УДК
621.332.3
А
.
В
.
АУЛІН
,
Д
.
М
.
БАРАНОВСЬКИЙ
(
КНТУ
),
В
.
Г
.
КУЗНЕЦОВ
(
ДІІТ
)
ВТОРИННІ
СТРУКТУРИ
ПОВЕРХНІ
ТЕРТЯ
КОНТАКТНОГО
ПРОВОДУ
Досліджено процес утворення вторинних структур на поверхнях тертя контактних проводів у процесі експлуатації. Показана можливість отримання та модифікації вторинних структур матеріалу трибосистеми «контактний провід – струмоз’ємний матеріал» за допомогою лазерних технологій. Виявлено, що в матеріалі в зоні лазерного впливу протікають окисно-відновні реакції вуглекислого газу міддю, інтенсивні дифузійні процеси вуглецю в мідну 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. Обнаруже-но, что в материале в зоне лазерного облучения протекают окислительно-восстановительные реакции угле-кислого 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 estab-lished 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
Взаємодія струмоприймача і контактної
підвіски є тим процесом, від умов протікання
якого залежить надійність і економічність
електричної тяги на залізниці. Неправильний
вибір конструктивних параметрів як контакт
-ноїмережі, такі струмоприймачів , може ста
-типричиною:
− частихвідмовцихпристроїв;
− значних втрат матеріалу в контакті,
щоковзає;
− погіршення роботи електрообладнання
локомотивів;
− виникненняперешкодв пристрояхзв’я
-зку, розташованихвзонахзалізниць;
− підвищення витрат на поточне обслуго
-вуваннятаремонт.
Самезнос елементіву паріковзання «кон
-тактний провід – струмоприймач» є однією з
головнихстатей витратназалізниці. Характер
взаємодії цієї трибосистеми потребує всебіч
-ного дослідження і, можливо, прийняття но
-вих наукових рішень, спрямованих на покра
-щенняїїроботи.
Підвищення ресурсу і надійності спряжень
пар тертявизначаєтьсяїхсумісністю, під якою
розуміють спроможність трибосистеми реалі
-зуватиоптимальний станповизначених крите
-ріяхвзаданомудіапазоніумовроботи.
Сумісність системи виявляється як під час
припрацювання, таківподальшомуетапіроботи.
Процес припрацювання контактного прово
-ду в парі з струмоз’ємними вставками може
тривати декілька років. Він супроводжується
надмірнимзношуванням, тобтоперевищує зви
-чайнийзнос, якийвідбуваєтьсяпринормальній
роботі, вдекількаразів.
При терті всі фізико-хімічні процеси нама
-гаються зосередитися в тонкому поверхневому
шарі. Цеєзмістомпринципувторинноїдисипа
-тивноїгетерогенностіЛ. І. Бершадського [1–3].
У результаті взаємодії на поверхні тертя
утворюються вторинні структури, а саме, яви
-ще їх утворення є структурною пристосованіс
-тюелементів. Упроцесіприпрацюваннятрибо
-системробочаповерхняконтактногопроводу
структурно пристосовується до матеріалу
струмоз’ємнихвставок.
Згідно з принципом Ле-Шательє [4] трибо
-система реагує на зовнішній вплив (тертя) та
-ким чином, щоб зменшити результат цього
впливу, тобтознос. Реакцієювзаємодіїматеріа
-лу спряжених тіл на тертя і є утворення вто
-ринних структур, які відіграють роль захисних
функцій.
Метатазадачідосліджень
Метою даної роботи є дослідження законо
-мірностей утворення вторинних структур кон
-тактних проводів у процесі їх експлуатації та
винайдення можливостей керування цими
Дляреалізаціїметирозв’язуютьсятакізадачі:
• дослідитиутвореннявториннихструктур
іїхвпливнапроцесприпрацювання;
• показати наприкладі лазернихтехноло
-гій отримання та модифікування вто
-ринних структур робочої поверхні кон
-тактногопроводу.
Вторинні структури робочої поверхні кон
-тактних проводів, сформовані в процесі при
-працювання трибосистеми. Утворення суміс
-нихелементівтрибосистеми пов’язанезвиник
-ненням незворотних процесів, внаслідок чого
змінюється ентропіяі виникаєдисипативна са
-моорганізація. Дослідження дисипативних вто
-ринних структур дозволяє внести корективи в
процесиприпрацюванняспряженихдеталей.
