Кончиц В. В., Мешков В. В., Мышкин Н. К. Триботехника электрических контактов / Под ред. В. А. Белого.— Минск: Наука и техника, 1986.
Книга посвящена проблемам повышения работоспособности скользящих электрических контактов на основе современных достижений теории трения, изнашивания, смазки и фрикционного материаловедения. Излагаются основные сведения об условиях работы, областях применения, материалах и требованиях к электрическим контактам. Систематизированы новые технические решения в области создания материалов и смазок для электрических контактов, технологических приемов их получения. Рассматриваются методы испытаний материалов и смазок при прохождении электрического тока, в том числе в экстремальных условиях (вакуум, высокие скорости и др.).
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проблемами трения и изнашивания, фрикционного и электротехнического материаловедения, будет полезна аспирантам и студентам соответствующих специальностей.
ОТ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА
Повышение надежности, экономичности и производительности машин, снижение их материалоемкости и энергоемкости непосредственно связаны с развитием фундаментальных и прикладных исследований в области трения, смазок и износа, поскольку именно подвижные сопряжения являются наименее надежными элементами техники и вызывают огромные материальные и энергетические потери. Масштабы этих потерь в промышленно развитых странах мира составляют десятки миллиардов рублей.
К одним из наиболее распространенных в технике подвижных сопряжений относятся электрические контакты. От них требуется обеспечение высокой эксплуатационной надежности функционирования систем энергетики, устройств автоматики и телемеханики. Через скользящие электрические контакты проходит большая доля добываемой в мире электроэнергии. Поэтому даже незначительное снижение уровня электрических и механических потерь в контактах эквивалентно ее огромной экономии. Особая сложность решения триботехнических проблем в электрических контактах обусловлена действием такого фактора, как электрический ток, приводящего к ужесточению условий внешнего трения и изнашивания.
Несмотря на достигнутые в области триботехники электрических контактов успехи, к настоящему времени отсутствуют четкие представления о взаимосвязи механических и электрических характеристик контакта в условиях внешнего трения, не завершена разработка научных принципов создания материалов и смазок для электрических контактов. В значительной мере не доведены до инженерного уровня аналитические методы расчета важнейших контактных характеристик, таких, как фактическая площадь контакта и его переходное сопротивление, имеющих важное значение не только в электротехнике, но и в теории трения и износа.
Предлагаемая вниманию читателей монография сотрудников Института механики металлополимерных систем АН БССР в определенной мере решает указанные проблемы. Наряду с обширным анализом советской и зарубежной научной литературы в области изучения и разработки электрических контактов в ней освещен большой объем выполненных авторами исследований проводимости скользящего контакта, влияния электрического тока на фрикционное взаимодействие твердых тел, а также логически вытекающие из результатов исследований требования к свойствам контактных материалов и смазок. Использованный авторами подход к решению проблем повышения надежности и долговечности скользящих электрических контактов с позиции триботехники открывает широкие возможности управления фрикционными и электромеханическими характеристиками многих типов контактов, а также применения приведенных научных и практических результатов для повышения эффективности обычных узлов трения.
Учитывая актуальность решаемых задач, выход в свет книги, посвященной трибологическим и материаловедческим аспектам повышения эффективности электрических контактов, следует признать весьма своевременным и необходимым.
Академик АН БССР
В. А. БЕЛЫЙ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Проблема создания электрического контакта твердых тел, обеспечивающего надежную коммутацию электрических цепей, появилась одновременно с возникновением электротехники.
Создание первых электрических машин уже в XIX в. обусловило практическую необходимость разработки надежного скользящего электрического контакта. Последующее развитие электромашиностроения и электроаппаратостроения, телемеханики, радиотехники и электроники сделало электрические контакты одним из самых распространенных и ответственных элементов в этих областях техники. Электрические контакты коммутируют токи в очень широком диапазоне величин — от сверхслабых (~10-10 А) в устройствах микроэлектроники до сверхсильных (~106 А) в сильноточных машинах и аппаратах.
