Триботехника электрических контактов - Токопрохождение и трение в смазанном слаботочном СК

Слаботочные скользящие контакты (ССК), как уже отмечалось, обычно работают без смазки и ведущим видом разрушения их поверхности является механическое изнашивание. Применение благородных металлов и стремление к максимально возможному снижению степени окисления контактов приводит к схватыванию даже при малых нагрузках, а необходимость стабилизировать и снизить контактное сопротивление требует их увеличения. Столь противоположные требования заставляют искать пути реализации трения в тонком слое твердой или жидкой смазки, не нарушающем контактной проводимости [129, 162]. В силу специфических условий работы (малая площадь номинального контакта) в ССК практически невозможно использовать смазки с твердыми включениями, так как это дестабилизирует контактное сопротивление. Применение чистых смазок в ряде случаев возможно

[162], но требуется дополнительный анализ особенностей их влияния на механические и электромеханические характеристики.
Из приведенных выше результатов (см. параграф 4.2) видно, что присутствие чистых смазок в зоне трения не изменяет проводимость, если площадь металлических и квазиметаллических пятен контакта остается неизменной. Уменьшение контактного сопротивления, наблюдавшееся в некоторых случаях [57, 58], при использовании смазок в низкоскоростных СК должно означать увеличение проводящей площади. Возможность влияния смазочной среды на проводящую площадь при отсутствии гидродинамических эффектов показана в экспериментах, моделирующих трение единичного полусферического индентора (радиус при вершине 50 мкм) на плоскости в отсутствие и при наличии смазки [164]. Применялась экспериментальная установка ЭП-1, описанная в параграфе 5.1. Нагрузка на индентор изменялась в пределах 10-2— 10-4 Н, скорость скольжения составляла 10-6—10-3 м/с. Использовались инденторы из золота, плоские образцы из платины, серебра, меди, алюминия, модельные смазочные среды, применявшиеся при изучении электрических свойств граничных слоев. О проводимости контакта судили по контактному падению напряжения Uк при скольжении индентора, а также по величине Uк и поведению ВАХ при неподвижном инденторе.
В результате использования образцов из благородных металлов установлено, что независимо от приложенного напряжения и типа среды при переходе индентора с сухого участка поверхности на участок, покрытый тонким слоем смазки, существенных изменений в интегральной проводимости контакта не происходит (рис. 4.7). ВАХ, снятые в стационарном состоянии как на сухой, так и на смазанной поверхности, остаются линейными. При использовании образцов из меди и алюминия большинство испытывавшихся сред также не оказывает заметного влияния на проводимость контакта. Исключение составляет комбинация медь—глицерин. В этом случае смазочная среда снижает и стабилизирует контактное падение напряжения (рис. 4.7). Отмеченное явление не может быть объяснено какими-либо механическими причинами, например демпфирующим влиянием глицерина на возможные фрикционные колебания, так как эффект стабилизации не наблюдается при смазке глицерином других металлов.
Дополнительные опыты были проведены с оксидированными на воздухе (Т=453 К, τ=18 кс) медными образцами. Установлено, что при достаточно высоких Э.Д.С. источника Е (≈5 В) проводимость в контакте индентора с сухой поверхностью образца практически отсутствует (рис. 4.7, в). Однако при «въезде» на участок с нанесенным слоем глицерина наблюдается картина, свидетельствующая б непрерывных фриттингах, что указывает на уменьшение толщины окисной пленки. Утонение окисной пленки, а не облегчение ее механического разрушения индентором подтверждается тем, что при снижении величины Е, например, до 0,5 В проводимость отсутствует.

Рис. 4.7. Характер изменения контактного падения напряжения при переходе индентора с сухих участков металлической поверхности на смазанные

Следовательно, в отсутствие гидродинамических эффектов смазка может влиять на проводящую площадь путем химического взаимодействия с плохо проводящими слоями на поверхностях трения и защитного действия от окисления.
Модельные эксперименты [57, 58], проведенные с набором конических контактов, скользящих по диску, показали, что применение смазки, обеспечивающей поверхностно-активное действие, может решить задачу создания стабильного ССК при использовании обычных контактных материалов. Радиус закругления контакта составлял 0,3 мм, нагрузка изменялась в пределах 0,1—0,5 Н, а скорость скольжения — от 0,0015 до 0,15 м/с. Образцы испытывались в течение 6-104 оборотов диска (5-103 м пути скольжения) при токе 10 мА. Кроме того, проводились испытания на вибростенде с частотой 30 Гц и ускорением 0,5 g, а также на ударном стенде с частотой 1 Гц и ускорением 7 g. В табл. 4.3 приведены результаты измерений контактного сопротивления до и после испытаний на вибростойкость. 

