Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Токарев, Александр Михайлович

• Токарев, Александр Михайлович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Токарев, Александр Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ,

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ

1.1. Классификация электрических контактов, условия их работы, виды износа

1.2. Контактная поверхность и факторы, влияющие на условия контактирования

1.3. Влияние материала электрических контактов на их работоспособность

1.4. Трение и механический износ скользящих электрических контактов

1.5. Способы повышения надежности электрических контактов

1.6. Технология изготовления коллекторов и контактных колец в заводских условиях

1.7. Влияние поверхностного пластического деформирования на эксплуатационные свойства рабочих поверхностей деталей машин

1.8. Выводы и постановка задачи исследования

2. ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СКОЛЬЗЯЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

2.1. Метод расчета переходного сопротивления электрических контактов

2.2. Структура определения переходного сопротивления скользящих электрических контактов

2.3. Расчет фактической площади контакта скользящих электрических контактов с учетом микрогеометрии поверхности

2.4. Расчет фактической площади линейного контакта

2.5. Влияние усилия нажатия на фактическую площадь контакта

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СПОСОБА ОБРАБОТКИ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ПЕРЕХОДНОЕ

СОПРОТИВЛЕНИЕ

3.1. Модель образца и конструкция установки для определения переходного сопротивления контакта

3.2. Техника проведения эксперимента по определению величины постоянства переходного сопротивления

3.3. Определение переходного сопротивления при обработке скользящих электрических контактов поверхностным пластическим деформированием

3.3.1. Обработка контактных поверхностей алмазным выглаживанием

3.3.2. Обработка контактов поверхностным пластическим деформированием 79 3.3.3 Обработка контактных поверхностей охватывающим поверхностным пластическим деформированием

3.4. Определение переходного сопротивления при механической обработке скользящих электрических контактов резанием, шлифованием и полированием

3.4.1. Обработка контактных поверхностей резанием

3.4.2. Обработка контактных поверхностей шлифованием

3.4.3. Обработка контактных поверхностей полированием

3.5. Влияние состояния поверхности скользящих электрических контактов на переходное сопротивление

3.5.1. Покрытие контактной поверхности нитридом титана

3.5.2. Обработка контактной поверхности химическим травлением

3.5.3. Исследование контактной поверхности проката

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СКОЛЬЗЯЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

4.1. Разработка установки для испытания образцов контактов на износ

4.2. Экспериментальное исследование износостойкости контактов 114 4.3 Рекомендации по способам и режимам обработки скользящих электрических контактов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Токарев, Александр Михайлович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Токарев, Александр Михайлович, 2010 год

1. ГОСТ 14312-79 Контакты электрические. Термины и определения. Введ. 23.09.79. М.: Изд-во стандартов, 1980. Юс.

2. Кончиц В.В., Мешков В.В., Мышкин Н.К. Триботехника электрических контактов. Минск: Наука и техника, 1986. 256с.

3. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 464с.

4. Улитин Н.С. Сопротивление материалов. М.: «Высш. шк.», 1969.279с.

5. Межмулян А. Измерение ультрамалых сопротивлений // Радио. №10. 2007. С. 28.

6. Компаненко JI. Миллиомметр // Радио. №5. 2006. С.23.

7. Трейсер Р., Мейо Дж. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств. М.: Энергоиздат, 1990. 288с.

8. Гёлль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс // В помощь радиолюбителю. М.: ДМК Пресс, 2005. 144с.

9. Шмелев О. Компьютерный измерительный комплекс // Радио. №3-7. 2007.

10. Ройзен В.З. Электромагнитные малогабаритные реле. Л.: Энерго-атомиздат, Ленинградское отделение, 1986. 252с.

11. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. М.: Энергия, 1973. 424с.

12. Куранов В.Г. Фрикционная непроводимость слаботочных контактов. Саратов: Саратовский государственный технический университет, 1996. 60с.

13. Белый A.B., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. М.: Машиностроение, 1991.208с.

14. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. М.: Металлургия, 1976. 176с.

15. Галактионова H.A. Водород в металлах. М.: Металлургия, 1967. 302с.

16. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks 2006-2007 // Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2007. 784с.

17. Материалы в приборостроении и автоматике: — Справочник / Пятин Ю. М. и др.. М.: Машиностроение, 1982. 528с.

18. Ким Е.И., Омельченко В.Т., Харин С.Н. Математические модели тепловых процессов в электрических контактах. Алма-Ата: «Наука» КазССР, 1977. 236с.

19. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152с.

20. Горохов В.А. Обработка деталей пластическим деформированием. — Киев: Техшка, 1978 192с.

21. Шнейдер Ю.Г. Чистовая обработка металлов давлением. M.-JL: Машгиз, 1963. 271с.

22. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972.105с.

23. Малышев В.М., Румянцев Д.В. Серебро. М.: Металлургия, 1987.319с.

24. Дубинский И.М. Эксплуатация электрических соединений в условиях горных предприятий. М.: «Недра», 1985. 280с.

25. Справочник по расчету и конструированию контактных частей сильноточных электрических аппаратов; под ред. В.В. Афанасьева. JL: Энер-гоатомиздат, 1988. 520с.

26. Коровский Ш.Я. Авиационное электрорадио-материаловедение. М.: Машиностроение, 1972. 356с.

27. Марквард К.Г., Власов И.И. Контактная сеть. М.: Транспорт, 1977. 271с.

28. Электротехнический справочник; под ред. В.Г Герасимова, и др.. М.: Издательство МЭИ, 1998. Т.2. 518с.

29. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. М.: «Академия», 2005. 480с.

30. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. М.: «Энергия», 1965. 232с.

31. Наерман М.С. Справочник молодого шлифовщика. М.: «Высш. шк.», 1985. 207с.

32. Краткий справочник металлиста; под общ. ред. Н.П. Орлова, Е. А. Скороходова. М.: «Машиностроение», 1987. 960с.

33. Краткий справочник металлиста; под ред. А.Н. Малова. М.: «Машиностроение», 1965. 1144с.

34. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Заголовок. Параметры и характеристики. Введ. 01.01.75. М.: Изд-во стандартов, 1980. 16с.

35. ГОСТ 28295-89. Коллекторы электрических вращающихся машин. Общие технические условия. Введ. 01.07.90. М.: Изд-во стандартов, 1990. Юс.

36. ГОСТ 2584-86. Провода контактные из меди и ее сплавов. Технические условия. Введ. 01.01.88. М.: Изд-во стандартов, 1998. 11с.

37. ГОСТ 3884-77. Контакт-детали для коммутационных электрических аппаратов. Конструкция и размеры. Введ. 01.01.78. М.: Изд-во стандартов, 1998. 14с.

38. ГОСТ 25852-83. Контакт-детали электрические из благородных металлов и сплавов на их основе. Технические условия. Введ. 01.07.84. М.: Изд-во стандартов, 1987. 65с

39. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин. М.: Высш. шк., 1998. 447с.

40. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544с.

41. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: «Машиностроение», 1986. 223с.

42. Осин И.Л., Антонов М.В. Устройство и производство электрических машин малой мощности. М.: Высш. шк., 1988. 215с.

43. А. А. Осьмаков Технология и оборудование производства электрических машин. -М.: Высшая школа, 1971 334с.

44. Басов К.A. ANSYS // Справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640с.

45. Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах. М.: Компьютер пресс, 2002. 224с.

46. Басов К.А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: ДМК Пресс, 2006. 248с.

47. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе A.B. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982. 191с.

48. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. 228с.

49. Дуюн Т.А., Гринек A.B., Рыбак JI.A. Математическое моделирование температурных деформаций коллектора электрической машины с целью определения технологических параметров // Приводная техника. 2007. №6. С 93-98.

50. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс, 2004. 432с.

51. Алямовский A.A. SolidWorks/COSMOSWorks Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2008. 1040с.

52. Портал редукторостроения России Электронный ресурс. — Режим доступа: http://new.gears.ru/main.php7icH5 /дата обращения: 04.04.2008/

53. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.Nastran for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001. 448с.

54. Зайдес С.А. Охватывающее поверхностное пластическое деформирование. Иркутск: Изд-во Иркутского государственного технического университета, 2001. 309с.

55. Электронная библиотека экономической и деловой литературы Электронный ресурс. — Режим доступа: http://www.aup.ru/library/ дата обращения: 26.07.2009/

56. Словари и энциклопедии на академике Электронный ресурс. -Режим доступа: http://dic.academic.ru/contents.nsi7enctech/ дата обращения: 12.05.2008/

57. Сильверстейн Р., Басслер Г., Морил Т. Спектрометрическая идентификация органических соединений. М.: Мир, 1977. 590с.

58. Мерл В. Электрические контакты. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962.72с.61. 4. Бредихин А.Н., Хомяков М.В. Электрические контактные соединения. М.: Энергия, 1980. 168 с.

59. Домкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227с.

60. Усов В.В. Металловедение электрических контактов. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 208с.

61. Суслов А.Г., Дальский A.M. Научные основы технологии маши-но-строения. М.: Машиностроение, 2002. 302с.

62. Технология машиностроения: учеб. для вузов: в 2 т. Основы технологии машиностроения, 2-е изд. / В.М. Бурцев, и др.; под ред. A.M. Даль-ского. М.: Изд-во МГТУ, 2001. Т. 1. 564с.

63. Технология машиностроения: учеб. для вузов: в 2 т. Производство машин, 2-е изд. / В.М. Бурцев и др.; под ред. Г.И. Мельникова. М.: Изд-во МГТУ, 2001. Т. 2. 640с.

64. Колесов И.Н. Основы технологии машиностроения: учеб. для машиностроит. спец. Вузов, 2-е изд., перераб. и испр. М.: Высш. шк., 1999. 591с.

65. Машиностроение: энциклопедия. Технология изготовления деталей машин / A.M. Дальский и др..; под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2000. Т. III-3. 840с.

66. Машиностроение: энциклопедия.: Сборка машин // Ю.М. Соло-менцев, и др..; под общ. ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 2000. Т. III-4. 760с.

67. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320с.

68. Максина Е.Л., Березина Н.А., Лапухина Т.Ю. Справочник по техническим дисциплинам: высшая математика, физика, химия. Ростов на Дону: «Феникс», 2008. 380с.

69. Намитоков К.К. Электроэрозионные явления. М.: Энергия, 1978.456с.

70. Основы теории электрических аппаратов, под общ. ред. И.С. Тае-ва. М.: Высш. шк., 1987. 352с.

71. Compbeli W.E. The lubrication of electrical contacts on Electrical Contacts. Chicago, LIT, 1977. P. 1 - 18.

72. Hisakado T. Effects of surface roughness and surface films on contact resistance of metals. Wear, 1977. V. 44. N 2. P. 345-359.

73. Kingsbury H.E. Electrical contact lubrication. Electrical Times, 1971, V. 159. N17. P. 14-15.