Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность




Скачать 32,34 Kb.
НазваниеТехнологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность
Дата03.02.2016
Размер32,34 Kb.
ТипАвтореферат


Токарев Александр Михайлович


ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ


СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ ПОВЕРХНОСТНЫМ


ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ


Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой


степени кандидата технических наук


Иркутск – 2010


Работа выполнена на кафедре машиностроительных технологий


и материалов Иркутского государственного технического университета


Научный руководитель – доктор технических наук,


профессор С. А. Зайдес


Официальные оппоненты – доктор технических наук,


профессор Ю. В. Димов;


кандидат технических наук


А. В. Протасов


Ведущая организация – ОАО "ИркутскНИИхиммаш"


Защита состоится « 10 » июня 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.02 Иркутского государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, конференц-зал.


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного технического университета


Автореферат разослан « 7 » мая 2010 г.


Ученый секретарь


диссертационного совета,


профессор В. М. Салов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность работы. Работоспособность технических систем на основе электропривода во многом зависит от качества электрических контактов. Проблема создания электрических контактов, обеспечивающих надежную коммутацию электрических цепей, появилась одновременно с возникновением электротехники. Среди широкого многообразия электрических контактов наименее надежными являются скользящие. Они обладают нестабильным переходным сопротивлением, подвергаются механическому и электроэрозионному износу, что снижает степень надежности оборудования с вытекающими последствиями. Примерами скользящих контактов являются токоведущие кольца электрических машин, генераторов электрического тока бензиновых и дизельных электростанций, токоприемников вращающихся механизмов экскаваторов и подъемных машин, тяговых генераторов и электрогенераторных агрегатов тепловозов, генераторов легковых автомобилей и многих других устройств.


Большое количество исследований по повышению качества электрических контактов выполнено специалистами в области электротехники. Достаточно глубоко изучены процессы и явления электрической природы, рассмотрена роль токопроводящих материалов, исследовано влияние внешних воздействий на долговечность и надежность контактных соединений. Несмотря на широкий круг вопросов по изучению надежности и долговечности контактов, связь технологии их изготовления с работоспособностью соединений осталась вне зоны исследовательского внимания.


В технологии машиностроения для увеличения ресурса деталей машин широко используют поверхностное пластическое деформирование как простой и эффективный способ отделочно-упрочняющей обработки. Однако влияние этого способа на процессы контактирования скользящих электрических контактов изучено недостаточно глубоко, чтобы рекомендовать его для практического использования. Поэтому вполне актуальным является вопрос о повышении качества скользящих контактов за счет технологии их изготовления.


Цель работы: создание математической модели и экспериментальной базы для повышения долговечности скользящих электрических контактов на основе формирования упрочненного поверхностного слоя.


Методика исследования. Для достижения поставленной цели в теоретических исследованиях использованы основные положения технологии обработки поверхностным пластическим деформированием, теория малых упруго-пластических деформаций, численный метод конечных элементов. Экспериментальные исследования проведены по стандартным и оригинальным методикам в лабораторных условиях. Достоверность предложенных теоретических решений и практических рекомендаций подтверждена анализом экспериментальных данных.


Научная новизна работы. Предложена методика расчета переходного сопротивления скользящих электрических контактов, учитывающая микрогеометрию поверхностного слоя. На основе метода конечных элементов создана математическая модель, позволяющая определить переходное сопротивление скользящих контактов с учетом влияния формы и размеров микронеровностей, материала контакт-деталей и усилия их прижима.


Выявлена корреляционная зависимость переходного сопротивления и параметров микрогеометрии поверхностного слоя скользящих электрических контактов. Установлено, что поверхностный слой, сформированный локальным поверхностным пластическим деформированием, по сравнению с поверхностью, полученной механической обработкой, обеспечивает более качественный электрический контакт. Раскрыто влияние технологической смазки на качество работы скользящих электрических контактов. Определено соотношение механического и электроэрозионного износа при работе скользящих электрических контактов.


Практическая ценность работы. На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана технология обработки скользящих электрических контактов (токоведущих колец) поверхностным пластическим деформированием. Определено влияние режимов обработки поверхностным деформированием на процессы взаимодействия при работе скользящих контактов. Разработаны и изготовлены лабораторные установки для экспериментального определения переходного сопротивления и степени износа скользящих электрических контактов.


