу трения Ї и фактическое давление/?/- рассчитывали
ко формулам , ,
где F - регистрируемая усилителем 8АНЧ-4 и самопишущим вольтметром Н327/3 величина сдвигатощей сил к, пропорциональная силе трения, І- - плечо силы F , М - момент трения в подшипниковой опоро трибометра;^, с/ - диаметры усеченного конуса, определясмне под микроскопом; <зС - половина угла при вершине конуса..'
.Точность определения удельной сады трения на конусном трибометре ТК-452 составляет 10-20%, Фактического давления - 5%.
На приборе TK-45S исследовались адгезионные характеристики контактних пар с промежуточной гаддиїісодорхаїцой средой, широко используемые в практике конструирования и изготовления электрических аппаратов с 2Г.К.
В табл. 5 представлена часть экспериментально определенных фрикционных и электрических параметров.
Таблица 5 Фрикционные и электрические характеристики контактирующих -пар (числитель - без жидкого металла, знаменатель - с эвтектикой QIS).
Материал
ріатунь Я63-латунь Л63 !'.:одь КІ-Мвдь hi
молибден МЧВП-Молибден ;ОТП
Никель Ш 2-Никель Ш2
Сталь 12Х18НЮТ-Сталь І2ХІ8П0Т
La ППа
Ib.jT 577 11,5
24,9
210,8 ~ЖЕ
47,4 127;?
ТГ,"0ПГ Ц^Ш7
0,128
0,005. 0"ДЙ7
rf—
Ге/"
тг.-цтг итш
отош
0,024 ОІиГБ-О.0ІТ
Рта /#ж»
1.23
1,14
1,20
1.27 1,8&
- 15 »
Исследования показали (табл. 5), что использование эвтектики галлия в качестве лрошхуточноіі среды приводка как правило, к уиеньаон'лэ сопротивления контакта 8*» по сравивіпію с тдердо.'леталлй-чееким контактом Рп за счет ^рпттпнга, механического разрушения окисных кленок и хгдшчеекок активности галлия, сопротивление Лжм при зтом но зависит от фактического давления /V . Очистка поверхности при сдвиге увеличивает тангенциальную прочность галокуляр-ішх связей на срез для материалов, взашодсШствущих с галлиом, пропорционально степоші этого взаимодействия (латунь JIG3, медь ІД и др.), а для катеркзлоЕ, фрикционные и электрические своііотва которых определяются наличке!.: прочных, ньразрушаемых окпетгх пленок, уменьшает показатель Со (молибден, нпколь it др.). С ростом фактического давления рг прочность лгалекуляркых связей З.К возрастает в основном в больиоіі степени, чом для чистих металлов. ІІмовдая мосто для чистих металлов корреляция ;,;е.'хду удельной сдвиговой прочностью шлекулярних связей to п гвердоетьз материала // для контактних пар с "Чередой нарушается.
Подученккэ значення параметров to , У5 іюзеоляг/г рассчитывать ко бор.'.іуде .'.;олокулярі:о-.'.;схані:ческоїі тс-opmi кооиі.кіїдект троншг
- . J'-t+S- ' ' СВ)
Чстнертад глада поен щепа исследодашіл е:.'дззчні,:х огоксте и мехашзка 0,-.:02041:01 действия про.-.-.еяугочіюіі Г.]срєдд то іюгечшсяя-зп с элоктрхчоекп'.а характеристиками скользддого ;".><.
."кеплуатачіл контактних узлов со скользящи Е.л дкйаго вида (гидродинамического іші граничного трешя) неразрывно связана с проблемой деградации контакта из-за окисления промежуточной S/.cpe-ды. Оптимальний решением' является герметизация контактного узла, что не всегда конструктивно а технологически-возможно на практике. В качество альтернативних мер применяется защита индкого металла газообразной иди жидкой инертной рабочей средой'или замена ЕКсре-ды через определенный рабочий цикл.
Для исследования сказочных свойств ГМсроди при граничном трении, прогнозирования деградации контакта, оценки трио'отехндчоских и электрических характеристик контактных узлов біти разработаны двухіюзиїдаоннші микротрибо-мотр УГП-2 и пятипозяцвонный стенд РСК-2 для испытания гатериалоп на тронив и износ.
В основу конструкции УГП-2 положена схема трения: плоскость -пальчккопкі; образец. Нагруденио фрикционного контакта осуд.остпля-
.-16-
ется набором грузов -// = 10-100 г; приводом сличит дпігатель постоянного тока с регулированием скорости вращения, осуществляющий относительное яєрє;,;ещение плоскості; в диапазоне скоростей V = ' = 0,6-12 км/с; диапазон рабочих температур Т - 20-IG0C; постоянный ток через контакт Г = 10 г/А, число циклов наработки до п = = IOO000.
