Триботехника электрических контактов - Триботехнические аспекты использования электрических контактов

Как отмечено выше, проблемы трения, изнашивания и смазки наиболее актуальны при рассмотрении функционирования электрического контакта как токонесущего подвижного сопряжения, и их решение необходимо для самых различных типов контактов. На рис. 1.1 пунктиром обведены те электрические контакты, работоспособность которых в той или иной мере обусловлена процессами трения и изнашивания [162].
Наибольший интерес с триботехнической точки зрения представляют зажимные, разъемные и скользящие контакты. В зажимных контактах существенное значение имеет достижение максимальной площади механического контакта при отсутствии образования непроводящих пленок, например окисных, в процессе работы.
В разъемных контактах процессы трения и изнашивания играют более важную роль, так как в их проектировании необходимо учитывать усилие расчленения контактов, определяемое силой трения, и долговечность, зависящую от износостойкости. Учитывая, что разъемные электрические контакты используются в большинстве радиоэлектронных и электротехнических устройств и на их изготовление расходуется большое количество цветных и драгоценных металлов, актуальность триботехнической оценки их работоспособности очень велика. Наиболее сложной задачей проектирования разъемных контактов является обеспечение совместимости требований наименьшего изнашивания и наименьшего стабильного контактного электрического сопротивления. Поскольку на эти характеристики сильное влияние оказывают контактное давление и состояние поверхности, требуется проведение оптимального расчета.
Функционирование скользящих электрических контактов определяется наряду с электрофизическими процессами еще и фрикционным взаимодействием, сопровождающимся комплексом явлений механической и физико-химической природы. Поэтому интенсивность их отказов пока еще очень велика в сравнении с другими типами контактов (табл. 1.1) [255].
Характерная особенность скользящих электрических контактов — их изнашивание в процессе работы. Для СК свойственны два основных вида изнашивания: механическое, обусловленное процессами трения, и электрическое, обусловленное воздействием электрического тока на материалы.
Механическое изнашивание проявляется в скользящих электрических контактах в тех же формах, что и в обычных парах трения с той особенностью, что рабочие нагрузки таких контактов обычно невелики. 

Таблица 1.1
Интенсивность отказов разных видов электрических контактов [255]

Электрическое изнашивание в зависимости от механизма токопрохождения через контакт и сочетания материалов контактных элементов может быть в основном обусловлено переносом ионов материала одного элемента на другой; фриттингом окисных пленок, приводящим к увеличению сил молекулярного сцепления между чистыми металлами и последующему микросхватыванию с глубинным вырыванием; искрением и дугообразованием, приводящим к выделению большой тепловой энергии в зазоре между контактами и испарению металла или разбрызгиванию его в контактный зазор с резким ухудшением качества поверхности, что в свою очередь увеличивает механический износ.
Для скользящих электрических контактов всех типов первостепенное значение имеют процессы фрикционного переноса и образования на поверхности трения промежуточных слоев. В частности, процесс образования пленки (так называемой «политуры» или «коллекторной пленки») имеет важное значение в щеточных контактах, и на его характер оказывает большое влияние среди прочих факторов направление тока в контакте [135, 292]. В слаботочных контактах образование пленок отмечено даже на таких благородных металлах, как платина (явление фрикционной непроводимости), и учет характера этого процесса обязателен в проектировании и подборе контактных материалов [80, 128—131].
Основными эксплуатационными характеристиками сильноточных электрических СК являются переходное падение напряжения, определяемое контактным сопротивлением, коэффициент трения и износостойкость. Следует отметить, что для всех применяемых в настоящее время материалов эти характеристики не соответствуют требованиям практики. Для наиболее распространенных классов щеток значение коэффициента трения составляет 0,1—0,2, переходное падение напряжения на контакте — 0,5—2В, скорость линейного изнашивания — 1—10мм/1000 ч [135,311].
Как отмечалось выше, углеграфитовые композиционные материалы не могут удовлетворить требования, предъявляемые к токосъемам новых сверхмощных электромашин и средств транспорта, поскольку для них необходимы контактные пары, способные пропустить токи плотностью в сотни А/см и выше при линейных скоростях более 100 м/с [393], тогда как плотность тока в лучших графитовых щетках не превышает 50 А/см² при скоростях скольжения 10—20 м/с [135]. В связи с этим создание нового сильноточного токосъема, обеспечивающего удовлетворение таких жестких требований по плотности тока и скоростям при малых коэффициентах трения и износах, является очень актуальной научно- технической задачей.
Что касается слаботочных СК, то они должны, как правило, сочетать высокую износостойкость с небольшим уровнем механических потерь и высокой стабильностью переходного падения напряжения [38, 80, 278]. Для удовлетворения данных требований широко используются контакты, обладающие высокой стойкостью против окисления и изнашивания (сплавы золото, платина, родий, палладий). Однако их применение, не говоря уже о повышающейся стоимости изделий, не всегда позволяет удовлетворить эксплуатационные требования, в частности обеспечение виброустойчивости, ударной стойкости, надежности работы в сложных климатических и экстремальных условиях (например, слаботочные СК судовых и авиационных систем). Поэтому перед конструкторами слаботочных СК стоит задача повышения эксплуатационных механических характеристик контактов при высоком уровне надежности коммутации слабых токов.
Исследованию путей повышения надежности и качества работы электрических контактов различных типов посвящено большое количество работ [306—309]. В СССР для разъемных электрических контактов различные аспекты этой проблемы изучались А. В. Белоусовым, Ф. Ю. Матта, В. С. Савченко, В. И. Смирновым, Б. С. Сотсковым и др. [38, 275, 278], для скользящих контактов электрических машин и токосъемов транспорта — И. А. Беляевым, Ю. Е. Купцовым, П. С. Лившицем, В. И. Нэллиным, И. И. Туктаевым, А. С. Фиалковым, Г. Н. Фридманом, А. В. Чичинадзе [43, 127, 135, 289, 292, 294,

303], для слаботочных скользящих контактов — Г. Н. Братерской, И. Е. Декабрун, В. Г. Курановым, В. В. Михайловым, Б. В. Протасовым и др. [52, 80, 128—131, 159]. За рубежом фундаментальные работы по исследованию трения и износа электрических контактов различных типов выполнены Гринвудом, Мерлем, Фюри, Хольмом, Шобертом, Хисакадо и др. [147, 298, 352, 353, 360, 365].
Несмотря на многочисленные проведенные исследования, существует значительный разрыв между инженерной практикой, широко использующей эмпирически найденные методы конструирования и оптимизации характеристик контактов, и теорией, связывающей триботехнические и электромеханические характеристики контактов. Следует отметить, что большое количество работ было выполнено специалистами в области электротехники и в них глубоко рассматривались процессы и явления электрической природы. В связи с этим актуальность рассмотрения триботехнических аспектов работы контактов не снижается, а возрастает. Об этом свидетельствуют работы [287, 399], где отмечена необходимость исследования фундаментальных проблем контактов: формирования площади контакта с учетом его дискретности, числа и распределения пятен [425], возможности оптимального состава и структуры переходных слоев на контактных поверхностях [317], необходимости создания новых материалов, способных работать в экстремальных условиях эксплуатации [389].
При кажущемся различии в постановке задачи создания оптимальных сильноточных и слаботочных контактов решение ее заложено в использовании новейших достижений науки о трении.