Триботехника электрических контактов - Влияние полярности на проводимость в контакте композит-металл

5.3.      Влияние полярности на проводимость в контакте композит — металл

Характерной чертой скользящих контактов композит — металл является зависимость их электрических характеристик от направления протекания тока. Так, в контактах щетка — медный коллектор (контактное кольцо) величины переходного падения напряжения под анодно-поляризованной (∆U+) и катодно-поляризованной (∆U) щетками могут существенно различаться (иногда в 2—3 раза) [174, 410]. При этом, как правило, для металлосодержащих щеток (меднографитные, серебрографитные, металлополимерные) выполняется соотношение   а для «черных» (не содержащих металлических компонентов) марок щеток неравенство имеет противоположный знак. Изменение внешних факторов по-разному сказывается на величинах ДС/+ и АСУ—. Например, водяные пары имеют тенденцию снижать ∆U+ и увеличивать ∆U-[396]. Для «черных» марок щеток ∆U+ всегда растет с увеличением плотности тока, в то время как ∆U- при больших j изменяется мало и может иногда снижаться [319]. Все это создает определенные трудности как при учете свойств щеточного контакта в уравнении коммутации, так и при разработке новых электрощеточных материалов с заданными эксплуатационными характеристиками.
Существование противоположных точек зрения на механизм прохождения электрического тока через СК (см. параграф 5.2) обусловливает неодинаковое толкование природы полярных различий. В соответствии с «фриттинговым» механизмом Хольма и его последователей [298, 329, 357, 410, 411] большая толщина слоя закиси меди в коллекторной пленке под катодно-поляризованной щеткой обусловливает неравенство ∆U-→∆U+ для углеродных щеток. При этом в работе [329] подчеркивается, что решающее значение имеет толщина слоя Сu2О на вершинах микровыступов коллектора. Поле действует на перемещение ионов только в момент формирования контактного пятна. Поэтому при положительной полярности щетки поле препятствует, а при отрицательной — способствует движению ионов и росту окислов прежде всего на контактных пятнах. Об этом свидетельствуют микроскопические исследования [417], где показано, что на поверхности коллектора под щеткой-анодом видны полированные области контактных площадок, на которых в отличие от окружающих образуются достаточно толстые пленки, дающие интерференционные цвета. При изменении полярности эти области заметно тускнеют. Считается, что окисление контактных пятен под действием поля является быстро протекающим процессом [410]. В подтверждение этого автором работы [410] описан эксперимент по осциллографированию изменений величины ∆U для электрографитной щетки при реверсировании тока. Переключение полярности щетки с «+» на «—» приводило практически к мгновенному возрастанию величины ∆U менее чем за 1/5 с. При обратном реверсе через 1 с значение ∆U также скачком уменьшилось за еще более короткое время.
В работе [358] сделан вывод о том, что, помимо различия в скорости окисления, неравенство характерное для углеродных щеток, связано также с различием в механизме фриттинга под анодной и катодной щетками. В случае отрицательной полярности щетки при фриттинге образуются металлические мостики за счет ионов, перемещающихся и конгломерирующихся в пленке. Мостики очень быстро окисляются и вновь подвергаются фриттингу, причем фриттинг облегчается износом. Флуктуации величины, свойственные катодным щеткам, есть результат повторяющихся фриттингов окисляющихся мостиков. Под щеткой-анодом фриттинг представляет собой электрическое разрушение пленки при напряженности поля ~108 В/м. При этом на контактных пятнах остается туннельно-проводящая пленка, которая предотвращает дальнейшее быстрое окисление. В результате ∆U+ имеет более стабильное и низкое значение.
Общими недостатками рассмотренных выше механизмов являются невозможность объяснения полярных эффектов в скользящем контакте металлосодержащих щеток; отсутствие прямого экспериментального подтверждения; недооценка роли слоев переноса.
Наличие в коллекторной пленке значительного количества закиси меди, являющейся полупроводником p-типа, позволило ряду авторов, исследовавших полярные эффекты, провести параллель между щеточным контактом и медно-закисным выпрямителем [174]. Считается [174], что для катодно-поляризованной щетки медно-закисная пленка представляет собой изолирующую поверхность. Однако в отличие от медно-закисного выпрямителя, в котором запирающий слой между закисью меди и медью образуется практически по всей площади соприкосновения, для контакта щетка — коллектор этот слой имеет разрывы.  