В последние десятилетия интерес к электрическим контактам продолжал возрастать в связи с расширением областей их применения, необходимостью работы в экстремальных условиях эксплуатации. При этом особое внимание обращалось на скользящие электрические контакты, прохождение тока в которых неразрывно связано с процессами трения и изнашивания. В то же время в научной литературе проблема скользящего электрического контакта с точки зрения современного уровня науки о трении, смазках и изнашивании в значительной мере не освещена. Фундаментальная работа Хольма, вышедшая первым изданием еще в 1946 г., хотя и не потеряла до сих пор значения, тем не менее уже не может полностью удовлетворить специалистов в области скользящих контактов. В ряде последующих работ, в частности монографиях А. К. Белоусова и В. С. Савченко, П. С. Лившица, Е. Шоберта и др., особенности трения и изнашивания в электрических контактах рассматривались применительно к конкретным их типам.
При рассмотрении материаловедческих аспектов проблемы создания скользящего электрического контакта можно отметить, что в этой области большинство исследователей идут по пути эмпирического подбора материалов для контактных пар, наиболее устойчивых против изнашивания под действием электрического тока и обладающих необходимыми электрическими характеристиками. Выполненные ими работы касаются в основном изучения зависимости фрикционных и электрических характеристик материала от его состава, нагрузочно-скоростных параметров, состояния окружающей среды и т. п. без детального рассмотрения физики процессов трения и токопрохождения.
Авторы настоящей книги, не стремясь полностью осветить все связанные с обеспечением эксплуатационной эффективности электрических контактов вопросы, требующие специального рассмотрения, ставили своей задачей по возможности сократить разрыв между уровнем, достигнутым в науке о трении и триботехническом материаловедении, и инженерными методами обеспечения надежности и долговечности скользящих электрических контактов.
В работе систематизированы новые теоретические и экспериментальные данные по механизму контактного взаимодействия твердых тел в условиях прохождения электрического тока. Особое внимание уделено роли переходных слоев на сухом и смазанном электрическом контакте. Это объясняется тем, что создание между трущимися телами промежуточных слоев (окисные, перенесенные, смазочные), обладающих низкой прочностью на сдвиг и ослабляющих межмолекулярное взаимодействие, является общим принципом обеспечения высоких фрикционных характеристик сопряжения. В то же время формирующиеся (до или в процессе работы) переходные слои в зависимости от структуры и электропроводящих свойств определяют характер прохождения тока через контакт и его электрические характеристики.
Значительное место в монографии уделено малоисследованным вопросам влияния электрического тока на фрикционное взаимодействие в различных типах контактов. На основе всестороннего рассмотрения закономерностей трения и токопрохождения, взаимосвязи электрических и механических факторов в скользящих электрических контактах сформулированы рекомендации по разработке контактных материалов и смазок с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Главы 1—3 написаны Н. К. Мышкиным (параграф 2.2— В. В. Мешковым, параграф 3.3—В. В. Кончицем), глава 4— Н. К. Мышкиным и В. В. Кончицем, главы 5, 6—В. В. Кончицем, главы 7, 8—В. В. Мешковым (параграф 7.2—совместно с В. В. Кончицем и параграф 8.1 — совместно с Н. К. Мышкиным).
Авторы считают своим долгом выразить искреннюю признательность академику АН БССР В. А. Белому и члену-корреспонденту АН БССР А. И. Свириденку за постоянное внимание к постановке и развитию исследований, а также выражают благодарность доктору технических наук В. Г. Савкину, кандидату технических наук М. И. Петроковцу за ценные замечания при обсуждении результатов.
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
а — радиус пятна контакта;
I — сила тока;
U— напряжение;
Uк — контактное падение напряжения;
Rк— контактное сопротивление;
Rc— сопротивление стягивания;
Rп — сопротивление в контакте, вызванное пленками;
f— коэффициент трения;
N— нагрузка;
р — давление;
р —удельное сопротивление;
λ — коэффициент теплопроводности;
Т — температура;
∆Т — прирост температуры контактной поверхности;
НВ — твердость по Бринеллю;
∆U — падение напряжения в щеточном контакте;
h— толщина слоя;
j— плотность тока;
v— скорость скольжения;
w — угловая скорость скольжения;
F— сила трения;
Аа, Ас, Аr —соответственно номинальная, контурная и фактическая площадь касания;
Е — модуль упругости;
р — коэффициент Пуассона;
п — число пятен контакта;
G— проводимость;
α — температурный коэффициент сопротивления;
с — теплоемкость;
П — пористость;
V — объем;
γ — плотность;
t— время;
Q— количество тепла;
Ih— интенсивность изнашивания;
r0 — радиус закругления при вершине индентора;
Е' — э. д. с. источника;
И — износ.