Таблица 4.3
Контактное сопротивление смазанных пар

Примечание. Во всех случаях сочетания контактных пар в условиях трения всухую при вибрации контакт нестабилен, в условиях смазки контакт стабилен.

Из таблицы следует, что глицерин улучшил переходное сопротивление пары, видимо, вследствие растворения непроводящих пленок на поверхности металла, а кроме того, обеспечил устойчивый без разрывов контакт при вибрационных испытаниях.
Метод получения эффективных смазок за счет введения малых поверхностно-активных добавок в основу, свойства которой могут быть широко варьированы применительно к конкретным условиям работы, проверялся на ряде композиций масел с присадками [57, 58]. В качестве их основы использовалась маловязкая инактивная керосиногазойлевая фракция легкой балаханской нефти, по которой готовится, в частности, обладающее стабильной температурно-вязкостной характеристикой в диапазоне —50+ 50 °С гидравлическое масло АМГ-10. В качестве присадки выбран оксипропилированный глицерин, который, по данным работы [88], обусловливает реализацию режима избирательного переноса более эффективно, чем чистый глицерин. Была также определена минимальная концентрация присадки, обеспечивающая требуемую износостойкость пары трения. Выбор оптимальной пары осуществлялся на основании ресурсных ускоренных испытаний. В табл. 4.4 представлены результаты сравнительных ресурсных испытаний. Из таблицы видно, что наилучшей износостойкостью обладает пара бронза Бр0Ф10-1 — хром, а минимальное необходимое содержание присадки составляет 0,1 об. %.

Таблица 4.4
Результаты ресурсных испытаний контактов

Примечание. При трении всухую контакт не отрабатывает ресурса.

При этом интенсивность изнашивания пары БрОФ10-1—хром, подсчитанная по формулам, приведенным в работе [123], равна 10-11 и лежит в пределах, характерных для интенсивности изнашивания при избирательном переносе. Микрофотографии поверхности контакта, полученные на просвечивающем электронном микроскопе с угольных реплик, свидетельствуют о различном характере разрушения поверхности в инактивном масле и масле с присадкой ПАВ (рис. 4.8). Если в первом случае четко фиксируются усталостные трещины в поверхностном слое, то во втором случае поверхность имеет следы пластического оттеснения металла.
Для изучения гидродинамических эффектов в граничном слое смазки, содержащей ПАВ, указанная выше инактивная основа смешивалась с загущающей поверхностно-активной присадкой — поливинил-н-бутиловым эфиром (виниполом) [101]. Контактные пары состояли из платиноникелевых конических щеток, скользящих по медной маске, покрытой электролитическим хромом. Результаты испытаний макета СК преобразователя в смазочной среде с различным содержанием винипола свидетельствуют о том, что смазочная жидкость, состоящая из чистой основы, а также смесь, содержащая малое количество винипола, не обеспечивают надежного контакта при малых нагрузках уже при нормальной температуре. Надежная коммутация электрической цепи как при +20 °С, так и при —60 °С наблюдалась при работе СК в тех смазочных композициях, где количество винипола составляет 5 и 6% соответственно. Дальнейшее повышение содержания винипола приводит к разрывам в электрической цепи СК при низких температурах.

Рис. 4.8. Поверхность трения бронзовой щетки после 36 ч трения по хромовому покрытию кодового диска при смазке АМГ-10 (а) и АМГ-10+0,2 % оксипропилированного глицерина (б): а — Х10 000; б — Х40 000

Достижение устойчивости контакта при меньших нагрузках с увеличением содержания загущающей присадки в смазочной жидкости до 5—6% является несколько неожиданным, так как вязкость среды и вероятность возникновения гидродинамического клина возрастают, а снижение удельного объемного сопротивления масла при увеличении в нем количества винипола незначительно (сопротивление не падает ниже 1013 Ом-см). Поэтому правомерно предположить, что присадка при трении оказывает сильное влияние на процесс разрушения окисла на металле. 

