ИЗНОСОУСТОЙЧИВОСТЬ УГЛЕРОДНЫХ ТОКОСЪЁМНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ В СВОЁМ СОСТАВЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНО ВВОДИМЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

АННОТАЦИЯ

Предложено использование износостойких материалов, разрабо­танных с использованием положений неравновесной термодинамики. Изучена их устойчивость к износу в различных условиях работы – в рассмотренной статье это скорость взаимного скольжения электри­ческих контактов и передаваемый электрический ток. Определено, что разработанные материалы имеют определённые значения скорости и тока, при которых их разрушение будет меньше. Также это разру­шение зависит от природы используемого материала. Полученные результаты подтверждают точку зрения о возможности протекания во время взаимного трения с передачей электрического тока процессов, способных перераспределять энергию, обычно приводящую к разру­шению контактирующих тел

Ключевые слова: перераспределение энергии, смазывающее действие, условия работы, трение с токопередачей

Введение. Передача электрического тока через скользящие контакты рассматривается как явление, происходящее в условиях, сильно отличающихся от термодинамического равновесия. В этих условиях могут происходить физические и химические изменения участвующих в них материалов. Эти изменения обычно невозможны в отсутствие постоянного притока энергии извне, так как характеризуются высокими затратами энергии на своё осуществление. Энергия расходуется на преодоление термодинамического (свободная энергия) и кинети­ческого (энергия активации) барьера. При этом протекание процессов отличается от имеющего место при поступлении энергии исключительно в виде тепловой, молекулярно-кинетической. В результате происходящих во время трения с передачей тока физических и химических явлений на поверхностях контактирующих материалов образуются новые структуры и вещества, некоторые из них существуют только во время самого процесса трения - и любого процесса с постоянной внешней подачей энергии. Эти структуры получили название диссипативных [1, с. 8, 12, 404]. Они могут быть разными для различных условий, возникнуть и просуществовать они могут только при определённом значении подаваемой извне энергии. Само же явление возникновения диссипативных структур названо самоорганизацией [1, с. 138]. Примени­тельно к трению существующие во время его протекания структуры получили название «третьего тела» [2, с. 10, 185]. Оно включает в себя преобразованные поверхностные слои контактирующих материалов и прослойку между ними. «Третье тело» является диссипативной структурой. Предполагаемый коэффициент трения каждого материала по диссипативной структуре также может быть меньше по сравнению с исходными материалами, работа трения таким образом снижается. Но в общем явления, происходящие непосредственно при трении, отследить невозможно. Поэтому обращают внимание на последствия его действия – конечный состав контактирующих материалов и величину интенсивности их изнашивания в зависимости от скорости и пере­даваемого тока.

Работа трения и тока в скользящих контактах в основном переходит в тепло, но часть её расходуется на механическое разрушение (износ), структурные и химические изменения участвующих материалов. Поэтому возникает вопрос о возможности направления этой работы на изменения в материалах, требующих затрат энергии, что может позволить снизить износ.

С учётом точки зрения о прохождении при трении само­организации и формировании диссипативных структур, наличие которых позволяет снизить затраты энергии на нежелательные явления, возникает задача поиска требуемых для этого состава вещества и условий. И этим условием является как постоянный внешний приток энергии, выводящий систему из равновесия и имеющий определённое значение [1, с. 367; 4, с. 126], так и состав материала трущихся тел. Усложнение состава системы трения (по S-теореме Климонтовича) способствует протеканию самоорганизации.

Возможность снижения износа за счёт структурных изменений, проходящих при внешнем поступлении энергии, отражается на структурно-энергетической диаграмме трения (рис. 1). Согласно этой диаграмме, коэффициент трения и износ с ростом передаваемой энергии должны сначала расти, затем падать до минимума, после чего опять начинается рост.

Рисунок 1. Структурно-энергетическая диаграмма трения, зависимость коэффициента трения f от скорости v и прижатия N [5, с. 221, 275, 287, 309]