Стенд PCK-S разработан на базе измерительного мсхаш-ізма электромагнитной поляризованной системи с подвижным сердечником быстродействующего самопишущего вольмотра Н 320-5. Схема трения: сфера пальчикового образца - плоскость. Принцип действия основан на воз-вратно-позоротно:.; перемещении гензобалки с закрепленным пальчиковым образцом при взаимодействии потока лодмапшчивания измерительного механизма и «агнктшго потока управления, создаваемого выходным током генератора сигналов специальное (Тормы Г 6-15. Стенд-предназначен для качественной оценки эксплуатационных параметров материалов контактов, работающих в услоьлях граничного трония, различных соотавлянідих кидкокеталлдчесхо;;' ц :хпдкол рабочеіі сред. Режим испытании: нормальная нагрузка - Ы = 5-20 г; частота перемещений - 0 =0,23 сек ; относительная скорость- перемещении if = 150 ілм/с; постоянный ток через контакт - I = SO мА; число циклов наработки п = 100000.
На установках УГП-2, РСК-5 в процессе испытания одновременно фиксировались значения силы .трвнля 'frp и падения напряжения на контактном перехода ь.и , рассчитывался коэффициент трения J , динамическая нестабильность'силы трения kF } F , переходное сопротивление R и его динамическая нестабильность &R/6. . Интенсивность изнашивания 1т плоского -образца определяется по профило-граммам по глубине h дорояки трения, интенсивность изнашивания Тсоосферы -пальчикового образца определяется по диаметру пятна из-x-oza d , измеренного под микроскопом.
Методики проведения экспериментов предусматривали исследова-кі'-і влияния'нормальной нагрузки, температуру, наработки на фрик-К"Оннцо и электрические характеристики контактов.
Повторность экспериментов была 4...5-»ратноИ. При доверительной вероятности о( = 0,95 погрешность опытных данных не превышала для коэффициента трения - 20$ контактного сопротивления - 25, интенсивности изнашивания - 40.
Исследования деградации Sffi при граничном трении на шкротри-бометрэ УШ-2 показали, что процесс окисления незащищенной ЕЦсреды
-1? -
ш.'шо разделить на этапы: I) начальный - образованна окислов по
границам доролки трения, которнз практически ке вдшіют на эксплу-
атационние характеристики скользящего ЇЇ.К; 2) рабочиії - вся по
верхность жидкого металла на плоском образце покрыта окислами, ко
торые накапливаются на границах дороякя трения, наружная окислен
ная поверхность жидкого металл* и тзердокеталлическая поверхность
подложки образуют своаго рода капилляр, по которому в зону трэпия
поступает неокпелошпш жидкий металл, что обеспечивает нормальный
решил граничного трения; 3) заключительный (сухое трение) - весь
нвдки;; металл превращается в оішсадт резко возрастает контактное
сопротивление Rk (рис. 6). f
Сравнительный анатаз рабочего этапа испытания Z.K с сухии тре-^г шюм традиционных твердих контактних пар или граничнім тре- ; інієм о примененном пластичной смазки показал, что у скользящего ЇЇНі контактное сопротивление нігке на два-три порядка при практически одинаковых фрикцион-них характеристика:-:, а наличие твердих окислов на заключительно и этапе препятствует схваты- „
О „-1000 той L,m
ванию и задирам, характерным Рис. 5. Зависимость коз:5фшш~
для сухого траїшя пары одинако- еитн трения J ( *, ) и кон-
вых металлов. тактного- сопротивления Д«
Для защиты скользящего Н<К (л,л. ) от ИуТИ трання L. от деградации на стенде РСК-5 проведены исіштанші контактов под слоем инертно;і мидкости, часть результатов для контакта Cu-G-lS-ffo представлена в табл. 6.
Обнаружено явление нарушения сплошности і&шо'іфнтіїя на дорожке трения под- слоем рабочей среды при граничної,! трении, возникающее при некоторых сочетаниях материалов контактных пар, 3/!среды и защитной жидкости, которое модно объяснить попаданием рабочей среды при паремошаапия на границу жидкий металл - твердая поверхность и потерей адгезии при фрикционном взаимодействии , что сонровоздается резким возрастанием контактного сопротивления, например при использовании кремшшоргашчеоких жидкостей, вакуумного масла и др. (табл. 6). Многообразие режимов и условий эксплуа-
Таблица 6 ' Эксплуатационное характеристики контакта Cafn*)- OJ^-Mo (сфера 0=3 т) лри /V =.13 г. Т = 20С,^ = 150 км/с, п = 100000 циклов
Коэффициент трения
0,129*
Вакуумное масло БЙ-І2
457к*
ОіІ****
659**
Примечание: к - стареіше контакта после п = 50000 циклоб, хх - нарушение сплошности 2Г«среди, ккк - интенсивность износ, менее 10" кяхх - пара схватывается."