В процессе токопрохождения от щетки анода к коллектору участвуют как участки с точечной проводимостью через нарушенную пленку закиси меди, так и участки контакта щетки с коллекторной пленкой, где проводимость подобна токопрохождению через обычный медно-закисный вентиль (в прямом направлении). Упрощенная схема замещения в данном случае может быть представлена в виде параллельно включенных сопротивлений вентилей и сопротивлений пятен контакта щетки непосредственно с коллектором (рис. 5.8, а). Несколько более сложные схемы замещения (рис. 5.8, б, в, г), также включающие вентильное сопротивление, описаны в работах [120, 135, 272]. Однако в них отсутствует прямое экспериментальное подтверждение решающей роли запорного слоя на границе раздела Сu2О — медь в коллекторной пленке. Напротив, имеются данные, свидетельствующие об обратном. Согласно работе [424], полярные эффекты одинаковы на меди и цинке, хотя их окислы являются полупроводниками р- и n-типа соответственно. Отмечено [357], что в начальный момент работы, пока существует непосредственный контакт щетки с коллектором, полярные различия практически отсутствуют, хотя в этом случае щетка соприкасается в основном с закисью меди.
Механизмы, в которых учитываются полупроводниковые свойства закиси меди, также как и ранее описанные, позволяют качественно объяснить полярные эффекты только для «черных» щеток. В связи с этим для случая металлосодержащих щеток было предположено [319], что на их поверхностях, так же как и на коллекторе, формируются окисные пленки. В результате образуется сложная система запорных слоев, приводящая к неравенству. Впоследствии эта гипотеза высказывалась Нэллиным [174] и получила наибольшее развитие в работах Карасева и др. [4]. Ими предложена схема замещения скользящего контакта (рис. 5.8, е), включающая сопротивление вентильных участков щеток. Предполагается, что введение данного сопротивления в схему замещения позволяет избежать трудностей при объяснении полярных различий металлосодержащих щеток. Однако убедительных данных, которые свидетельствовали бы о существенной роли окисных пленок на поверхности щетки, авторы не приводят. Вместе с тем для неокисляющихся серебро-графитных щеток в ряде случаев свойственны такие же полярные различия, как и для окисляющихся медьсодержащих [410, с. 52—59]. Аналогичный результат получен для металло-полимерных щеток, включающих только неокисляющиеся металлические компоненты(серебро) [112, 323], Отсюда следует, что неравенство, характерное скользящему контакту металлосодержащих щеток, нельзя объяснить существованием окисных пленок на поверхности щеток.  

Рис. 5.8. Схемы замещения щеточного контакта, использовавшиеся в работах [174] (а); [135] (б); [120, 272] (в, г); [4] (д, е): а — Rп — запирающего слоя между закисью меди и медью; г — точек контакта щеток непосредственно с коллектором; б — rщ — в контакте щетка — верхний слой политуры; r3 — через воздушные зазоры в контакте; rк — в верхнем слое политуры; rн — в контакте верхний слой политуры — нижний слой политуры Сu2О; rт — в нижнем слое политуры Сu2О; rм — в контакте нижний слой политуры — материал коллектора; в, г — rщ — между щеткой и коллекторной пленкой; Rут — участков активной проводимости наружной пленки Сu2О; Rас — запирающего полупроводящего слоя; rп — тела пленки Сu2О; д, е — rп— точек контакта щетки с пленкой коллектора, включая окисную пленку на поверхности металлосодержащих щеток; R — участков пленки коллектора, не имеющих окисных составляющих; — вентильных участков щеток; rп— точек контакта щеток непосредственно с коллектором

Объяснение необходимо искать в свойствах пленок, формируемых металлосодержащими щетками на поверхности медного контртела. Для установления факторов, обусловливающих неравенство переходного падения напряжения под разно-полярными металлосодержащими щетками, работающими в паре с медным кольцом, в работах [112, 323] исследовано влияние полярности на сопротивление основных каналов проводимости в щеточном контакте. Поскольку полярные эффекты наиболее отчетливо проявляются для щеток с содержанием металла 40—60 маc.% [174, 410], то объектами для исследования были выбраны серийные медно-графитные щетки МГС-7 и металло-полимерные щетки на основе медной (МП-7М) и серебряной (МП-7С) фольги, содержащие указанное количество металлических компонентов.

