CC BY
35
УДК 621.332.3
А. В. АУЛЩ, Д. М. БАРАНОВСЬКИЙ (КНТУ), В. Г. КУЗНЕЦОВ (ДПТ)
ВТОРИНН1 СТРУКТУРИ ПОВЕРХН1 ТЕРТЯ КОНТАКТНОГО ПРОВОДУ
Дослiджено процес утворення вторинних структур на поверхнях тертя контактних проводiв у процес експлуатаци. Показана можливiсть отримання та модифшацп вторинних структур матерiалу трибосистеми «контактний проввд - струмоз'емний матерiал» за допомогою лазерних технологiй. Виявлено, що в матерiалi в зош лазерного впливу протiкають окисно-вiдновнi реакци вуглекислого газу мвддю, iнтенсивнi дифузшш процеси вуглецю в мiдну матрицю.
Исследован процесс образования вторичных структур на поверхностях трения контактных проводов в процессе эксплуатации. Показана возможность получения и модификации вторичных структур материала трибосистемы «контактный провод - токосъемный материал» с помощью лазерных технологий. Обнаружено, что в материале в зоне лазерного облучения протекают окислительно-восстановительные реакции углекислого газа медью, интенсивные диффузионные процессы углерода в медную матрицу.
The process of secondary structures formation on the friction surface of contact wire in the process of operation has been explored. A possibility of obtaining and modifying secondary material structures within the system «contact wire - current collection material» by means of laser technologies has been displayed. It has been established that in the laser irradiation area of the material reductive-oxidative interactions of carbon dioxide with copper as well as intensive diffusive processes of carbon into the copper matrix occur.
Вступ
Взаeмодiя струмоприймача i контактно! шдвюки е тим процесом, вщ умов протшання якого залежить надшшсть i економiчнiсть електрично! тяги на залiзницi. Неправильний вибiр конструктивних параметрiв як контактно! мереж^ так i струмоприймачiв , може стати причиною:
- частих вщмов цих пристро!в;
- значних втрат матерiалу в контакт^ що ковзае;
- попршення роботи електрообладнання локомотивiв;
- виникнення перешкод в пристроях зв'я-зку, розташованих в зонах залiзниць;
- шдвищення витрат на поточне обслуго-вування та ремонт.
Саме знос елеменив у парi ковзання «кон-тактний провщ - струмоприймач» е одшею з головних статей витрат на залiзницi. Характер взаемоди ще! трибосистеми потребуе всебiч-ного дослiдження ^ можливо, прийняття но-вих наукових ршень, спрямованих на покра-щення !! роботи.
Пщвищення ресурсу i надiйностi спряжень пар тертя визначаеться !х сумiснiстю, тд якою розумiють спроможнiсть трибосистеми реат-зувати оптимальний стан по визначених крите-рiях в заданому дiапазонi умов роботи.
Сумiснiсть системи виявляеться як пiд час припрацювання, так i в подальшому етапi роботи.
Процес припрацювання контактного проводу в парi з струмоз'емними вставками може тривати декшька роюв. Вш супроводжуеться надмiрним зношуванням, тобто перевищуе зви-чайний знос, який вщбуваеться при нормальнiй роботi, в декшька разiв.
При тертi всi фiзико-хiмiчнi процеси нама-гаються зосередитися в тонкому поверхневому шарi. Це е змютом принципу вторинно! дисипа-тивно! гетерогенностi Л. I. Бершадського [1-3].
У результат взаемодi!' на поверхш тертя утворюються вториннi структури, а саме, яви-ще !х утворення е структурною пристосовашс-тю елемеипв. У процесi припрацювання трибо-систем робоча поверхня контактного проводу структурно пристосовуеться до матерiалу струмоз' емних вставок.
Згiдно з принципом Ле-Шателье [4] трибо-система реагуе на зовшшнш вплив (тертя) таким чином, щоб зменшити результат цього впливу, тобто знос. Реакщею взаемоди матерiа-лу спряжених тш на тертя i е утворення вторинних структур, яю вщграють роль захисних функцiй.
