Триботехника электрических контактов - Эффект смазывания электрическим током

6. 2. Эффект «смазывания» электрическим током
Причинам снижения трения в контактах типа щетка — коллектор (контактное кольцо) посвящено небольшое количество работ, и единая точка зрения в этом вопросе до настоящего времени отсутствует. Согласно [152], ток облегчает разрыв контактных пятен вследствие их нагревания, разрушения микровыступов поверхности и токопроводящих частиц износа, что снижает величину f. По мнению авторов работ [54, 388], изменение f при изменении токовой нагрузки связано с наличием в зоне скользящего контакта продуктов износа. Увеличение плотности тока в контакте приводит к возрастанию скорости изнашивания щеток и появлению в контактной зоне значительного количества продуктов износа, которые преобразуют режим работы, заменяя трение скольжения трением качения. Автор работы [171] считает, что твердые частицы щеточного материала, попадающие между контактирующими поверхностями, вызывают мгновенное сцепление щетки и коллектора. Действие тока на эти частицы состоит в том, что твердые частицы как проводники раскаляются из-за сильного «сгущения» тока, теряют свою твердость и легко разрушаются, что снижает f и уменьшает «дребезжание» щеток. Однако убедительные теоретические или экспериментальные данные, подтверждающие справедливость перечисленных гипотез, отсутствуют, вследствие чего последние всеобщего признания не получили.
В работе [359] на основании исследований поведения щеток графитного и электрографитного классов предположено, что зависимость f от величины токовой нагрузки связана с температурными явлениями в зоне контакта, вызывающими обратимое изменение энергии связи между пластинами графита на контактных поверхностях. Считая, что трение возникает в результате сопротивления скольжению (срезу) между ориентированными пластинками графита на поверхностях щетки и коллектора, автором делается вывод о том, что повышение температуры за счет прохождения тока снижает прочность на срез параллельно графитным слоям, а это приводит к уменьшению f. Однако такое предположение недостаточно для объяснения ряда особенностей работы щеточного контакта. Например, в работе [348] отмечается зависимость скорости изменения коэффициента трения от условий окружающей среды, в частности от содержания кислорода в атмосфере. Данные, приведенные в работе [377], свидетельствуют о том, что уменьшение трения с ростом j свойственно различным видам углеродных материалов, в том числе не проявляющих ориентацию при скольжении по одноименным материалам или металлам.
Отличительной чертой материалов, для которых наблюдается эффект «смазывания», является хрупкость, а также относительно низкие (в сравнении с металлами) модуль и предел упругости. Учитывая результаты [341, 379], можно считать, что в общем случае работа сил трения в контакте щетка — коллектор затрачивается на преодоление межмолекулярного взаимодействия на участках упругого контактирования и разрушение поверхности щетки при элементарном царапании. Следовательно, для установления механизма «смазывания» электрическим током необходимо выяснить, как влияет ток на обе составляющие силы трения.  При этом важно установить, влияет ли электрический ток на составляющие силы трения путем непосредственного воздействия на мгновенно возникающие контактные пятна или путем необратимого изменения контактирующих поверхностей.
Оценка непосредственного влияния электрического тока на фрикционное взаимодействие в пределах единичного пятна контакта при упругом деформировании на микротрибометре затруднительна, поскольку измеряемая сила трения мала.

Рис. 6.5. Зависимость коэффициента трения f от плотности тока j для анодно-поляризованного электрографита ЭГ-2А при скольжении по медному кольцу (кривая 3; ∅=40 мм, р=100 гПа, ω=20 π рад/с), чистой поверхности медного образца (1) и поверхности медного образца с наработанной пленкой продуктов износа (2) (микротрибометр МТЭ-1, v=17 мкм/с, р=100 гПа)