Рис. 5.9. Зависимость коэффициента трения f, контактного падения напряжения ∆U от плотности тока I для медно-графитных щеток МГС-7 (а) и опытных металло-полимерных щеток МП-9С (б) при работе по медному кольцу (Ø=8,5 мм, Р=500 гПа, ω=20 π рад/с, Aа=5 мм²); время выдержки на ступени тока 1,8 кс. Сплошные линии — щетка анодно-поляризована, пунктирные — щетка катодно-поляризована

При работе щеток по контактному кольцу отмечались явления, характерные для практики эксплуатации электрических машин: в области реально применяемых плотностей тока (5—30 А/см²) выполняется соотношение ; при работе по раздельным дорожкам анодно-поляризованная щетка отлагает значительное количество продуктов износа на поверхности кольца, в то время как катодная поляризация щетки способствует очищению дорожки трения; на общей дорожке полярные различия менее существенны, чем на раздельных, однако сохраняются для всех испытывавшихся материалов; при повышенных токовых нагрузках для катодно-поляризованных щеток наблюдается явление «металлизации», заключающееся в обогащении контактной поверхности щетки окисленными медными частицами; для катодно- и анодно-поляризованной щетки различие в величинах, а также в форме ВАХ наблюдается как при выдержке на каждой ступени тока до установившегося режима (рис. 5.9), так и при времени снятия ВАХ 1—3 с (рис. 5.10).

Различие в составе поверхностных слоев разно-полярных щеток и формируемых ими коллекторных пленок может являться одной из причин, приводящих к неравенству между. Чтобы исключить действие данного фактора, было изучено влияние полярности на проводимость щеточного контакта при практически неизменном состоянии контактирующих поверхностей. Для одной и той же щетки, длительно работавшей в заданном режиме по отдельной дорожке контактного кольца, в течение короткого времени (5—10 с) снимались две ВАХ при противоположном направлении тока.

Рис. 5.10. ВАХ анодно-поляризованных (сплошные линии) и катодно-поляризованных (пунктирные линии) медно-графитных щеток МГС-7 (1) и металло-полимерных щеток на основе медной (МП-7М) (2) и серебряной (МП-7С) (3) фольги при работе по раздельным дорожкам на медном контактном кольце (Ø=40 мм, Р=500 гПа, υ=1,5 м/с, j=15 А/см², время снятия ВАХ — 1—3 с)

Из рис. 5.11 видно, что независимо от режима работы, предшествовавшего снятию ВАХ, существуют полярные различия, причем в области плотностей тока 5—30 А/см² справедливо соотношение .
Выше показано (см. параграф 5.2), что в общем случае передача тока в щеточном контакте осуществляется преимущественно по двум параллельным ветвям: через а- или α-пятна и через слой ПМ. Для простоты изложения будем называть проводимость через а- или α-пятна а-проводимостью, через участки с разрушенным слоем Сu2О, на которых имеет место физический контакт меди и перенесенного щеточного материала, — с проводимостью, а через участки с неповрежденным слоем закиси меди под ПМ — d-проводимостью.
Проводимость сформированных а-пятен в зависимости от направления тока исследована на установке ЭП-1 (см. рис. 5.2), допускающей моделирование передачи тока через единичное пятно контакта. При положении золотого щупа на участках коллекторной пленки, не покрытых перенесенным материалом, после фриттинга закисной пленки (т. е. после образования α- или а-пятна) изменение полярности щупа практически не приводило к изменению величины контактного падения напряжения Uк (рис. 5.12, а). Аналогичные результаты получены при замене золотого щупа щупом, изготовленным из электрографита.

  Таким образом, в статических условиях проводимость а-пятен, сформированных при контактировании любых участков металлосодержащих щеток с микровыступами поверхности коллектора, не зависит от направления тока. Однако при скольжении щетки вследствие окисления площадок образование а-пятен происходит непрерывно.

Рис. 5.11. ВАХ щеток МГС-7 (1—3), МП-7М (4, 5), МП-7С (6, 7) после длительной работы (t=108 кс) при j=+20 А/см² (3, 4, 6), j=0 (1), j=20 А/см² (2, 5, 7). Сплошные линии — при анодной поляризации щетки, пунктирные — при катодной

Поскольку для пары металлосодержащая щетка — коллектор металлические компоненты содержатся в обеих контактирующих поверхностях, то трудно судить о возможном влиянии полярности на величину ∆U. Экспериментально данный процесс изучен в условиях скольжения щетки по «свежей» поверхности медного контртела, не имеющего отложений щеточного материала, т. е. когда передача тока осуществляется преимущественно за счет a-проводимости. Цилиндрические образцы (0=1 мм), изготовленные из испытуемых щеточных материалов, скользили торцовой поверхностью по плоскому образцу из меди M1 (υ=1 мкм/с, j=10 А/см², р=500 гПа). Использовались как свежеприготовленные, так и оксидированные на воздухе (Т=373 К, t=7,2 кс) медные образцы. Установлено, что независимо от состояния поверхности контртела направление тока не оказывает заметного влияния на величину переходного падения напряжения. Таким образом, в отсутствие перенесенного щеточного материала на поверхности коллектора (кольца) существенных различий междув скользящем контакте металлосодержащих щеток не должно наблюдаться.