Реализация работы. Результаты работы апробированы на ОАО "ИркутскНИИхиммаш" при ремонте токоведущих колец асинхронных двигателей и генераторов.


Апробация работы. Основные научные и практические результаты доложены и обсуждены на всероссийских, региональных, межвузовских научно-технических конференциях, в том числе на: VII Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Механики XXI веку» (Братск, 2008); 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2010); региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» (Иркутск, 2006 – 2009); объединенном заседании кафедр факультета технологии и компьютеризации машиностроения Иркутского государственного технического университета.


Основные положения, выносимые на защиту:


1. Физическая модель скользящего контакта, учитывающая микрогеометрию, материал и усилия прижима контактов.


2. Методика расчета переходного сопротивления скользящих электрических контактов.


3. Результаты численного эксперимента, устанавливающего влияние микрогеометрии поверхности на величину переходного сопротивления.


4. Результаты натурных экспериментов, дополняющих и развивающих результаты математического моделирования.


5. Результаты экспериментального исследования электроэрозионного износа скользящих контактов.


6. Рекомендации и режимы обработки контактов поверхностным пластическим деформированием.


Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 1 работа в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, поставлена цель и определены задачи исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных источников и разработок, направленных на повышение надежности и качества работы электрических контактов. Проведен анализ типов электрических контактов и условий их работы, выявлены параметры, влияющие на их качество и долговечность, рассмотрены способы, обеспечивающие повышение работоспособности электрических контактов.

Вопросами качества контактов в области электротехники занимались российские и зарубежные ученые: И. А. Беляев, А. В. Гринек, Ю. Е. Купцов, П. С. Лившиц, В. В. Михайлов, К. Мерл, В. И. Нэллин, Б. В. Протасов, Туктаев, А. С. Фиалков, Г. Н. Фридман, Хисакадо, Р. Хольм, А. В. Чичинадзе и многие другие.

К важным результатам выполненных исследований можно отнести изучение природы физических явлений в зоне электрического контакта, установление влияния внешних воздействий и окружающей среды на стабильность передачи электрической энергии, выбор токопроводящих материалов. И в то же время связь технологии изготовления скользящих контактов с вопросами их работоспособности практически не исследована до сих пор.

В технологии машиностроения для увеличения ресурса деталей машин широко используют поверхностное пластическое деформирование как относительно простой и эффективный способ отделочно-упрочняющей обработки поверхностей. Большой вклад в теорию и технологию отделочно-упрочняющих процессов внесли российские и зарубежные ученые: Г. М. Азаревич, В. М. Браславский, В. Ю. Блюменштейн, Ю. В. Димов, Д. А. Журавлев, С. А. Зайдес, А. М. Кузнецов, М. М. Матлин, А. Н. Овсеенко, А. Е. Пашков, М. Е. Попов, О. Пшебыльский, Ю. А. Проскуряков, О. А. Розенберг, Х. М. Рахимянов, А. Г. Суслов, В. М. Смелянский, В. М. Торбило, Л. А. Хворостухин, О. Хорчер и многие другие. Несмотря на многочисленные исследования эксплуатационных характеристик упрочненных изделий, вопросы повышения долговечности скользящих электрических контактов за счет технологии их изготовления остались так же вне зоны внимания и среди машиностроителей.

С учетом изложенного была сформулирована цель диссертационной работы, для достижения которой потребовалось решить следующие задачи:

1. Рассмотреть физическую сущность явлений, имеющих место при работе скользящих электрических контактов, и выделить основные факторы, влияющие на состояние поверхностного слоя и качество контактирования.

2. Разработать математическую модель, обеспечивающую численную оценку работоспособности скользящих контактов с учетом физико-механических и геометрических характеристик поверхностного слоя.

3. Разработать способ и сконструировать оборудование для определения переходного сопротивления скользящих электрических контактов.

4. Провести экспериментальные исследования по определению влияния способов поверхностного пластического деформирования на качество работы скользящих контактов.

5. Выбрать наилучший способ обработки контактных поверхностей, найти оптимальные режимы, обеспечивающие повышение долговечности контактной группы.

6. Разработать и изготовить установку для определения электроэрозионного и механического износа скользящих электрических контактов.

7. Провести испытания скользящих контактов на износ и сравнить их с работоспособностью контактов, изготовленных по заводской технологии.

Во второй главе представлено математическое моделирование взаимодействия скользящих элементов с выходом на переходное сопротивление контактных поверхностей.