В случае множественного контакта интерпретация результатов также затруднительна из-за возможного изменения контактирующих поверхностей. В связи с этим в работе [110] эксперименты были выполнены следующим образом. На микротрибометре вместо индентора использовался цилиндрический стержень (0=1 мм), изготавливаемый из испытуемых контактных материалов. Тщательно приработанный торец цилиндра скользил по плоскому образцу из меди Ml, причем скольжение осуществлялось все время по «свежей» поверхности. Для реализации преимущественно упругого контакта эксперименты проводились при низком удельном нажатии (100 гПа) с использованием медного контртела высокого класса чистоты (Rа=0,05 мкм). Установлено (рис. 6.5, кривая 7), что при таких условиях для всех испытывавшихся материалов коэффициент трения не зависит от токовой нагрузки даже при плотностях тока, превышающих 100 А/см², в то время как для множественного контакта щетка — кольцо снижение f отмечается, начиная с j=5 А/см² (рис. 6.5, кривая 3). Отсутствует также влияние полярности на величину коэффициента трения. Значимое уменьшение f наблюдается только при высоких токовых нагрузках (>103 А/см²), обычно не применяемых в узлах токосъема с данным типом контактных материалов.  

В случае скольжения по поверхности медного образца с наработанной пленкой фрикционного переноса отмечается небольшое уменьшение коэффициента трения с увеличением силы тока (рис. 6.5, кривая 2). Однако очевидно, что при неизменном состоянии рабочей поверхности контртела и реализации упругого контакта нельзя ожидать столь заметного уменьшения трения, как это наблюдается в реальных СК.

Рис. 6.6. Зависимость напряжения разрушения σ (1, 2, 3) и ширины дорожки трения d (1', 2', 3') от плотности тока в контакте j для щеток: ЭГ-2А (1, 1'), МГС-7 (2, 2') и ВТ-1 (3, 3')

Воздействие электрического тока на прочностные свойства поверхностных слоев контактных материалов, разрушающихся в режиме микрорезания, изучено при царапании испытуемых материалов стальным индентором. За показатель прочности поверхностного слоя принято условное разрушающее напряжение сг, определяемое как отношение тангенциального усилия F, необходимого для образования царапины, к площади ее поперечного сечения (, где d — ширина царапины) . Из рис. 6.6 видно, что при увеличении токовой нагрузки напряжение разрушения σ быстро убывает при одновременном возрастании ширины дорожки трения и температуры в зоне контакта. При плотностях тока, типичных для единичных пятен в щеточном контакте (104—105 А/см² [410]), отмеченные изменения для всех испытываемых материалов весьма значительны (рис. 6.7). Это позволяет предполагать, что изменение коэффициента трения при возрастании токовой нагрузки связано с уменьшением работы, затрачиваемой на разрушение поверхности контактного материала при микрорезании.

Влияние состояния рабочей поверхности металлического контртела на фрикционное поведение контакта изучено в экспериментах с обесточенной и токонагруженной щетками, скользящими по общей дорожке трения. На рис. 6.8, а представлены зависимости, полученные на контактном кольце для двух идентичных, одинаково нагруженных (300 гПа) электрографитных щеток — испытуемой (для которой регистрируется коэффициент трения) и дополнительной. При нагружении током испытуемой щетки происходит быстрое (2—5 с) уменьшение коэффициента трения. Затем в течение 102—103 с имеет место дополнительное уменьшение f до установившегося значения. При отключении тока наблюдается обратная картина.

Рис. 6.7. Зависимость контактного падения напряжения Uк, плотности тока j, прироста температуры в зоне трения ∆Т, напряжения разрушения j, ширины дорожки трения d от величины тока I при скольжении стального индентора по полированным образцам ВТ-3 (а), ЭГ-2А (б) и МГС-7 (в). (Микротрибометр МТЭ-1, υ= 2,25 мкм/с: а — N=0,3 Н, r0=180 мкм; б — N=0,3 Н, r0=150 мкм; в — N=0,1 Н, r0=280 мкм)