Згідноздослідженням, проведенимуроботі
[1; 2], впроцесі тертяна утворення вторинних
структурвитрачаєтьсябільше 90 % всієїпідве
-деної дотрибосистемиенергії. Отже, впроцесі
тертя утворюється дисипативна зона з підви
-щенимрівнемвнутрішньоїенергіїповерхневих
шарів. Для процесів тертя, за умови однакової
щільностіповерхневої енергіїсистеми у почат
-ковиймомент, зростом нерівномірностірозпо
-ділення енергії ентропія системи повинна зни
-жуватися. Зниженняентропіїсвідчитьпро упо
-рядкованістьсистеми тертя. Цей процесхарак
-теризується утворенням нових вторинних
упорядкованихструктур [5; 6].
Дослідження складу і процесів утворення
вторинних структур робочої поверхні контакт
-них проводів проведено в роботах [7–11]. Ос
-новну роль в утворенні неврівноважених вто
-ринних структур і здійснення ними захисних
функцій відіграє вуглець. Мова йде про вугле
-ць, перенесенийнезвставки, атойщоутворю
-ється в результаті хімічних реакцій розкладу
окислів вуглецю чи відновлення їх міддю. Ці
хімічні реакції мають неврівноважений харак
-терпротіканняівизначаютьсятакимипарамет
-рами стану, як градієнти температури, тиску,
хімічногопотенціалу, напругитаін.
Дляреакційвідновлення вуглецюміддю ха
-рактернимиєтакірівняннями:
2 2
4Cu CO+ = +C 2Cu O;
2
2Cu CO+ = +C 2CuO.
Інтенсивне проходження реакцій розкладу
двоокису вуглецю в трибосистемі з стру
-моз’ємом дослідженовроботі [12]. Автори цієї
роботи експериментально показали, що інтен
-сивне проходження зазначених реакцій спри
-чиняє значне зниження інтенсивності зношу
-ванняспряженоїпари.
Нами досліджена мікроструктура робочої
поверхні мідного контактного проводу марки
МФ-100. Дослідження поверхні проводили
на скануючому електронному мікроскопі
«Cameka», на зразках, вирізаних з нового кон
-тактного проводу та проводу після припрацю
-вання з вугільними вставками. Особливу увагу
сконцентровано на поверхневий шар, в який
введенийвуглець.
Результати досліджень показали, що на ро
-бочій поверхні мідного контактного проводу,
щопройшовприпрацювання, виявленодвастру
-ктурних різновидивуглецю. Одинрізновид – це
ділянки плівки, яка покривала робочу поверх
-ню контактного проводу. Вуглець у цьому ви
-падку був «намазаний» на поверхню проводу
в результаті електромеханічного процесу під
часструмоз’єму.
Другий структурний різновид вуглецю має
інше походження: у цьому випадку вуглець рі
-вномірно розподілено по поверхні мідної мат
-риці і подано у вигляді окремих молекул або
поодинокихвключень.
Кількісний аналіз вуглецю розміщеного на
поверхніконтактногопроводуподановтабл. 1.
Таблиця 1
Кількіснийвміствуглецюнаробочійповерхні контактногопроводу
Характер
нанесеннявуглецю
Новий
контактний
провід
Контактний
провідпісля
припрацювання
«Намазаний» на поверхню тертя, % площі поверхні
проводу – 50–80
Введений у мідну
матрицю, % мас 2,3–3,7 5,5–7
Дані, наведені втабл. 1, свідчать проте, що
вторинні структури контактного проводу після
припрацювання мають більшу кількість введе
-них включень вуглецю. Отже, під часексплуа
-тації при струмоз’ємі кількість вуглецю в мід
-нійматрицізбільшуєтьсяпереважнозарахунок
проходження неврівноважених реакцій віднов
-леннявуглецюзйогоокислівміддю.
Новийконтактнийпровід тежміститьвведені
частинки вуглецю, який попадає в матрицю при
адсорбціївуглекислогогазунаміднійповерхні.
У роботі [14] були розглянуті вторинні
структуриконтактногопроводу, щоутворилися
врезультатіелектромеханічноївзаємодіїзвугі
-льними вставками. Експериментально показа
проводу, яка покрита перенесеним («намаза
-ним») вуглецем, тим більша інтенсивність зно
-шування проводу і струмоз’ємного матеріалу.