Выбор материала. В данной работе рассматривается пара трения «контактный провод – токосъёмные вставки». Одним из возможных протекающих в скользящих электрических контактах процессов, тре­бующих затрат энергии, считается реакция металлов с углекислым газом, образующимся при горении углеродных токосъёмных материалов, а так­же присутствующим в воздухе [3, с 123, 163, 178, 192; 4, с 126; 6, с. 489]. При этой реакции энтропия, связанная с объёмом, снижается. Тепло может как выделяться, так и поглощаться в зависимости от природы металла, в последнем случае энтропия снижается. Предположение о протекании этой реакции сделано на основе изучения состава структур, образующихся во время и по окончании трения (вторичных структур). В них обнаруживался углерод, в том числе при испытании на трение с токопередачей материалов, углерода не содержащих [7, с. 623]. Поэтому испытывали материалы с вводимыми в них частицами металлов, не образующих соединений с углеродом и относительно активных, с температурой плавления выше 1000⁰С – предполагаемой в зоне трения по расчётам и образующимся продуктам, им был устойчивый до 800⁰С CuO [8, с. 687]. Это прежде всего d-элементы 4 периода – Fe, Ni, Cu. Для Fe величина изменения свободной энергии при взаимодействии металла с углекислым газом (2Fe+CO₂=2FeO+C) имеет отрицательное значение, что означает возможность протекания этой реакции с точки зрения термодинамики. Препятствием может быть ещё и энергия активации. Если она превышает снижение свободной энергии в ходе протекающей реакции, то эта реакция считается невозможной в равно­весных условиях. Но выход из равновесия делает возможным протекание и таких реакций, чему также есть данные, например [3, с 123; 9, с.72]. Преодоление энергии активации требует увеличения числа столкно­вений между реагирующими молекулами, что означает повышение энтропии. Присутствие других веществ тоже способствует этому повышению, они могут при этом сами не принимать участие в протекающих химических процессах, т. е. быть катализаторами.

Проделанные эксперименты. Сначала были проведено изучение влияния природы и количества вводимого в контактные вставки металла. Эти испытания показали, что присутствие более активного металла, в большей концентрации, способствует большему снижению износа. Полученный результат описан в [10, с. 45], он позволяет считать, что более активный металл, в данном случае железо по сравнению с никелем и медью, может вовлекаться в протекающие при трении химические процессы, они идут в менее жёстких условиях. Далее эта точка зрения подтверждалась при испытании углеродного токосъёмного материала, содержащего железо, при различных значениях пропускаемого тока (рис. 1). Отсутствие роста износа при низких токах и наличии железа позволяло считать, что в этом случае происходит образование структур, на это может затрачиваться энергия, идущая в иных условиях на разрушение трущихся материалов.

Рисунок 2. Зависимость интенсивности изнашивания углеродных контактных вставок с наличием 0 - 1,5 % железа при различных значениях пропускаемого электрического тока

Испытания проводились при скорости 2 м/с (7,2 км/ч), но в эксплуатации скорость взаимного скольжения значительно выше. Кроме того, скорость рассматривается как ещё один возможный источник поступления энергии, также она считается способствующей механической активации контактирующих поверхностей. А механи­ческая активация считается способствующей как возникновению дис­сипативных структур трения, так и общего приспособления поверхностей друг к другу.

Поэтому в дальнейшем испытывали углеродный материал с отсут­ствием и наличием 1,5 % железа при скоростях до 7,5 м/с (27 км/ч) и тех же токах. Общее время взаимного контакта для каждого испытания составляло 10 часов, сами испытания проходили с перерывами. Износ токосъёмных материалов определяли весовым методом. А так как за одно время при разных скоростях больше будет преодолеваемое расстояние, то интенсивность изнашивания поэтому выражалась по отношении к нему, т. е. в мг/км.

Результаты и их обсуждение. В проведённых испытаниях при низких скоростях получали зависимость, аналогичную полученной ранее [10, с. 46], (также рис. 2). Все полученные зависимости в целом соответствовали структурно-энергетической диаграмме трения. При росте тока до 15 А для всех материалов при любой скорости наблюдался рост износа, до максимума при 30 А. Рост износа в этих условиях может быть объяснён расходом энергии прежде всего на разрушение материала, недостаточными условиями для формирования структуры, позволяющей снижать трение. Таким же образом объясняли и ранее наблюдаемое [10, с. 47]. Дальше интенсивность изнашивания во всех случаях проходила через минимум при 45 А с последующим ростом.

С ростом скорости износ для каждого материала сильно умень­шался при низких токах, и не менялся так же сильно, как при низких скоростях (Рис. 3, 4). При росте скорости износ материала, содержащего железо, был больше по сравнению с материалом, железо не содержащим (рис. 4). Но и различие было не таким значительным, как при низких скоростях. Полученный результат позволяет считать, что дополнительно вводимый металл может снижать износ за счёт своего участия в про­цессах, проходящих в скользящем контакте при трении, но сами эти процессы требуют определённого времени для своего осуществления. Это время тем больше, чем дольше между собой контактируют бесконечно малые участки трущихся тел. С ростом скорости усиливается отрыв трущихся тел друг от друга, они от этого могут разрушаться меньше, также в процесс трения больше вовлекается окружающих воздух. Этот воздух при трении с большей скоростью может втягиваться в зону контакта, и сам работать как смазка или формировать «третье тело». Более высокий износ при наличии металла может иметь причиной большее сопротивление материала контактных вставок с металлом (29 мкОм∙м) по сравнению с материалом без металла (23 мкОм∙м).