Таблица 4.5
Нестабильность падения напряжения на контакте для заданной длины скольжения (t=20 °С; р=0,2Н)

Для проверки этого предположения были проведены сравнительные испытания СК при низком напряжении (48 мВ), исключающем пробои поверхностной окисной пленки, а также при рабочем напряжении (12 В). В табл. 4.5 представлены отклонения значений падения напряжения в процентах от подаваемого напряжения. Полученные результаты свидетельствуют о том, что имеющаяся на контактных поверхностях окисная пленка, не позволяющая надежно коммутировать электрическую цепь при малых напряжениях, по-видимому, разрушается при воздействии смазки с добавкой винипола, обладающего поверхностно-активными свойствами.
ССК со смазочными жидкостями, содержащими различное количество винипола, испытывались на виброустойчивость и износостойкость (наработка составляет 60 000 оборотов диска — требуемый ресурс работы прибора). Увеличение количества присадки несколько повышает износостойкость точечного контакта щеток (табл. 4.6). Однако повышение содержания винипола свыше 6% приводит к неустойчивости электрического контакта при низких температурах, вследствие того, что рост вязкости среды становится определяющим фактором, вызывающим проявление гидродинамических эффектов и разрывов металлического или квазиметаллического контакта.
Таким образом, в низкоскоростных ССК смазка не препятствует формированию металлических (квазиметаллических) контактных пятен. В результате отсутствуют электрические разряды через смазочную прослойку и эрозионное разрушение поверхностей. Наблюдаемое на практике снижение трения и изнашивания, по-видимому, связано с возрастанием доли контактных пятен с туннельно-проводящей смазочной прослойкой, снижающей межмолекулярное взаимодействие поверхностей. 

Таблица 4.6
Результаты испытаний ССК на износостойкость и виброустойчивость (частота колебаний 25 Гц; амплитуда 0,1 мм; ускорение 5 м/с2; I=10 мА; U=12 В; р=0,14—0,16 Н; t=20 °С)

Примечание. Контакт устойчив для всех композиций.

Учитывая изложенные выше результаты, можно полагать, что при использовании смазки в низкоскоростных ССК ее электропроводность не играет существенной роли. Более важными критериями пригодности смазки для таких условий являются ее смазочная способность по отношению к данной паре контактных материалов, а также способность предотвращать образование непроводящих слоев на поверхностях трения.
При возрастании скорости скольжения увеличивается вероятность разделения контактирующих поверхностей сплошной смазочной прослойкой, толщина которой превосходит зону туннельной проводимости. При расхождении контактирующих микровыступов на расстояние, превышающее зону туннельной проводимости, передача тока через данные микровыступы практически прекращается. Это наглядно демонстрируется в экспериментах, моделирующих разрыв металлических пятен контакта при приложении напряжения в несколько милливольт (см. рис. 4.2, а). Следовательно, в указанных слаботочных контактах в момент исчезновения металлических (квазиметаллических) пятен контакта проводимость должна отсутствовать. Данное положение согласуется с осциллографическими исследованиями Фури [352]. Им было показано, что при относительно высокой скорости скольжения и низком напряжении в смазанном контакте имеет место чередование промежутков времени, в течение которых наблюдается низкое контактное сопротивление, с промежутками, когда Rк бесконечно велико.
Введение смазки в слаботочный, высокоскоростной СК приводит к резкому возрастанию среднего значения контактного падения напряжения ∆U (рис. 4.9).  

Рис. 4.9. Изменение контактного падения напряжения UК при введении капли масла МС-20 в зону трения пары медь—сталь при скоростях скольжения 0,1 м/с (а) и 2 м/с (б) (р = 0,1 МПа, E'=10 мВ)

Согласно [352], средняя величина контактного падения напряжения (контактного сопротивления), регистрируемая приборами с высокой инерционностью (например, потенциометрами), характеризует частоту возникновения (исчезновения) металлических и квазиметаллических контактных пятен. Следовательно, высокое значение АСУ означает, что в слаботочных контактах при относительно высокой скорости скольжения значительную часть времени проводимость отсутствует. Электрический ток проходит в виде импульсов в моменты образования металлических или квазиметаллических контактных пятен. В связи с этим использование смазок требует учета нагрузочно-скоростного режима, геометрии контакта, возможности образования гидродинамического клина. Повышение удельной проводимости смазки может при этом смягчить условия токопрохождения и уменьшить вероятность электроэрозионного износа.