Величина переходного сопротивления зависит во многом от материала контактов, микрогеометрии поверхностного слоя, усилия прижима в зоне контакта. При взаимодействии твердых тел фактическая площадь контакта в десятки раз отличается от номинальной, что приводит к повышению переходного электрического сопротивления. Поэтому основополагающим вопросом исследования стало определение величины фактической площади контакта поверхностей. Напряженное состояние контактного слоя является ключевым вопросом для определения переходного сопротивления контактной группы. Физическая модель контакта представляла шероховатую цилиндрическую поверхность (кольцо), нагруженную криволинейным токосъемом.

Теоретический анализ контактного взаимодействия двух тел рассмотрен на физических моделях с упруго-пластическим нагружением. В качестве физико-механических параметров физической модели учитывали модуль упругости E, коэффициент Пуассона µ и предел текучести σт.

Микронеровность поверхностного слоя оценивали по следующим параметрам: высота, шаг по средней линии, радиус при вершине микропрофиля. Цилиндрическое тело (кольцо), нагруженное криволинейным токосъемом в зоне контакта микронеровностей испытывает объемное напряженное состояние, которое оценивали эквивалентным напряжением:

,

где σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx – нормальные и касательные составляющие напряжений.

По эквивалентному напряжению и приложенному усилию нажатия рассчитывали фактическую площадь контакта

,

где Fk – сила нажатия контактов.

Переходное сопротивление в зоне контакта определяли по формуле

,

где ρ1 и ρ2 – удельное сопротивление материалов контакта.

Твердотельная модель контакт-деталей создана средствами системы Solid Works. Исходными данными для модели были форма, размеры контакт-деталей и геометрические параметры микронеровностей поверхности.

Численное решение упруго-пластической задачи нагруженного тела с шероховатой поверхностью выполнено с помощью метода конечных элементов. Конечно-элементная модель (рис. 1,а) содержала 33856 параболических элементов, имеющих помимо узлов в вершинах узлы на серединах ребер.

На основе программного пакета Solid Works и COSMOS Works разработана структура расчета напряженно-деформированного состояния скользящих контактов, обработанных поверхностным пластическим деформированием. По изополосам напряженного состояния (рис. 1,б), полученным с помощью программы, определены компоненты тензора напряжений в объеме тела. Правомерность использования принятой модели контактного взаимодействия проиллюстрирована в диссертации на классическом примере упруго-пластического взаимодействия шара и призмы.

В результате численного расчета определено влияние основных параметров микронеровностей – высоты, шага, радиуса скругления при вершине микровыступов, а также усилия прижима контактов – на величину переходного сопротивления (рис. 2).





а)

б)

Рис. 1. Конечно-элементная модель (а) и поля напряжений в зоне контакта (б)





а)

б)





в)

г)

Рис. 2. Зависимость переходного сопротивления от высоты (а), шага (б), радиуса вершины (в) микронеровностей и усилия нажатия контактов (г)

Так, с увеличением высоты и шага микронеровностей, а также с уменьшением радиуса скругления при вершине микронеровностей увеличивается переходное сопротивление контакта. С ростом величины усилия нажатия контактов переходное сопротивление падает.

В третьей главе изложена методика и результаты экспериментальных исследований, которые дали возможность оценить достоверность численной модели, а также определить зависимость переходного сопротивления электрических контактов от вида и режимов упрочнения. Кроме обработки контактов поверхностным пластическим деформированием, были исследованы и другие методы формообразования, позволяющие оценить и выбрать наилучший способ обработки, обеспечивающий повышение качества скользящих контактов.

Исследования проводили на цилиндрических кольцах (D=30 мм, d=10 мм, h=20 мм) из меди М1 и стали 45, которые широко применяют для изготовления скользящих электрических контактов. Параметры шероховатости поверхности образцов определяли на профилографе-профиломере мод. 170311 («Калибр») в трех плоскостях, расположенных равномерно по окружности. Для проведения экспериментальных исследований была сконструирована и изготовлена установка (рис. 3), предназначенная для определения переходного сопротивления скользящих электрических контактов. Поскольку величина переходного сопротивления не является постоянной, а зависит от состояния контактной поверхности, в работе использовано среднеарифметическое значение:

,

где R1, R2, Rn – величины скачков сопротивления на контакте; n – количество скачков сопротивления за интервал времени.