 При всех скоростях также, как и ранее, наблюдалось снижение износа при определённом достаточно высоком значении тока – смазывающее действие тока. При большой скорости при значениях тока, соответствующем смазывающему действию, снижение износа было менее заметным. Также в испытаниях при росте скорости ухудшалось пропускание тока – поэтому значение, соответствующее смазывающему действию, не достигалось. Хотя тенденция снижения износа с ростом тока проявлялась при всех скоростях (Рис. 3, 4).

При большей скорости для более высокого тока наблюдалось также смещение минимума износа в сторону более низкого значения скорости (Рис. 6). Но дальнейшая динамика прослеживается в отдельных случаях. Минимальный износ с ростом скорости, где это удалось наблюдать, сохраняется при 45 А, но при 60 А износ со скоростью растёт (рис. 6). Для лучшего из полученных результатов – зависимость износа от скорости при 45 А – износ мало отличается для наличия и отсутствия металла.

Наблюдаемое смещение может быть вызвано и совместным действием перечисленных в текущем разделе явлений – передачей тока и вовлечением воздуха. Все они согласно теоретическим положениям, приведённым в [10, с. 42, 11, с. 6], приводят к достижению условий, требуемых для прохождения самоорганизации и образования диссипа­тивных структур.

Выводы.

1.  Результаты проделанных испытаний показали, что материалы, содержащие металл, могут рекомендоваться для использования в любом случае. Но преимущество материалов, для которых предложено введение в них металла, проявляется в условиях работы при низкой скорости и малом пропускаемом токе. Предположительно в этих условиях и происходит одно из описанных неравновесной термодинамикой явлений, положенное в основу выбора материала - химические реакции с участием присутствующего в токосъёмном материале металла.

2.  Снижение износа зависит не только от материала, но и от условий его эксплуатации. Поэтому при эксплуатации разработанных материалов желательно обращать внимание на условия работы, что видно и по экспериментальным результатам.

Рисунок 3. Зависимость интенсивности изнашивания углеродных контактных вставок от тока при различных значениях скорости и отсутствии металла

Рисунок 4. Зависимость интенсивности изнашивания углеродных контактных вставок от тока при различных значениях скорости и наличии 1,5 % металла

Рисунок 5. Зависимость интенсивности изнашивания углеродных контактных вставок от скорости при токах 15 – 30 А, наличии и отсутствии металла

Рисунок 6. Зависимость интенсивности изнашивания углеродных контактных вставок от скорости при токах 30 – 60 А, наличии и отсутствии металла

Список литературы:

1. Пригожин И.Р., Кондепуди Д. Современная термодинамика. М.: Мир, 2002. - 416 с.
2. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчётов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1987. - 526 с.
3. Хайнике Г. Трибохимия. М. Мир, 1986. - 582 с.
4. Гершман И.С., Пенский Н.В. Исследование закономерностей образования вторичных структур в условиях трения с токосъёмом. Трение и износ, Т. 16, № 1, 1995, с. 126-131.
5. Федоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физико-химические предпосылки теории совместимости. Калининград, КГТУ, 2003. – 415 с.
6. Гершман И.С., Гершман Е.И. Каталитическое действие при трении // Трение и износ. 2011, Т.32, № 6, с. 489-496.
7. И.С. Гершман, Н.А. Буше Неустойчивость трибосистемы с токосъемом в процессе самоорганизации // Трение и износ. 1999. Т. 20. № 6. С. 623-629.
8. В.Я. Берент, И.С. Гершман. Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. Строение и состав. Трение и износ, 1989, т. 10, № 4, с. 687-692.
9. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении. Киев, Техника, 1976. – 296 с.
10. Гершман И.С., Мельник М.А., Гершман Е.И. Разработка износостойких токосъёмных материалов на основе интенсификации несамопроизвольных химических процессов. Материаловедение, № 4, 2013, с. 40-47.
11. Гершман И.С. Синергетика процессов трения. Трение, износ, смазка, Т. 12, № 40, сентябрь 2009.