Мета та задачi дослiджень
Метою дано! роботи е дослщження законо-мiрностей утворення вторинних структур контактних проводiв у процес !х експлуатацi! та винайдення можливостей керування цими структурами.
Для реалiзацп мети розв'язуються такi задача
• дослiдити утворення вторинних структур i !х вплив на процес припрацювання;
• показати на прикладi лазерних техноло-гiй отримання та модифшування вторинних структур робочо! поверхнi контактного проводу.
Вторинш структури робочо! поверхнi кон-тактних проводiв, сформованi в процесi припрацювання трибосистеми. Утворення сумю-них елеменпв трибосистеми пов'язане з виник-ненням незворотних процесiв, внаслiдок чого змшюеться ентропiя i виникае дисипативна са-моорганiзацiя. Дослiдження дисипативних вторинних структур дозволяе внести корективи в процеси припрацювання спряжених деталей.
Зпдно з дослщженням, проведеним у робот [1; 2], в процес тертя на утворення вторинних структур витрачаеться бiльше 90 % вше! шдве-дено! до трибосистеми енерги. Отже, в процесi тертя утворюеться дисипативна зона з шдви-щеним рiвнем внутршньо! енерги поверхневих шарiв. Для процесiв тертя, за умови однаково! щiльностi поверхнево! енерги системи у почат-ковий момент, з ростом нерiвномiрностi розпо-дшення енерги ентропiя системи повинна зни-жуватися. Зниження ентропп свiдчить про упо-рядкованiсть системи тертя. Цей процес характеризуемся утворенням нових вторинних упорядкованих структур [5; 6].
Дослщження складу i процесiв утворення вторинних структур робочо! поверхш контакт-них проводiв проведено в роботах [7-11]. Ос-новну роль в утворенш неврiвноважених вторинних структур i здiйснення ними захисних функцш вiдiграе вуглець. Мова йде про вугле-ць, перенесений не з вставки, а той що утворюеться в результат хiмiчних реакцш розкладу окислiв вуглецю чи вщновлення !х мiддю. Цi хiмiчнi реакцп мають неврiвноважений характер протшання i визначаються такими параметрами стану, як градiенти температури, тиску, хiмiчного потенцiалу, напруги та ш.
Для реакцiй вiдновлення вуглецю мщдю ха-рактерними е такi рiвняннями:
4Си + С02 = С + 2Си20 ; 2Си + С02 = С + 2Си0 .
1нтенсивне проходження реакцiй розкладу двоокису вуглецю в трибосистемi з стру-моз'емом дослiджено в робот [12]. Автори цiе! роботи експериментально показали, що штен-сивне проходження зазначених реакцiй спри-чиняе значне зниження штенсивност зношу-вання спряжено! пари.
Нами дослщжена мiкроструктура робочо! поверхш мщного контактного проводу марки МФ-100. Дослiдження поверхнi проводили на скануючому електронному мiкроскопi «Сатека», на зразках, вирiзаних з нового контактного проводу та проводу шсля припрацювання з вугшьними вставками. Особливу увагу сконцентровано на поверхневий шар, в який введений вуглець.
Результати дослщжень показали, що на ро-бочш поверхш мщного контактного проводу, що пройшов припрацювання, виявлено два стру-ктурних рiзновиди вуглецю. Один рiзновид - це дiлянки плiвки, яка покривала робочу поверх-ню контактного проводу. Вуглець у цьому ви-падку був «намазаний» на поверхню проводу в результат електромехашчного процесу пiд час струмоз'ему.
Другий структурний рiзновид вуглецю мае шше походження: у цьому випадку вуглець р> вномiрно розподiлено по поверхш мщно! мат-рицi i подано у виглядi окремих молекул або поодиноких включень.
Кшьюсний аналiз вуглецю розмiщеного на поверхш контактного проводу подано в табл. 1.