Анализ литературных источников и численный расчет переходного сопротивления позволили выявить путь для повышения качества контактов – это формирование поверхностного слоя, обеспечивающего наибольшую фактическую площадь контактных поверхностей. Для реализации этого подхода было решено использовать методы поверхностного пластического деформирования – локальный и охватывающий. Локальное нагружение осуществляли цилиндрическим роликом (R=20 мм, D=50 мм) при обработке образцов из стали 45 и шариком (D=18 мм) при обработке образцов из меди М1. Для охватывающего поверхностного пластического деформирования использовали серию матриц (сталь У10, 2α=12º, lk=3 мм), обеспечивающих степень относительного обжатия в пределах от 0,5 до 3 %.



Рис. 3. Принципиальная схема установки для определения переходного сопротивления:

1 – электродвигатель; 2 – механизм вращения образца; 3 – испытуемый образец; 4 – электрическая измерительная цепь; 5 – прижимной винт; 6 – осциллограф; 7 – стабилизатор тока

Известно, что на микрогеометрию поверхности существенное влияние оказывает величина натяга при поверхностном пластическом деформировании. Экспериментально установлено, что его роль нельзя оценивать однозначно. При повышении натяга до 0,15 мм высота микронеровностей снижается, при дальнейшем повышении – растет (рис. 4,а). Аналогичная зависимость установлена и для переходного сопротивления (рис. 4,б). Количество проходов при поверхностном деформировании в диапазоне от 1 до 3 практически не влияет на переходное сопротивление, дальнейшее повышение числа проходов увеличивает переходное сопротивление. При обработке контактной поверхности оптимальная подача составляет 0,1 ÷ 0,3 мм/об, увеличение подачи приводит к ухудшению качества контакта.

Обкатывание колец выполнено на токарном станке роликом со сферическим пояском и шариком. Для обкатывания стали применяли ролик с профильным радиусом 20 мм, диаметром 50 мм. Для обкатывания меди – шарик Ø 8 мм и ролик Ø 48 мм со сферическим пояском радиусом 3 мм. Обработку проводили без смазки (на сухую). Перед обкаткой поверхность образцов была обработана резанием (Ra=0,9).

Охватывающее поверхностное пластическое деформирование является эффективным высокопроизводительным способом отделочно-упрочняющей обработки длинномерных изделий. В частности, его можно рекомендовать для повышения качества контактного взаимодействия в линиях электропередач. Важным параметром процесса, изменяющим геометрические и физико-механические характеристики материала, является степень относительного обжатия, с ростом которого качество поверхностного слоя повышается. Установлено, что наиболее существенные изменения параметров шероховатости и переходного сопротивления происходят при относительном обжатии до 1,3÷1,5 % (рис. 5). Выявлено влияние направления обработки, т. е. пластически деформированного следа на величину переходного сопротивления. При движении контакт-деталей перпендикулярно направлению обработки величина переходного сопротивления на 40 % выше, чем на тех же образцах при движении контакт-деталей, совпадающем с направлением обработки.





а)

б)

Рис. 4. Влияние величины натяга на параметр шероховатости Ra (а) и переходное сопротивление (б) при поверхностном пластическом деформировании





а)

б)

Рис. 5. Влияние степени относительного обжатия на параметр шероховатости Ra и переходное сопротивление Rк при охватывающем ППД

Для сравнения результатов, полученных при обработке контактных по­верхностей поверхностным пластическим деформированием, были проведены исследования и по влиянию механических способов обработки на переходное сопротивление. В настоящее время процессы резания и шлифования широко используются на промышленных предприятиях при изготовлении скользящих электрических контактов. Экспериментально установлено, что при обработке контактов резанием с увеличением высоты, шага и уменьшением средней линии по выступам микронеровностей переходное сопротивление растет (рис. 6). Установлена достаточно высокая степень корреляции (0,98) между параметрами шероховатости поверхности и переходным сопротивлением.

На рис. 7 показаны зависимости переходного сопротивления от параметров шероховатости Ra и Sm, полученных на стальных и медных образцах шлифованием. Медь по сравнению со сталью имеет более низкую величину переходного сопротивления, это связано с тем, что электропроводность меди выше, чем электропроводность стали. При обработке шлифованием, независимо от марки материала, уменьшение параметров микронеровностей (Ra, Sm) сопровождается снижением величины изменения переходного сопротивления. При шлифовании, так же как и при резании, параметры шероховатости Ra и Sm коррелируют с переходным сопротивлением (0,91 и 0,94 соответственно).