Если же испытуемая щетка остается обесточенной, а нагружается током дополнительная, то характерно постепенное снижение коэффициента трения без скачкообразного уменьшения его в момент включения тока. Поскольку в последнем случае коэффициент трения испытуемой щетки служит своеобразным индикатором состояния рабочей поверхности кольца [342, 380], то это означает, что изменение поверхности контртела, вызванное прохождением тока через контакт, способствует проявлению эффекта «смазывания». Однако обнаружено, что для одной и той же контактной пары характер влияния поверхностных изменений контртела на параметры трения зависит от режима работы, причем в некоторых случаях эти изменения ослабляют эффект «смазывания» (рис. 6.8, б). Таким образом, изменение состояния поверхности кольца (коллектора) неоднозначно влияет на зависимость фрикционных характеристик от токовой нагрузки и не может быть основной причиной уменьшения трения при возрастании j.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что при механической устойчивости щеточного контакта главной причиной, обусловливающей уменьшение трения при возрастании токовой нагрузки, является тепловое действие электрического тока на поверхностный слой щетки. К такому же выводу пришли ранее авторы работы [377].

Рис. 6.8. Коэффициент трения испытуемой щетки ЭГ-2А (на схеме зачернена), скользящей по одной дорожке трения медного кольца (∅=40 мм, υ=1,5 м/с) с одноименной дополнительной щеткой при нажатии на дополнительную 300 гПа (а) и 1500 гПа (б): 1 — испытуемая щетка нагружается током, дополнительная обесточена; 2 — испытуемая обесточена, дополнительная нагружается током

Согласно предложенному ими механизму, при характерной для щеточного материала критической плотности тока на пятнах контакта, локальная температура достигает значений, приводящих к интенсивному окислению материала. При этом, по мнению авторов, поверхность щетки необратимо изменяется за счет раздробления контактных площадок на множество более мелких, что уменьшает фактическую площадь контакта (ФПК). Но такой механизм трудно согласовать с некоторыми данными работы [110]. Быстрое изменение величины коэффициента трения испытуемой щетки при включении или отключении тока (рис. 6.8) указывает на обратимость воздействия на поверхность щетки. Маловероятно, чтобы уменьшение или возрастание ФПК могло осуществляться за столь короткий промежуток времени (несколько секунд). К тому же не ясно, в результате чего возрастает несущая способность поверхностного слоя щетки при нагружении ее током (ФПК уменьшается при неизменной механической нагрузке).
Для каждого типа щеточного материала действительно существует предельное значение плотности тока на контактных пятнах, причем оно тем меньше, чем ниже термостойкость связующего (см. рис. 6.6, 6.7). При достижении предельной плотности тока ширина царапины резко возрастает, исчезает четкость ее очертаний, трение становится неустойчивым, величина σ уменьшается на 1—2 порядка (см. рис. 6.6). Очевидно, что в этом случае выделение джоулева тепла приводит к разрушению связующего щеточного материала в области, прилегающей к пятну контакта, вследствие чего теряется его монолитность. Однако, по-видимому, при токовых нагрузках, реально применяющихся в узлах токосъема с рассматриваемым типом контактных материалов, критические плотности тока на пятнах контакта не достигаются. Как видно из рис. 6.6, заметное влияние электрического тока на свойства поверхностного слоя щетки имеет место в широком диапазоне плотностей тока (103—105 А/см²), предшествующих достижению предельного значения. Учитывая высокие локальные температуры, развивающиеся на пятнах контакта и в прилегающих к ним микрообъемах щеточного материала при таких плотностях тока (см. рис. 6.7), а также уменьшение прочности твердых тел с ростом температуры, можно полагать, что прохождение тока приводит к ослаблению связи между элементами структуры материала в микрообъемах, прилегающих к площадкам реального контакта. В результате облегчается процесс разрушения поверхности щетки на части контактных пятен, где реализуется микрорезание. В то же время модуль упругости рассматриваемых щеточных материалов, определяющий размер контактных площадок при упругой деформации, незначительно зависит от температуры. Поэтому отсутствует существенное влияние электрического тока на фрикционное взаимодействие пары при реализации преимущественно упругого контакта.
Таким образом, важнейшим фактором, обусловливающим проявление эффекта «смазывания» для рассматриваемой группы материалов, необходимо признать тепловое воздействие электрического тока на поверхность материала, приводящее к обратимому ослаблению его структуры в микрообъемах, прилегающих к контактным областям, и уменьшению работы сил трения на части контактных пятен, где реализуется режим микрорезания. Одновременно снижается величина предельного напряжения, при достижении которого реализуется микрорезание, что согласуется с другим общеизвестным эффектом — увеличением интенсивности изнашивания щеток при повышении плотности тока.
Разумеется, рассмотренное влияние электрического тока на поверхностный слой композиционного самосмазывающегося материала не единственный фактор, обусловливающий эффект «смазывания». Например, снижению щеточного шума во многом способствует изменение упругопластических свойств контактных материалов и соответственно устойчивости скользящего контакта при выделении джоулева тепла. В обесточенном состоянии коэффициент восстановления щеток достаточно высок (0,4—0,86) [152] и упругие колебания элементов контактного узла интенсивно возбуждаются тангенциальными соударениями микронеровностей. При прохождении тока вследствие размягчения неровностей коэффициент восстановления снижается, потери на гашение ударов растут. В результате соударения становятся более мягкими, система в тангенциальном направлении работает более устойчиво, что уменьшает щеточный шум.