Особенности прохождения электрического тока через участки коллекторной пленки, покрытые слоем щеточного материала, отражены на рис. 5.12, б. Линией OBCD представлены вольтамперные характеристики, полученные на установке ЭП-1 для коллекторных пленок, сформированных обесточенной щеткой МГС-7, при анодной поляризации щупа. Резкое уменьшение Uк в точке В свидетельствует о фриттинге слоя закиси меди, лежащего под ПМ. При повторном снятии ВАХ на данном участке фриттинг больше не наблюдается (ВАХ описывается линией OCD).

Рис. 5.12. ВАХ при положении щупа на участках поверхности трения медного контактного кольца со слабо (а) и сильно (б) выраженным слоем фрикционного переноса

Изменение полярности щупа с «плюс» на «минус» при напряжении, меньшем напряжения фриттинга (например, в точке d на ветви ОВ), приводит к скачкообразному возрастанию Uк (от d до d'). Аналогичное изменение полярности щупа после фриттинга (точка с на ветви OD) дает обратную картину: Uк скачком уменьшается от с до с'. Соответственно ВАХ, снятые при катодной поляризации щупа (штриховые линии), до фриттинга располагаются выше, а после фриттинга ниже, чем ВАХ, снятые при анодно- поляризованном щупе. Для коллекторных пленок, образованных токонагруженной щеткой МГС-7, кроме описанных выше, получены также ВАХ, не проявляющие фриттинга (по форме аналогичны кривой OD на рис. 5.12, б). В этом случае независимо от прилагаемого напряжения контактное падение напряжения Uк при полярности щупа «плюс» выше, чем при полярности «минус». Подобный тип ВАХ, свидетельствующий о наличии «брешей» в закисной пленке под ПМ, наиболее характерен для коллекторных пленок, формируемых металло-полимерными щетками МП-7М и МП-7С.
Полученные результаты предполагают, что детекторный эффект в скользящем контакте металлосодержащих щеток может проявляться в том случае, если значительная доля тока передается через ПМ. При этом наличие неповрежденной пленки закиси меди под ПМ обеспечивает выполнение соотношения а при повреждении окисной пленки знак неравенства меняется на противоположный.

Рис. 5.13. Поведение контактного падения напряжения ∆U и коэффициента трения f при измерении полярности щетки МГС-7, работающей на медном кольце при j=20 А/см² (а) и j=1 А/см² (б)

Отмеченное выше различие в количестве ПМ под разно-полярными щетками при работе по раздельным дорожкам трения также может способствовать проявлению неравенства между. Сравнение кривых 1—3 (см. рис. 5.11), полученных при одинаковой (например, положительной) полярности щетки МГС-7, показывает, что для одной и той же щетки ВАХ идут тем выше, чем больше продуктов изнашивания отложено на поверхности кольца (максимальное количество ПМ в коллекторной пленке наблюдается после работы щетки при j=+20 А/см², минимальное — при j=—20 А/см²). Как видно из рис. 5.11, для других испытывавшихся материалов увеличение количества ПМ на поверхности кольца также приводит к возрастанию переходного падения напряжения. Роль ПМ наглядно проявляется при синхронной регистрации электрических и фрикционных характеристик контакта щетка — кольцо после изменения полярности щетки (рис. 5.13). Очевидно, скачкообразное изменение ∆U в момент переключения полярности связано с детекторными свойствами коллекторной пленки. Быстрое уменьшение или возрастание коэффициента трения после переключения полярности означает, что в зависимости от типа переключения на поверхности кольца имеет место формирование или удаление пленки щеточного материала с пониженным сдвиговым сопротивлением. Из рисунка видно, что увеличение количества щеточного материала в коллекторной пленке способствует возрастанию переходного падения напряжения и, наоборот, очищение поверхности кольца приводит к снижению ∆U. Следовательно, на раздельных дорожках неравенствоусиливается за счет неодинакового количества щеточного материала в коллекторной пленке под разно-полярными щетками.
Полученные результаты [112, 323] позволили представить скользящий контакт металлосодержащих щеток эквивалентной схемой замещения (рис. 5.14), дающей наглядное представление о причинах полярных различий.