тации скользящего 2Ж не позволяет теоретически решить проблему ликвидации отого явления. Б работа эксперпменгглъко определено несколько рабочих сред (табл. 6), позволяющих исключить нарушение сплошности II.'! покритая для контактних материалов, рекомендуемых к применению в скользяще;,; .Ж (глицерин, триэтаколамкн и др.).
Предложена методика вибору оптимального сочетания защитной рабочей среди, компонентов промежуточной Череда и материалов контактной пары с помощью обработки експериментальних данных методами математической статистики. Б качестве обобщенного критория принимается обобщенная функция желательности, параметрами оптимизации выбраны Ptp, f ,1с<рпІпя (табл. 6).
При ресурсних испытаниях оптимизированных скользящих ЕШ' установлено, что рабочая среда помимо защитной Функции и стабилизации контактного сопротивления 8к , которое практически нэ зависит от наработки и нормальной нагрузки /V , уменьшает по сравнению с незащищенным контактом динамическую нестабильность силы трения &F/F и коэффициент , трения / па рабочем этапе и интенсивность изнашивания 1 в целок. Повышение фрикционных характеристик могх-но объяснить тем, что незначительная доля защитной жздкооти все-таки попадает в зону трения, не наруиая при этом сплошности ЕМсрв-ды. Продукты износа, распределяясь в объеме шщко мет алла чес кой и рабочей сред, не влияют на проводимость контакта.
Исследования изнашивания в процессе длительной наработки показали, что больное значение для работоспособности имеет износостойкость ыаг-лриалов твердых контакт-деталей. При значительном износе продукты износа, смешиваясь с жидким моталлои,' образуют плохо проводящий слой на контактной поверхности. Поотому необходимо в качестве контакт-деталей использовать антифрикционную пару, к тому яе не взаимодействующую с жидким металлом.
Температурные и временные зависимости эксплуатационных характеристик композиционных Щ материалов, подготовленных к эксплуатации микрорезанием, определялись на кикротрибометро УГП-2 в режиме: контактные нагрузки V = 20-100 Г, относительная скорость перемо-щокия if = 6 мм/с, ток I = 10 мА, диапазон температур Т=20-Ю0С, число циклов наработка п = 10000, часть экспериментальных данних представлена в табл. 7.
Контактное сопротивление R* скользящих композиционных JMK практичєсші не зависит от контактного погружения N , пути трения (табл. 7) и возрастает пропорционально росту температуры.
Таблица 7 Характеристики пары трсшя KfJ.2.5 (вольерам, пористость 30,11, пропитай б/) - хим.никель на подложке 133 при Т = 20С (числитель - нагрузки 20 г, знаменатель - 100 г)
Некоторый рост динамического коэффициента трения /s^npu наработке (табл. 7) можно объяснить накоплением продуктов износа. При возрастании температуры/s"* не изменяется, износа контртела (пластины) не наблюдается.
Пятая глава посвящена практическому применении результатов работы.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследосашш позволили создать простые по конструкции дидкометалдические комму-гацпонкые аппараты со скользящи.] композиционным 3,2' (Л.с.:.3669324) для коммутации силовых цепей и цепей управления, электрические сое-диштели (A.C.J-' 1525735, її 1674279) для упрощения сборки-разборки соединений аинопроводов электролизеров, нидкометаллической коммутационный узел (А.с. И 1688293) для коммутации силовых цепей электролизеров.
Одним из перспективных направлении использования скользящего Е.П' шляется аппаратура для геофизических исследований.Проведена модернизация контактного узла устройства вращения и контроля за спуском приборов в сверхглубоких скважинах БКС-СГ. Лабораторные иеигЛ'ания показати снижение контактного сопротивления в 8 раз. Б настоящее время разработанный узел внедряется в ВНИГИК.
На основании комплексных исследований трсшя и износа сколь-імгїзго JuK разработана методика выбора :: испытания гаториалов контакт-деталей, компонентов прокетуточной -идконоталличеокой и инертной рабочей сред. Методика включает опредолошіе кооіШіцион-та трения, контактного сопротивления, а также оценку качества контакта по величине динамической нестабильности сили трения и контактного сопротивления.
Б работа приведены сводни о таблицы, позволяющие коНструкто-рай элоктркческих аппаратов получить данные для расчета парамет-ров контактных групп и приводних механизмов.
Рекомендации до повшіанию надежности контактов разъемов и снижению по.'хароопасности разборных соединений нашли применение при разработке технической докфлентации контактних узлов двигателей насосов, систем управления в СКТБ НПЦ "Ингран" и алектроцеха Калшшнскоіі АХ.
В Санкт-Петербургском проектно-эксперименгальном отделении НПО "Злектроліонтах" проведены производственные испытания и полу-чана полоултельноа заключение по использовании галлийсодэржащих промежуточных сред в контактных соединениях медных шин.
Общи;; экономический эффект от внедрения результатов работы составил 240 тис.рублей.