Особенности фрикционного поведения щеточных материалов с низкой тепло- и электропроводностью.

Микротрибометрические исследования, моделирующие влияние электрического тока на элементарные акты фрикционного взаимодействия, указывают на существование для каждого типа щеточного, материала предельных значений плотности тока на контактных пятнах, приводящих к разрушению связующего щеточного материала в области, прилегающей к пятну контакта (см. рис. 6.6) [110, 115]. Рассмотрим факторы, определяющие величину предельной (критической) плотности тока jкр на пятне контакта. В случае движущегося с малой скоростью единичного кругового контакта прирост поверхностной температуры за счет прохождения тока может быть найден по формуле (3.35). Учитывая, что, имеем

где Ткр — критическая температура, характеризующая термостойкость материала. Следовательно, при неизменном размере контактного пятна jкр будет тем ниже, чем меньше теплопроводность и термостойкость щеточного материала и чем больше контактное сопротивление.
Выше отмечалось, что при реально применяемых в электрических машинах токовых нагрузках для основных типов щеточных материалов поверхностные изменения в результате нагревания током носят обратимый характер, т. е. температура на контактных пятнах не достигает предельных значений. Однако по мере снижения теплостойкости или тепло- и электропроводности щеточного материала в соответствии с формулой (6.1) предельное значение температуры на контактных пятнах должно достигаться при более низких плотностях тока.  
Экспериментальная проверка на микротрибометре подтвердила, что для щеточных материалов «горячего прессования» с однотипным связующим (фенолформальдегидная смола) значение jкр тем ниже, чем выше количество связующего, т. е. ниже тепло- и электропроводность материала.

Рис. 6.9. Зависимость переходного падения напряжения ∆U, интенсивности изнашивания In, коэффициента трения от плотности тока в контакте j для композиций на основе фенолформальдегидной смолы (20 маc. %), наполненных графитом (а), графитом и коллоидным серебром (б), графитом, коллоидным серебром и серебряной фольгой (в) при работе по раздельным дорожкам медного кольца (∅=40 мм, р=700 гПа, v=2 м/с)

