Триботехника электрических контактов - Пути повышения работоспособности электрических контактов

Характерной тенденцией для развития новых направлений в науке и технике в наше время является необходимость использования подвижных сопряжений в экстремальных условиях. В дополнение к традиционным трудностям, возникающим при удовлетворении антагонистических требований к фрикционным и электромеханическим характеристикам электрических контактов, в экстремальных режимах эксплуатации- добавляются новые осложнения. Для иллюстрации действия, например, различных условий работы на надежность и долговечность электрических контактов приведем табл. 1.2, 1.3, относящиеся к устройствам с разъемными контактами. 

В таблицах даны коэффициенты, на которые необходимо умножить интенсивность отказов контактов и их долговечность, определяемую продолжительностью нормальной работы контактов при постоянной интенсивности отказов, чтобы получить ожидаемые величины этих характеристик в соответствующих натурных условиях эксплуатации. 

Таблица 12
Поправочные коэффициенты для оценки интенсивности отказов изделий, учитывающие условия эксплуатации [38]

Из таблиц видно, что в ряде устройств современной техники ужесточение условий работы приводит к повышению интенсивности отказов по сравнению с лабораторными условиями в десятки, а иногда и в сотни раз и к снижению долговечности в несколько раз.
Для повышения надежности работы электрических контактов и их долговечности применяются различные методы. Их общей характерной чертой является создание на поверхностях контакта материалов тонких переходных слоев, не влияющих на процесс передачи тока через контакт, но резко снижающих вероятность схватывания, сваривания и интенсивного механического изнашивания.
Наиболее известно и разработано применение композиционных материалов, содержащих в составе твердые смазки, обладающие электропроводностью. Этот метод, реализованный первоначально в углеграфитовых контактных материалах для щеток электромашин, в настоящее время широко используется и в конструировании различных типов скользящих и разрывных контактов [311]. Имеются рекомендации по применению твердых проводящих смазок и в слаботочных СК [129].
В последнее время внимание исследователей привлекают электропроводные металлографитные композиты с высоким содержанием металла, который вводится в материал путем пропитки его пор расплавом или при спекании                                                                                      металлизированных частиц графита. При этом общее содержание металла в композитах достигает 50 мас. % и выше. Указанные материалы, по сведениям фирмы «Вестингауз», позволяют резко повысить плотности тока под щетками [393]. Получены положительные результаты испытания спеченных материалов, пропитанных легкоплавкими сплавами в сильноточных токосъемах транспорта [44].

Таблица 1.3
Поправочные коэффициенты на условную долговечность изделий, работающих в различных видах аппаратуры [38]

Для некоторых сильноточных токосъемов предложены конструкции щеток, напоминающие конструкции XIX в. (щетки из медных проволочек). Современные щетки такого типа формируются в основном из металлизированных углеродных волокон и обладают высокими фрикционными характеристиками при обеспечении повышенных плотностей тока [393].
Несмотря на имеющиеся достижения, совершенствование структуры электропроводных антифрикционных композитов остается весьма актуальной задачей с точки зрения как повышения их эксплуатационных характеристик, так и возможного снижения содержания в них все более дефицитных цветных металлов. Одним из таких путей совершенствования структуры является создание композитов с объемно-регулярными звеньями, обладающих равной прочностью и электропроводностью практически в любом сечении материала за счет создания непрерывной металлической матрицы и равномерного распределения твердо-смазочных компонент в объеме [41].
Использование твердых электропроводных смазок или электропроводных компаундов не единственно возможный метод повышения эффективности работы различных типов контактов. 

В последние годы специалисты, проектирующие самые различные типы контактов от сильноточных шарнирных токосъемов [179] до слаботочных скользящих контактов электроники [80], обращают внимание на смазки [64, 126, 162, 317, 337, 340, 350, 351, 372—374, 383].
Однако область применения известных смазок весьма ограничена и эффект от их использования заметен в основном в низкоскоростных металлических контактных парах при относительно невысоких плотностях тока [57, 58, 317, 324].

Рис. 1.3. Объект исследования

В этом случае удачный подбор смазочной среды позволяет повысить износостойкость, уменьшить коэффициент трения при одновременной стабилизации и снижении контактного сопротивления. Существуют попытки применить смазки в сильноточных контактах при невысоких скоростях скольжения [84]. Возрастание скорости скольжения, как правило, приводит к резкому повышению интенсивности изнашивания, эрозионному повреждению поверхностей трения, изменению состава смазки [279]. При этом величина контактного напряжения значительно увеличивается, а вольтамперная характеристика (ВАХ) приобретает нелинейность формы [268, 336].
Очевидно, что эффективность применения смазки в СК определяется не только ее способностью снижать трение на границе раздела, но и характером воздействия на процесс передачи электрического тока. Между тем вопрос о влиянии граничных слоев на механизм токопрохождения изучен недостаточно. Так, в [146] предполагается, что для обеспечения нормального токопрохождения слой смазки не должен превышать по толщине высоту микровыступов. Напротив, по мнению авторов работы [251], особая роль смазки состоит в создании граничных слоев, дающих дополнительную проводимость. Согласно данным работ [340, 373], смазки, применяемые в слаботочных низкоскоростных СК для снижения контактного сопротивления, должны защищать поверхность трения от появления на ней непроводящих пленок, например окисных.

Рис. 1.4. Факторы действия граничного слоя в контакте

В работе [126] для тех же целей рекомендуется применять смазки с повышенной объемной электропроводностью.
Анализируя совокупность механических и физико-химических факторов на скользящем электрическом контакте, можно составить общую схему объекта исследования (рис. 1.3). Здесь фрикционными и электромеханическими параметрами сопряжения являются нагрузка р, скорость относительного перемещения поверхностей контакта v, плотность тока Ш и напряжение U в цепи, которую контакт коммутирует. Дополнительным фактором воздействия служит окружающая среда с соответствующим давлением р0, химической активностью р и температурой Т. Контакт включает два твердых тела и третье тело, состоящее в общем случае из граничного слоя смазки и пленок на поверхностях контактирующих твердых тел. Выходными характеристиками сопряжения могут быть его интенсивность изнашивания Ih, определяющая долговечность контакта, коэффициент трения в нем f, соответствующий уровню механических потерь, интенсивность отказов X, определяющая надежность коммутации, и переходное падение напряжения Uk, соответствующее уровню электрических потерь.
Факторы действия граничного слоя можно также разделить на группы, выделив в них позитивные и негативные (рис. 1.4). Отметим, что наряду с положительными факторами, обеспечивающими снижение механических и электрических потерь, повышение долговечности и надежности работы контактов, возможно проявление и негативных — необходимости в ряде случаев усложнения конструкций, предотвращения разрыва контакта при трении, приводящего к искрению и электрической эрозии контакта. Наличие многофакторного воздействия в широком диапазоне условий предусматривает возможность существования оптимального сочетания свойств граничных слоев, обеспечивающего одновременное удовлетворение антагонистических требований к фрикционным и электромеханическим характеристикам контактов. Поиск такого сочетания может быть выполнен на основе всестороннего исследования механизма граничного трения, изменения структуры и состава поверхностных слоев трущихся тел, влияния граничного слоя на фрикционное взаимодействие и токопрохождение в контакте. Учитывая анализ ряда работ, а также отдельные практические решения, можно сделать вывод о том, что существуют достаточно обоснованные предпосылки для решения проблемы повышения износостойкости, долговечности и надежности многих типов электрических контактов при эффективном использовании условий граничного трения.