Крім цього авторами роботи виявлено, що зі
зменшенням концентрації зануреного вуглецю
в мідній матриці – інтенсивність зношування
обох контактів збільшується. Інтенсивність зно
-шування контактів, що ковзають, збільшується
при проходженніврівноважених процесіву вто
-ринних структурах (рекристалізація) і зменшу
-ється при проходженні неврівноважених проце
-сів (реакціярозкладуокисліввуглецю).
Зниження інтенсивності зношування при
проходженні неврівноважених процесів на по
-верхнях тертя можна пояснити тим, що робочі
поверхні потребують більших витрат енергії і
відповідно до цього знижується частка енергії
тертя, якайденаруйнуванняповерхні. Проможливістьформування вториннихструктурнаробочійповерхні контактногопроводудойогоексплуатації
Введенічастинкивуглецюнаробочійповерхні
нового контактного проводу треба сформувати
так, щобвонибулирівномірнорозподіленіпопо
-верхнітертя. Такогонасиченняможливодосягти,
використавшиконцентрованіпотоки енергії, на
-приклад, лазерневипромінювання [15].
Вторинніструктуринаробочійповерхні кон
-тактного проводу під час експлуатації утворю
-ються врезультаті проходження реакцій віднов
-лення вуглекислого газу міддю. Для того щоб
здійснити такі реакції потрібно змінити хоча б
одинзпараметрівневрівноваженогостану. Таким
параметромможебутиградієнттемператур.
Якщопідвищитирівень температури рекри
-сталізації мідного контактного проводу, яка
складає (275 °С), то неврівноважені процеси
відновленнявуглецюміддюпочнутьвідбувати
-сяраніше процесу рекристалізації, тобто змен
-шиться величина механічного зносу. У цьому
випадку також доцільно використати концент
-рованіпотокиенергії.
Застосуваннялазернихтехнологійвідкриває
можливість сформувати вторинні структури
контактного проводу і відтіснити вгору темпе
-ратурурекристалізації [15; 16].
Новийміднийконтактнийпровідопроміню
-валина лазернійустановці «Комета-2», щомає
безперервне випромінювання на довжині хвилі
10,6
λ = мкм.
При обробці робочої поверхні проводу ва
-ріювалитакітехнологічніпараметри:
− потужність випромінювання Р –
400…1000 Вт;
− діаметр лазерного випромінювання d –
3…8 мм;
− швидкість поздовжньої подачі зразка
проводу v – 10…30 мм/с.
Для більш інтенсивного протікання про
-цесувідновлення вуглецюміддювзонулазе
-рного впливу направляли потік вуглекислого
газу (рис. 1) під тиском.
1
Р
2
3
d
5
4
CO
2V
Рис. 1. Принципова схема
лазерного опромінення контактного проводу:
1 – пучоклазерногопроменя; 2 – фокусуючалінза;
3 – патрубокзвуглецевимгазом; 4 – сформованийшар;
5 – зразокконтактногопроводу
Буловиявлено, щоінтенсивністьпротікання
окисно-відновних реакцій суттєво залежитьвід
технологічних параметрів лазерної обробки, а
такожвідтискувуглекислогогазу.
Дослідженняпоказали, щовматеріалівзоні
лазерноговпливукрім окисно – відновних реа
-кцій протікають інтенсивні дифузійні процеси
вуглецювміднуматрицю.
Характерний вигляд мікроструктури поверхні
тертязразкаконтактногопроводудлязазначеного
способуїїформуваннянаведенонарис. 2.
Рис. 2. Мікроструктура робочої поверхні контактного проводу після лазерного опромінення
Нарис. 2 темні острівки – цевведенічастки
вуглецю в мідь. Ступінь охоплення площі по
-верхні вуглецевими острівками визначається
режимами лазерного опромінення та тиском
вуглекислого газу, спрямованого в зону лазер
-ноговпливу.
Порівняльнівипробуванняназносостійкість трибосистеми «контактнийпровід – вставка»
намашинітертя
На лабораторній установці імітувалась ро
-бота пари тертя «контактний провід – стру
-моз’ємний матеріал». Кільце з мідногоконта
-ктного проводу марки МФ-100 довжиною
2130 ммприпаювалосьдомідногодиску, який
може обертатися зі швидкістю 1 об/хв. Звер
-ху, до кільця притискалися дві струмоз’ємні
вставки типу «А». Для наближення до реаль
-них умов експлуатації контактного проводу і
струмоприймача вісь обертання кільця була
зміщена відносно центру кільця на 21 мм.