При повышенном содержании (свыше 20 маc.%) некарбонизированного связующего в щетке значения jкр на контактных пятнах снижаются настолько существенно, что могут быть достигнуты уже при реально применяемых в СК электрических машин токовых нагрузках. Именно это обусловливает аномалии в поведении фрикционных и электрических характеристик контакта и снижение допустимой плотности тока для щеточных материалов с повышенным содержанием некарбонизированного термореактивного связующего (см. рис. 6.2, кривая 3).
Согласно работе [397], такие материалы работоспособны только при относительно низких (2—6 А/см²) плотностях тока. С повышением токовой нагрузки наблюдается нарушение стабильности работы узла токосъема, ухудшение коммутации, форсированный износ щеток. В результате проведенных испытаний [111] (рис. 6.9) применительно к множественному контакту щетка — коллектор установлено, что величина jкр зависит от удельного электросопротивления материала и контактного падения напряжения (сопротивления). Одновременно в экспериментах с токонагруженной и обесточенной щетками, скользящими по общей дорожке трения, было доказано (рис. 6.10), что изменение состояния поверхности контртела (усиление абразивной способности) при j≥jкр не является основной причиной изменения интенсивности изнашивания.

Рис. 6.10. Интенсивность изнашивания обесточенной (1) и токонагруженной (2) композиции ФФС — графит — коллоидное серебро при работе по одной дорожке контактного кольца: а — токонагруженная щетка анодно поляризована; б — катодно-поляризована, j — плотность тока под токонагруженной щеткой. Интенсивность изнашивания обесточенной электрографитной щетки ЭГ-2А (3) служит индикатором абразивных свойств рабочей поверхности кольца [111]

Прохождение электрического тока через щетки с повышенным содержанием полимерного связующего значительно усиливает абразивные свойства формируемой им дорожки трения. Однако, как видно из сравнения интенсивностей изнашивания однотипных щеток (рис. 6.10, кривые 1, 2), изменение состояния поверхности контртела не главная причина изменения интенсивности изнашивания щеток. Относительный вклад абразивного фактора уменьшается с ростом плотности тока. Приопределяющим в износе щетки становится состояние ее собственной поверхности, о чем свидетельствует резкий изгиб на кривой износа токонагруженной щетки и отсутствие подобного изгиба на кривой износа обесточенной.
Учитывая зависимость jкр от удельного электросопротивления щеточного материала и контактного падения напряжения (параметров, определяющих суммарную величину выделяемого в контактной зоне джоулева тепла), естественно предположить, что изменения на поверхности щетки при происходят в результате теплового воздействия тока.

Это подтверждается характером зависимости фрикционных характеристик от мощности тепловой энергии, выделяемой током в контакте, рассчитанной на основании экспериментальных данных.

Рис. 6.11. Зависимость коэффициента трения f от количества тепловой энергии Q, выделяемой током на единице площади номинального контакта для анодно-поляризованных щеток на основе фенолформальдегидной смолы, наполненных графитом и коллоидным серебром (1), графитом, коллоидным серебром и серебряной фольгой (2) (Q — ∆Uj) [111].

Как видно из рис. 6.11, существует некоторое предельное значение количества теплоты, выделяющейся в контакте, а следовательно, и предельное значение температуры в поверхности раздела, при которой резко изменяются фрикционные характеристики, обусловленные изменением состояния поверхности щетки.
Таким образом, для рассматриваемой группы материалов при плотностях тока больше критическойтемпература на многих контактных пятнах достигает значений, достаточных для интенсивной деструкции связующего. Разрушение связующего в микрообъемах поверхностного слоя, прилегающего к контактным площадкам, ведет к ослаблению связей между частицами наполнителя и их легкому удалению, чем объясняется интенсификация износа. Уменьшение величины сопротивления на сдвиг материала в поверхности является причиной резкого снижения коэффициента трения.
Следовательно, для композиционных материалов с низкой термической стойкостью и электропроводностью справедливы представления авторов работы [377], согласно которым фрикционное поведение СК определяется интенсивностью разрушения связующего в поверхностном слое контактного материала под действием джоулева тепла.

Влияние электрического тока на фрикционное взаимодействие высоконаполненных металлом контактных самосмазывающихся материалов.