Рис. 5.14. Модель (а) и эквивалентная схема замещения (б) контакта металлосодержащая щетка — медный коллектор

Электрический ток проходит по двум параллельным ветвям: через α- или а-пятна с сопротивлением R0 и через слой ПМ в коллекторной пленке. В последнем случае возникают сопротивления в областях стягивания rs и слое щеточного материала rт. Далее в зависимости от структуры коллекторной пленки ток может проходить через СЛОЙ закиси меди с сопротивлением rd или «бреши» в закисной пленке с сопротивлением гс. На границах раздела закись меди — медь и ПМ — медь существуют вентильные сопротивления, зависящие от полярности щетки. Дополнительное сопротивлениедействует при направлении тока от коллектора к щетке (щетка катодно-поляризована), а сопротивление— при противоположном направлении тока.
При однотипной структуре коллекторной пленки под разно-полярными щетками (имеет место, например, при работе щеток по общей дорожке коллектора или условиях эксперимента, данные которого представлены на рис. 5.11) соотношение междуопределяется преобладающим типом проводимости через ПМ. Примером могут служить ВАХ, снятые после работы щетки МГС-7 в обесточенном состоянии (см. рис. 5.11, кривая 1). При малых плотностях тока, когда слой под ПМ не разрушен (преобладает d-проводимость), под катодно-поляризованной щеткой действует дополнительное сопротивление, вследствие чего превышает . Увеличение токовой нагрузки приводит к фриттингу закисной пленки, определяющим типом проводимости становится с-проводимость. В результате в работу включается дополнительное сопротивлениепод анодно-поляризованной щеткой и соотношение междуизменяется. Металлополимерных серебросодержащие щетки независимо от режима работы формируют коллекторную пленку, в которой сплошной слой Сu2О под ПМ не образуется [67]. Поскольку преобладающей в этом случае является с-проводимость, то при любых плотностях тока выполняется неравенство(см. рис. 5.11, кривые 6, 7).
Неравенствонаблюдаемое на практике для металлосодержащих щеток, означает, что при условиях эксплуатации, характерных для скользящего контакта электрических машин, передача значительной доли тока через контакт обеспечивается за счет с-проводимости. В каждом конкретном случае абсолютная величина разности между величинамизависит от режима работы контактной пары и свойств электро-щеточного материала. Электрофизические свойства щеточного материала определяют коэффициент выпрямления запорного слоя на границе ПМ — медь, а от адгезионной способности и коррозионной стойкости материала зависит структура коллекторной пленки.
При работе по раздельным дорожкам различие в структуре коллекторных пленок под разно-полярными щетками приводит к неодинаковым типам проводимости. Для катодно-поляризованной щетки основным механизмом является передача тока через пятна физического контакта поверхностей щетки и коллектора (а-проводимость). Контактирование между анодно-поляризованной щеткой и коллектором осуществляется преимущественно через промежуточную пленку перенесенного щеточного материала. Уменьшение количества участков непосредственного контакта поверхностей щетки и коллектора ведет к возрастанию величины ∆U. Как видно из рис. 5.13, различие в количестве ПМ на поверхности кольца может быть более существенным фактором, приводящим к неравенству нежели детекторные свойства коллекторной пленки.
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы. Зависимость контактных характеристик металлосодержащих композиционных материалов, работающих в паре с окисляющимся металлом, от направления протекания тока обусловлена, во-первых, детекторными свойствами переходных слоев на поверхности контртела, проявляющимися при прохождении части электрического тока через пленку фрикционного переноса, во-вторых, влиянием электрического поля в зазоре на интенсивность формирования пленки фрикционного переноса. Соотношение между величинамии в каждом конкретном случае определяется типом формируемого переходного слоя. В частности, при работе разно-полярных металлосодержащих щеток по общей дорожке трения на медном коллекторе при наличии неповрежденного слоя закиси меди под ПМ выполняется соотношение в случае же повреждения закисного слоя знак неравенства меняется на противоположный. При работе металлосодержащих щеток по раздельным дорожкам контактных колец дополнительным фактором, способствующим проявлению неравенства, является увеличение количества щеточного материала в коллекторной пленке под анодно-поляризованной щеткой и уменьшение под катодно-поляризованной.