Знос проводу визначали за допомогою мікро
-метражу, азносвставок – ваговимметодом. В
процесівипробуваньдосліджувализалежність
інтенсивностізношування мідногоконтактно
-го проводу до і після лазерного опромінення
та струмоз’ємних вставок типу «А» від вели
-чини струму, що знімається. Отримані дані
наведенівтабл. 2 і 3.
Таблиця 2
Інтенсивністьзношуваннятрибосистемибезла -зерногоопроміненняконтактногопроводу
Струм, А 0 20 50 95
Інтенсивність зно-шування стру-моз’ємних вставок
типу «А», мг/год 2,9 7,1168,2 Інтенсивність
зно-шування
контактно-го проводу, мкм/контактно-год 0,2 0,3 0,8 0,3
Таблиця 3
Інтенсивністьзношуваннятрибосистемипісля лазерногоопроміненняконтактногопроводу
Струм, А 0 20 50 95
Інтенсивність зно-шування стру-моз’ємних вставок
типу «А», мг/год 2,0 3,2 3,3 3,0 Інтенсивність
зно-шування
контактно-го проводу, мкм/контактно-год 0,1 0,1 0,1 0,1
Можна бачити, щоінтенсивність зношування
елементів трибосистеми «контактний провід –
вставка» залежить від величини струму, що
знімається, але після лазерного опромінення
контактного проводу запропонованим спосо
-бом знос струмоз’ємних вставок стає устале
-ним, а знос контактного проводу практичноне
залежитьвідвеличиниструму, щознімається.
Результати випробувань на зношування сві
-дчать про те, що в досліджуваній парі тертя
відбуваються неврівноважені реакції віднов
-леннявуглецюміддю.
Висновки
Дослідження, проведенівданійроботіпоказали:
1. Упроцесіприпрацюваннянаробочійпо
-верхні контактного проводу утворюються вто
-ринні структури, призначення яких захистити
поверхневий шар від процесу електромеханіч
-ногозношування.
2. Інтенсивність зношування контактів, що
ковзають, збільшується при проходженні врів
-новажених процесів у вторинних структурах і
зменшується при проходженні неврівноваже
-нихпроцесів.
3. Вумовахексплуатаціїневрівноваженіпро
-цесивведеннячастинок вуглецювробочуповер
-хню контактного проводу протікають завдяки
окисно – відновнихреакційвуглецюміддю.
4. Інтенсивністю протікання окисно
-відновних реакцій можна керувати, змінюючи
фізико-хімічніпараметриневрівноваженогостану
поверхневихшарівматеріалу.
5. Одним з керованим параметром неврів
-новаженого стануматеріалу, підлеглогооброб
-ці концентрованими потоками енергії (лазерне
випромінювання) єградієнттемператури.
6. У результаті застосування лазерного
опромінення поверхні тертя мідного контакт
-ного проводу вдалося підняти температуру ре
-кристалізаціїмідідо 350 °С.
7. Протікання неврівноважених процесів в
трибосистемі допомагає зменшити зношува
-ністьїїелементів.
БІБЛІОГРАФІЧНИЙСПИСОК
1. Костецкий Б. И. Поверхностная прочность матери-алов при трении / Б. И. Костецкий, И. Г. Носовс-кий, 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
5. Гершман И. С. Реализация диссипативной само-организации поверхностей трения в трибосисте-мах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и из-нос,. 1995. – № 1. – т. 16. – С. 61–70.
6. Буше Н. А. Совместимость трущихся поверхно-стей / Н. А. Буше, В. В. Копытько. – М.: Наука, 1981. – 127 с.
7. Гершман И. С. Роль углерода в самоорганизации процесса изнашивания сильноточных скользя-щих 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 поверхнос-тях сильноточных скользящих контактов. 1. Стро-ение 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 тре-ния 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 тре-ния с токосъемом / И. С. Гершман, Н. В. Пенский // Трение и износ. 1995. – № 1 – т. 16. – С. 126–131.
11. Гершман И. С. Термодинамические аспекты су-ществования устойчивых вторичных структур на поверхностях сильноточных скользящих кон-тактов / 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
токо-съемом 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 само-организации поверхностей трения в трибосисте-мах / И. С. Гершман, Н. А. Буше // Трение и из-нос. 1999. – № 1. – т. 16 – С. 61–70.
14. Гершман И. С. Токосъемные углеродные мате-риалы 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.