Выше отмечалось (см. рис. 6.1), что фрикционное поведение щеток с высоким содержанием металлических компонентов (свыше 90%) отличается от поведения углеродных щеточных материалов: практически не проявляется падающая зависимость f от j, при повышении токовой нагрузки в ряде случаев трение возрастает. Характерно, что переходные слои, формируемые такими щетками на поверхности контртела, имеют незначительное количество перенесенных твердых смазок (дисульфид молибдена, графит или другие углеродные вещества). Например, в [371, 408] показано, что при работе серебрографитных щеток по медному кольцу происходит формирование пленки фрикционного переноса за счет сваривания серебра щетки с медью, а частицы графита удаляются с поверхности щетки преимущественно в виде продуктов изнашивания. В этом случае пленка, отлагающаяся на медном кольце, представляет собой композицию из индивидуальных частиц серебра, толщина которых изменяется от участка к участку (0,5—150 мкм) и которые можно рассматривать высокопроводящим металлическим продолжением кольца. Следовательно, в процессе скольжения велика вероятность образования контактных пятен типа металл — металл. Очевидно, в этом случае именно через металлические пятна контакта передается основная доля электрического тока и характер фрикционного взаимодействия в пределах таких пятен определяет фрикционное поведение множественного контакта в целом.
Соответственно для объяснения особенностей поведения фрикционных характеристик материалов рассматриваемой группы можно использовать данные исследований металлических контактов [108] (см. параграф 3.3). При плотностях тока на металлических контактных пятнах до 103—104 А/см² практически не наблюдается изменения величины как общего коэффициента трения, так и его адгезионной и деформационной составляющих. Однако при более высоких токовых нагрузках (104—106 А/см² на контактных пятнах) влияние электрического тока на трение проявляется путем облегчения пластического деформирования поверхностей в совокупности с тепловым действием, что способствует увеличению ФПК и коэффициента трения. При дальнейшем повышении токовой нагрузки (до 106 А/см² и выше) усиливается и становится преобладающим тепловое действие электрического тока, ведущее к размягчению поверхностных слоев, увеличению ФПК и схватыванию.
При экстремально высоких j значительное повышение температуры на поверхности раздела наряду с увеличением ФПК приводит к снижению прочности на срез и соответственно удельной силы трения. Преобладающее влияние второго фактора на величину коэффициента трения, по-видимому, объясняет наблюдаемое при таких условиях для высоконаполненных металлом щеток снижение f [371]. Для металлосодержащих щеток, в которых в качестве связующего используется олово или свинец, данный эффект усиливается за счет их плавления под действием джоулева тепла.
Обобщая приведенные выше результаты, можно отметить, что в основном фрикционные характеристики и, в частности, коэффициент трения СК типа композит — металл определяются воздействием электрического тока на поверхность композита (щетки), причем характер этого воздействия для различных по природе щеточных материалов неодинаков. Обратимое понижение прочности приповерхностного слоя углеродной щетки при нагревании джоулевым теплом, уменьшающее работу сил трения на части контактных пятен при реализации режима микрорезания, обусловливает проявление эффекта «смазывания» электрическим током. Необратимые изменения в приповерхностном слое щеток с повышенным содержанием некарбонированного полимерного связующего вследствие деструкции последнего при некоторой критической величине токовой нагрузки приводят к аномальному снижению трения и возрастанию интенсивности изнашивания таких материалов. Облегчение пластического деформирования поверхностей, способствующее возрастанию площади касания, объясняет особенности фрикционного поведения в случае высокоэлектропроводных контактных материалов с высоким содержанием металлических компонентов. Изменение состояния поверхности металлического контртела (переходного слоя) при прохождении тока оказывает влияние на фрикционные характеристики в меньшей степени. Как было показано ранее (см. гл. 5), переходные слои на поверхности коллектора определяют механизм токопрохождения и электрические характеристики контакта.