Таблиця 1
Кшьккний вмкт вуглецю на робочш поверхш контактного проводу
Характер нанесення вуглецю Новий контактний Контактний провщ тсля
проввд припрацювання
«Намазаний»
на поверхню тертя,
% площ1 поверхш
проводу - 50-80
Введений у мвдну
матрицю, % мас 2,3-3,7 5,5-7
Даш, наведеш в табл. 1, свщчать про те, що вторинш структури контактного проводу шсля припрацювання мають бшьшу кшьюсть введе-них включень вуглецю. Отже, тд час експлуа-тацi! при струмоз'емi кiлькiсть вуглецю в мщ-нiй матрицi збiльшуеться переважно за рахунок проходження неврiвноважених реакцiй вщновлення вуглецю з його оки^в мщдю.
Новий контактний ировщ теж мiстить введенi частинки вуглецю, який попадае в матрицю при адсорбцi! вуглекислого газу на мщнш поверхнi.
У робот [14] були розглянутi вториннi структури контактного проводу, що утворилися в результап електромеханiчно! взаемодi! з вуп-льними вставками. Експериментально показано, що чим бшьша площа робочо! поверхш
проводу, яка покрита перенесеним («намаза-ним») вуглецем, тим бшьша iнтенсивнiсть зно-шування проводу i струмоз'емного матерiалу. Крiм цього авторами роботи виявлено, що зi зменшенням концентращ! зануреного вуглецю в мiднiй матрицi - штенсивнють зношування обох контактiв збшьшуеться. Iнтенсивнiсть зношування контактiв, що ковзають, зб1льшуеться при проходженнi врiвноважених процесiв у вто-ринних структурах (рекристатзац1я) i зменшу-еться при проходженш неврiвноважених проце-сiв (реакц1я розкладу окислiв вуглецю).
Зниження штенсивносп зношування при проходженнi неврiвноважених процейв на по-верхнях тертя можна пояснити тим, що робочi поверхш потребують бiльших витрат енергй i вiдповiдно до цього знижуеться частка енергп тертя, яка йде на руйнування поверхнi.
Про можлив1сть формування вторинних структур на робочш поверхш контактного проводу до його експлуатацп
Введет частинки вуглецю на робочш поверхш нового контактного проводу треба сформувати так, щоб вони були рiвномiрно розподшеш по поверхш тертя. Такого насичення можливо досягти, використавши концентрованi потоки енергй, на-приклад, лазерне випромiнювання [15].
Вторинш структури на робочiй поверхнi контактного проводу тд час експлуатацп утворю-ються в результатi проходження реакцiй вщнов-лення вуглекислого газу мщдю. Для того щоб здшснити такi реакцГ! потрiбно змiнити хоча б один з параметрiв неврiвноваженого стану. Таким параметром може бути градiент температур.
Якщо пiдвищити рiвень температури рекри-статащ! мiдного контактного проводу, яка складае (275 °С), то неврiвноваженi процеси вiдновлення вуглецю мiддю почнуть вщбувати-ся рашше процесу рекристалiзацГí, тобто змен-шиться величина мехашчного зносу. У цьому випадку також доцшьно використати концент-рованi потоки енергй.
Застосування лазерних технологш вiдкривае можливiсть сформувати вторинш структури контактного проводу i вщтюнити вгору температуру рекристатащ! [15; 16].
Новий мщний контактний провщ опромшю-вали на лазернiй установщ «Комета-2», що мае безперервне випромшювання на довжинi хвилi ^ = 10,6 мкм.
При обробщ робочо! поверхш проводу ва-рiювали такi технолопчш параметри:
- потужнiсть випромiнювання Р -400...1000 Вт;
дiаметр лазерного випромшювання d -3.8 мм;
швидкють поздовжньо! подачi зразка проводу V - 10.30 мм/с.
Для бшьш штенсивного протiкання процесу вщновлення вуглецю мiддю в зону лазерного впливу направляли потж вуглекислого газу (рис. 1) шд тиском.
,2
V
Рис. 1. Принципова схема лазерного опромшення контактного проводу: 1 - пучок лазерного променя; 2 - фокусуюча лшза;
3 - патрубок з вуглецевим газом; 4 - сформований шар;
5 - зразок контактного проводу
Було виявлено, що штенсивнють протжання окисно-вщновних реакцш суттево залежить вщ технолопчних параметрiв лазерно! обробки, а також вщ тиску вуглекислого газу.
Дослщження показали, що в матерiалi в зонi лазерного впливу ^м окисно - вiдновних реакцш протiкають iнтенсивнi дифузiйнi процеси вуглецю в мщну матрицю.
Характерний вигляд мiкроструктури поверхнi тертя зразка контактного проводу для зазначеного способу и формування наведено на рис. 2.
Рис. 2. Мжроструктура робочо! поверхн1 контактного проводу шсля лазерного опром1нення (х250 , тиск С02 - 0,1 МПа).
5
На рис. 2 темш осевки - це введет частки вуглецю в мщь. CTyniHb охоплення площi по-верхш вуглецевими острiвками визначаеться режимами лазерного опромшення та тиском вуглекислого газу, спрямованого в зону лазерного впливу.
Порiвняльнi випробування на зносостшккть трибосистеми «контактний пров1д - вставка» на машиш тертя
На лабораторий yстановцi iмiтyвалась робота пари тертя «контактний провщ - стру-моз'емний матерiал». Кiльце з мщного контактного проводу марки МФ-100 довжиною 2130 мм припаювалось до мiдного диску, який може обертатися зi швидкiстю 1 об/хв. Звер-ху, до кiльця притискалися двi стрyмоз'емнi вставки типу «А». Для наближення до реаль-них умов експлуатацп контактного проводу i струмоприймача вiсь обертання кiльця була змщена вiдносно центру кiльця на 21 мм. Знос проводу визначали за допомогою мшро-метражу, а знос вставок - ваговим методом. В процес випробувань дослщжували залежшсть iнтенсивностi зношування мiдного контактного проводу до i пiсля лазерного опромшення та струмоз'емних вставок типу «А» вщ вели-чини струму, що зшмаеться. Отриманi данi наведеш в табл. 2 i 3.
Таблиця 2
1нтенсившсть зношування трибосистеми без лазерного опромшення контактного проводу
Струм, А 0 20 50 95
1нтенсившсть зно-
шування струмоз'емних вставок типу «А», мг/год 2,9 7,1 16,0 8,2
1нтенсившсть зно-
шування контактного проводу, мкм/год 0,2 0,3 0,8 0,3
Таблиця 3
1нтенсившсть зношування трибосистеми шсля лазерного опромшення контактного проводу
Струм, А 0 20 50 95
1нтенсившсть зно-
шування стру-моз' емних вставок типу «А», мг/год 2,0 3,2 3,3 3,0
1нтенсившсть зно-
шування контактного проводу, мкм/год 0,1 0,1 0,1 0,1
Можна бачити, що штенсившсть зношування елементiв трибосистеми «контактний провщ -вставка» залежить вiд величини струму, що зшмаеться, але тсля лазерного опромiнення контактного проводу запропонованим способом знос струмоз' емних вставок стае устале-ним, а знос контактного проводу практично не залежить вiд величини струму, що зшмаеться.
Результати випробувань на зношування св> дчать про те, що в дослщжуванш парi тертя вщбуваються неврiвноваженi реакцп вщнов-лення вуглецю мщдю.
Висновки
Дослщження, проведет в данш робот показали:
1. У процес припрацювання на робочш по-верхнi контактного проводу утворюються вто-риннi структури, призначення яких захистити поверхневий шар вiд процесу електромеханiч-ного зношування.
2. Iнтенсивнiсть зношування контакпв, що ковзають, збiльшyеться при проходженш врiв-новажених процесiв у вторинних структурах i зменшуеться при проходженш неврiвноваже-них процесiв.
3. В умовах експлуатацп неврiвноваженi про-цеси введення частинок вуглецю в робочу повер-хню контактного проводу протiкають завдяки окисно - вщновних реакцiй вуглецю мщдю.
4. Iнтенсивнiстю протiкання окисно-вщновних реакцiй можна керувати, змiнюючи фiзико-хiмiчнi параметри неврiвноваженого стану поверхневих шарiв матерiалy.
5. Одним з керованим параметром неврiв-новаженого стану матерiалy, пiдлеглого оброб-цi концентрованими потоками енергп (лазерне випромiнювання) е градiент температури.
6. У резyльтатi застосування лазерного опромшення поверхш тертя мщного контактного проводу вдалося тдняти температуру ре-кристалiзацil мiдi до 350 °С.
7. Протiкання неврiвноважених процесiв в трибосистемi допомагае зменшити зношува-нiсть li елементiв.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Костецкий Б. И. Поверхностная прочность материалов при трении / Б. И. Костецкий, И. Г. Носовский, Л. И. Бершадский - К.: Техника, 1976. - 423 с.
2. Klamecki B. E. Energy Dissipation in Sliding // Wear 77 (1982). № 2. - Р. 115-128.
3. Бершадский Л. И. Структурная термодинамика трибосистем. - К.: «Знание», 1990. - 30 с.
4. Гленсдорф П. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций / П. Гленсдорф, И. Пригожин - М.: Мир, 1973. - 149 с.
5. Гершман И. С. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосисте-мах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и износ,. 1995. - № 1. - т. 16. - С. 61-70.
6. Буше Н. А. Совместимость трущихся поверхностей / Н. А. Буше, В. В. Копытько. - М.: Наука, 1981. - 127 с.
7. Гершман И. С. Роль углерода в самоорганизации процесса изнашивания сильноточных скользящих электрических контактов / И. С. Гершман, С. М. Трушевский, А. В. Шумицкий // Трение и износ, 2002. - № 5 - т. 23. - С. 520-523.
8. Берент В. Я. Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 1. Строение и состав / В. Я. Берент, И. С. Гершман // Трение и износ, 1989. - № 4. - т. 10. - С. 687-692.
9. Гершман И. С. Исследование закономерностей образования вторичных структур в условиях трения с токосъемом / И. С. Гершман, Н. В. Пенский // Трение и износ. 1995. - № 1. - т. 16. - С. 126-131.
10. Гершман И. С. Исследование закономерностей образования вторичных структур в условиях трения с токосъемом / И. С. Гершман, Н. В. Пенский // Трение и износ. 1995. - № 1 - т. 16. - С. 126-131.
11. Гершман И. С. Термодинамические аспекты существования устойчивых вторичных структур на поверхностях сильноточных скользящих контактов / И. С. Гершман, Н. А. Буше, В. Я. Берент // Трение и износ. 1989. - № 2 - т. 10. - С. 225-232.
12. Гершман И. С. Неустойчивость системы с токосъемом в процессе самоорганизации / И. С. Ге-ршман, Н. А. Буше // Трение и износ. 1999. -№ 6. - т. 20. - С. 623-629.
13. Гершман И. С. Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосисте-мах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и износ. 1999. - № 1. - т. 16 - С. 61-70.
14. Гершман И. С. Токосъемные углеродные материалы нового поколения// Вестник ВНИИЖТ, 2003, № 6. - С. 70-78.
15. Аулин В. В. Электропроводность меди после лазерного воздействия / В. В. Аулин, Г. М. Аш-марин, М. Ю. Голубев // Металлы. - Изв. АН СССР, 1986. - № 5. - С. 187-195.
16. Аулин В. В. Зернограничное внутреннее трение нелегированной меди, подвергнутой непрерывному лазерному облучению / В. В. Аулин, Г. М. Ашма-рин, М. Ю. Голубев // Физика и химия обработки материалов. - АН СССР, 1986. - № 5. - С. 147-151.
Надшшла до редколегп 21.05.2005.