а)

б)

Рис. 6. Зависимость переходного сопротивления от параметров шероховатости Ra (а) и Sm (б) после обработки контактов резанием





а)

б)

Рис. 7. Зависимость переходного сопротивления от параметров шероховатости Ra (а) и Sm (б) после шлифования контактов

Завершающая операция полирования в технологических процессах изготовления деталей машин обычно используется для повышения долговечности изделий, снижения уровня трибологических характеристик либо для декоративной внешней отделки. Экспериментальными исследованиями установлено, что при обработке электрических контактов операция полирования не дает положительного эффекта (рис. 8). Было установлено, что масло, входящее в состав полировальных паст, и технологическая смазка при охватывающем ППД образуют на контактной поверхности органические соединения, обладающие большим сопротивлением. Наличие этих соединений (CH=C, CH3, C-H, C=C, C-H и C-S-C) на поверхности контактов было обнаружено в результате проведения ИК-спектроскопии.





Рис. 8. Диаграмма переходного сопротивления полированных образцов

Рис. 9. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных

Натурные эксперименты дали возможность оценить и достоверность данных, получаемых численным расчетом (рис. 9). Если переходное сопротивление небольшое, результаты отличаются на 5-8 %, с ростом сопротивления расхождения могут достигать 15-20 %.

Влияние методов обработки рабочих поверхностей медных скользящих электрических контактов на переходное сопротивление показано на диаграмме (рис. 10). Первое место в рейтинге качества контактов, бесспорно, принадлежит обкатке поверхностей шаром и роликом.



Рис. 10. Диаграмма величины переходного сопротивления в зависимости от способа обработки контактной поверхности:

1 – обкатка шариком; 2 – обкатка роликом; 3 – ОППД (технологическая смазка сухой порошок натриевого мыла); 4 – ОППД (без технологической смазки); 5 – шлифование; 6 – резание; 7 – ОППД (технологическая смазка индустриальное масло); 8 – полирование алмазной пастой; 9 – полирование пастой ГОИ; 10 – прокатка

Четвертая глава. Качество скользящих электрических контактов оценивается не только величиной и стабильностью переходного сопротивления, но и стойкостью к изнашиванию поверхностного слоя. Износостойкость изделий зависит от многих факторов и требует целенаправленных исследований, если вопрос касается оптимизации трибологических процессов. В данной работе процесс износа рассмотрен для оценки долговечности электрических контактов, обработанных поверхностным пластическим деформированием. Для сопоставления полученных результатов определяли износ образцов, обработанных и другими способами.

Исследование износостойкости контактной поверхности проводили на экспериментальной установке, обеспечивающей испытание образцов на механический и электроэрозионный износ. Исследования проводили на образцах (медь М1), обработанных поверхностным пластическим деформированием, шлифованием и охватывающим поверхностным пластическим деформированием.

Похожие:

Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconРазработка и исследование
Развитие способа и оборудования для упрочнения сложнопрофильных деталей машин поверхностно-пластическим деформированием
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconТехнологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий
...
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconПрограмма вступительного междисциплинарного экзамена в магистратуру для направления 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
«Технология автоматизированного машиностроения», «Автоматизированные системы технологической подготовки производства», «Технология...
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconПрограмма вступительных испытаний (междисциплинарного экзамена) для поступающих в магистратуру по направлению 151900. 68 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Для поступления в магистратуру по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»...
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconРабочая программа по дисциплине: Металлорежущие станки направление: 151000 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств" для специальности: 151001 "Технология машиностроения" форма обучения: очная срок обучения: 5 лет
Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 151000 "Конструкторско-технологическое...
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность icon«Основы технологии машиностроения»
Направление: 150000 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительного производства
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconПрограмма практики по дисциплине: преддипломная производственная практика по специальности 151001 «Технология машиностроения»
«Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств»
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconРабочая программа по дисциплине дс 02. 01 «Проектирование штампов и пресс-форм» для специальности
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»(151000-по оксо)
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconРабочая программа по дисциплине дс 01. 01 «Проектирование технологической оснастки» для специальности 120100 «Технология машиностроения» (151001.
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»(151000- по оксо)
Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность iconСправочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Л., 1988. Сулима, А. М
Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик направляющих скольжения формированием антифрикционных покрытий гибким...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница