Підвищення антифрикційних та зносостійких властивостей електромеханічних систем технологічними методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський мiжнародний унiверситет цивiльної авiацiї

УДК 621.316

Підвищення антифрикційних та зносостійких властивостей електромеханічних систем технологічними методами

Спецiальнiсть 05.02..04. - Тертя та зношування в машинах

Волков Володимир Петрович

Київ 1999

Дисертацiєю є рукопис.

Робота виконана у Київському мiжнародному унiверситетi цивiльної авiацiї.

Провiдна установа - ВАТ “Мотор- Ciч” м.Запоріжжя, Мінпромполітики України

Захист вiдбудеться “__23_”____грудня 1999 р. о 15 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.062.03 при Київському мiжнародному унiверситетi цивiльної авiацiї за адресою: 252058, Киiв - 58, проспект Космонавта Комарова1, КМУЦА.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi унiверситету.

Автореферат розiсланий “19” листопада 1999 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради, д-р техн. наук Запорожець О.І.

комутацiйний трибовузол пружнопластичний

АНОТАЦЇЇ

Волков В.П. Пiдвищення антифрикцiйних та зносостiйких властивостей електромеханiчних систем (ЕМС) технологiчними методами. - Рукопис.

Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора технiчних наук за спецiальнiстю 05.02.04 - тертя та зношування в машинах. - Київський мiжнародний унiверситет цивiльної авiацiї, - Київ.-1999.

Дисертацiя присв'ячена питанням систематизацiї, моделювання та оптимiзацiї трибопроцесiв складних електромеханiчних систем (на прикладi перемикаючих пристроїв серiї РНТА i РНОА). В роботi пiд єдиною методологiчною концепцiєю комплексних дослiджень узагальнена специфiка трибопроцесiв з урахуванням дiї середовища, механо-фiзико-хiмiчних, термiчних та електричних явищ, що супроводжують довготривалу експлуатацiю ЕМС. Подано розрахунок напруженого стану площадки фактичного контакту, при наявностi пiдповерхневих дефектiв, пiд дiєю термодинамiчних процесiв. Запропонованi модель та механiзм утворення продуктiв зношування з урахуванням явища електроерозiї, що дозволяє встановити закономiрнiсть розподiлу часток зношування в турбулентному потоцi масла, достовiрнiсть яких пiдтверджено на практицi.

Основнi результати працi знайшли промислове застосування при проектуваннi перспективних електромеханiчних систем з полiпшеними технiчними характеристиками, виготовленнi та ремонтi деталей складного профiлю авiацiйної та автомобiльної технiки.

Ключовi слова: електромеханічна система, моделювання, оптимізація, антифрикційність, зносостійкість, тертя.

Волков В.П. Повышение антифрикционных и противоизносных свойств электромеханических систем (ЭМС) технологическими методами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.04. - Трение и износ в машинах. - Киевский международный университет гражданской авиации. - Киев.-1999.

Диссертация посвящена вопросам систематизации, моделирования и оптимизации трибопроцессов сложных електромеханических систем (на примере переключающих устройств серии РНТА и РНОА). В работе под единой методологической концепцией комплексных исследований обобщена специфика трибопроцессов с учетом среды, механо- физико-химических, термических и электрических явлений, сопровождающих длительную эксплуатацию ЭМС. Дан расчет напряженного состояния площадки фактического контакта, при наличии подповерхностных дефектов, под действием термодинамических процессов. Предложена модель и механизм образования продуктов износа с учетом явлений электроэрозии, позволяющие установить закономерность распределения частиц изнашивания в турбулентном потоке масла, достоверность которых подтверждена практически.

Впервые примененный для исследования параметров трения в трибоэлектросопряжениях ЭМС критериальный анализ размерностей позволил представить фрикционный контакт как совокупность критериев подобия (теплофизического, теплопередачи, физико-механического, макро- и микрогеометрии контактирования, динамического). Каноническим анализом полученных критериальных зависимостей коэффициента трения от обобщенных переменных процесса фрикционного взаимодействия трибоэлектросопряжений было установлено, что фактические режимы эксплуатаци ЭМС не соответствуют оптимальным, обеспечивающим их триботехнические свойства. Экспериментальным путем определены и предложены к внедрению оптимальные значения эксплуатационных параметров, повышающих антифрикционные и износостойкие свойства ЭМС.

Методом имитационного моделирования воспроизведена закономерность износа кромочных поверхностей подвижного роликового контакта трибоузлов ЭМС, не поддающаяся аналитическому расчету. Получены алгоритмы расчета для прогнозирования линейного и весового износов, удельной нагрузки, скорости, концентрации абразивных частиц в рабочей среде.

На специальной, защищенной А.С. 1385037 СССР, установке исследовалась динамика изменения адгезионной составляющей коэффициента трения а, позволившая впервые экспериментальным путем воспроизвести и объяснить механизм схватывания в коммутационных трибосопряжениях, эксплуатирующихся в ЭМС при различных температурах, а также установить взаимосвязь между электрическими и триботехническими характеристиками контактирующих поверхностей. Результаты этих исследований легли в основу внедренной новой методики прогнозирования триботехнических свойств разъемных коммутационных трибосопряжений ЭМС, обслуживающих электрические сети напряжением 330 и 550 кВ.

Результаты критического анализа триботехнической работоспособности и практики эксплуатации показали, что применяемые компактные материалы для контакт-деталей ЭМС имеют эксплуатационные параметры более низкие, чем детали из предложенного порошкового материала ЭПМ. Оптимизация состава и свойств ЭПМ позволила стабилизировать триботехнические и электротехнические свойства во всем диапазоне режимов эксплуатации ЭМС. Выполненный оптимизационный расчет теплового режима для неподвижного элемента коммутационного трибосопряжения с учетом несовершенства переходного сопротивления при наличии подповерхностных дефектов, реставрационных покрытий показал, что локальная подповерхностная температура может на 30% превышать объемную температуру материала.

Модель термомеханического состояния трибосопряжений показала, что для оптимизации инженерных решений, связанных с выбором состава порошковых материалов на стадии проектирования или модернизации, необходимо учитывать их теплофизические константы - коэффициент теплопроводности и коэффициент теплоемкости. Чем большую величину составляет их соотношение, тем меньше термическая нагрузка на площадь фактического контакта.

На основании предложенной обобщенной методики качественного и количественного металлографического анализа компонентов порошкового материала титана, хрома, молибдена теоретически обоснована и экпериментально подтверждена возможность прогнозирования зависимости между структурой, составом фаз и технологическими параметрами процесса (объемная температура, скорость реакции, наличие остаточной атмосферы, толщина фаз). Доказана возможность технологического управления оптимизацией состава и структуры фаз многокомпонентных порошковых материалов, обеспечивающих аномально низкие коэффициенты трения скольжения в полужидкостном режиме.

Разнообразие свойств, присутствующих в материале фаз и оксидов, обеспечивают ЭПМ значительное превосходство его триботехнических характеристик перед компактными материалами, традиционно применяемыми в ЭМС.

Основные результаты работы нашли промышленное применение при проектировании перспективных электромеханических систем с улучшенными техническими характеристиками, изготовлении и ремонте сложнопрофильных деталей авиационной и автомобильной техники.

Ключевые слова: электромеханическая система, моделирование, оптимизация, антифрикционность, износостойкость, трение.

Volkov V.P. " Rise antifriction and wear resistance of Electromechanical System (EMS) by Technological Methods". - Manuscript.

Thesis for Doctor`s degree (Engineering) on speciality 05.02.04 "Friction and Wear in Machines", Kiev International Civil Aviation University, Kiev, 1999.

Thesis covers systematization, simulation and optimization of triboprocesses of complex electromechanical systems (e.g. switches of RNTA and RNOA series).

Spesial characters of triboprocesses including conditions, mechanical, physical, chemical, thermal and electrical phenomens that accompany long-duration usage of EMS are generalized.

Stress of actual contact point conditions are calculated provided that defects are available under its aurface.

A modal and mechanizm of wear and its products including electrical wear that enable to determine the behaviour of wear particle distribution in turbulent oil flaw are suggested.

Their authenticity and high efficiency are confirmed in practice. Results of the research were used in industry for designing EMS with andvanced specifications,for manufacturing and repairing complex pieces in aircraft and automobile equipment.

Key words: electromechanical system, simulation, optimization, antifriction, wear resistance, wear.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальнiсть теми. Поступальний розвиток народного господарства потребує розробки нових машин та високоефективних технологiй на базi рацiонального використання трудових, енергетичних i матерiальних ресурсiв. Електротехнiчна промисловiсть є однiєю з галузей, що має значнi резерви економiї матерiальних витрат через економiю електроенергiї як при виробництвi, так i при використаннi шляхом пiдвищення надiйностi, безпеки функцiонування, оптимiзацiї режимiв роботи i продовження термiну експлуатацii ЕМС.

Зокрема, статистика вiдмов у роботi маслонаповненого комутацiйного обладнання ЕМС за останнi десятирiччя вказує на неприйнятнiсть традицiйного пiдходу до оцiнки його роботи i потребує комплексного вирiшення проблеми.

Її суть полягає в тому, що необхiдно враховувати явища рiзного походження а саме; протiкання через трибовузли електричного струму значної сили, електричних та магнiтних полiв, незначного перевищення сил рушiйних над силами протидiї робочого середовища, яке постiйно забруднюється, пульсуючої активацiї дифузних процесiв вiд електричного струму, наявностi ударних навантажень, низької змащувальної дiї робочого середовища, газообмiнних реакцiй в робочому середовищi та на поверхнях тертя, механiзму виникнення та впливу продуктiв зношування на процес тертя.

Головними чинниками при цьому вважаються втрати кiнетичної енергiї системи перемикання вiд тертя та процес зношування трибоелектроспряжень.

Специфiкою явищ. що протiкають на поверхнi трибоспряжень є їх самоорганiзуючий характер. Ієрархiя процесiв реалiзується слiдуючим чином: багаторазовий повторний крекiнг мiкрооб'ємiв трансформаторного масла, утворення продуктiв електрозношування, перерозподiл початкового газового складу робочого середовища, модифiкацiя приповерхневих шарiв матерiалiв трибоспряжень, диспергацiя i коагуляцiя продуктiв зносу, зростання втрат кiнетичної енергiї на тертя, змiна характеру тертя з переходом вiд механо-хiмiчного до абразивно-механiчного, змiна розмiрiв контактуючих поверхонь, руйнування трибоелектроспряження.

Рiзноманiтнi режими експлуатацii ЕМС не змiнюють загальних закономiрностей зносу трибоспряжень, а лише реалiзують варiанти перелiчених вище процесiв.

Оцiнку перелiчених факторiв можна узагальнити. Їх подальший розвиток дозволить ввести концептуальне поняття триботехнiчної надiйностi, що вмiщує в собi такi показники, як безвiдмовнiсть у роботi, довговiчнiсть, збереження та ремонтопридатнiсть пар тертя. Триботехнiчна надiйнiсть електромеханiчних систем, як аналог загальної надiйностi, потребує в майбутньому розробки єдиного методологiчного пiдходу. Оскiльки системних робiт у цьому напрямку немає, то дана розробка комплексного пiдходу з залученням електричних, динамiчних, матерiалознавчих, металургiйних, трибологiчних та триботехнiчних аспектiв, розрiзнене вивчення яких триває на протязi останнiх 20 рокiв, є прiоритетною.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Згiдно з постановою Верховноi Ради України вiд 25.02.1994 р. за № 4034-Х11, вибраний напрямок дослiджень пiдпадає пiд перелiк нацiональних науково-технiчних програм “Енергоресурси” (Пiдвищення надiйностi та безпеки функцiонування АЕС, ТЕС, ГЕС, ГТУ, iнших виробничих об'єктiв паливно-енергетичного комплексу) i “Матерiали та речовини” (Створення нових матерiалiв i речовин з наперед заданими властивостями, спроможних працювати в умовах високих i низьких температур, змiнних механiчних навантажень, радiацiйної активностi. а також в агресивних середовищах).

Мета роботи. Метою роботи є вирiшення важливої науково-технiчноi проблеми, пов'язаної з пiдвищенням антифрикцiйних та зносостiйких властивостей високовольтних маслонаповнених ЕМС, шляхом комплексних дослiджень, що об'єднують систематизацiю, узагальнення, прогнозування, моделювання i розробку нових методик розрахункiв триботехнiчних та супроводжуючих процесiв, оптимiзацiю режимiв їх безпечного функцiонування. Для досягнення зазначеної мети в роботi вирiшувались наступнi питання:

1. Аналiз i систематизацiя триботехнiчних та супроводжуючих специфiчних процесiв, що впливають на антифрикцiйнi та зносостiйкi властивостi електромеханiчних систем.

2. Розробка методик, моделей та критерiїв оцiнки стану комутацiйних трибовузлiв при довгострокових режимах експлуатацiї ЕМС.

3. Аналiтичнi розрахунки активацiйного, термомеханiчного та пружнопластичного станiв площi фактичного контакту трибосполучення.

4. Узагальнення i систематизацiя результатiв експериментальних дослiджень комплексного впливу зовнiшнiх факторiв на пари тертя ЕМС.

5. Впровадження результатiв дослiджень на практицi та промислових випробуваннях перспективних триботехнiчних матерiалiв для комутацiйного обладнання ЕМС, у виглядi новоi методики розрахункiв, що включають в себе триботехнiчнi показники на етапi проектування ЕМС, нових технологiчних процесiв та технологiчного оснащення у рiзних галузях народного господарства.

Наукова новизна одержаних результатiв. На основi наукового узагальнення, комплексного експериментального обгрунтування нових процесiв вирiшена важлива науково-технiчна проблема, пов'язана з пiдвищенням антифрикцiйних та зносостiйких властивостей ЕМС, досягнутi основнi доступнi результати, що полягають у слiдуючому:

1. Вперше доведено, що для електротехнiчних матерiалiв адгезiйна складова коефiцiєнта тертя може застосовуватись як критерiальна величина, яка впливає на точнiсть прогнозування та оцiнку антифрикцiйних та зносостiйких властивостей ЕМС на стадii проектування шляхом пiдбору матерiалiв з урахуванням їх триботехнiчних показникiв. За допомогою математичного апарату теорiї подiбностi, що дозволяє коректно поєднувати фактори явищ рiзної природи (електричнi, механiчнi, матерiалознавчi, металургiйнi, триботехнiчнi), виявлена функцiональна залежнiсть адгезiйної складової коефiцieнта тертя вiд експлуатацiйних параметрiв (сили струму, тривалостi контактуваня матерiалiв, об'ємної температури робочого середовища).

Прiоритетнiсть методу дослiдження адгезiйної складової захищена А.С. 1385037.

2. Вперше виявлена закономiрнiсть, що поєднує кiлькiсний зв'язок мiж умовами утворення часток зносу з врахуванням видiленої газоподiбної фази, та структурно-механiчнi параметри комутацiйного трибоелектроспяження. Встановлено склад газових сполук у суцiльних, скоагульованих та перфорованих частках електрозносу серед яких найбiльш активними складовими, що обумовлюють поризацiю часток є азот з воднем та киснем.

3. Розрахунковим методом, з залученням математичної моделi, доведено, що iснуe кореляцiйна залежнiсть мiж межею термостiйкостi порошкового матерiалу на основi мiдi з фiзичними властивостями компонентiв матерiалу та його структурними параметрами (в'язкiстю та межею текучостi).

4. Базуючись на розробленiй методицi iмiтацiйного моделювання. вперше доведена можливiсть прогнозування динамiки зношування кромок робочих поверхонь трибоелектроспряження в умовах електромеханiчної взаeмодii та надмiрного зростання адгезiйної складової коефiцieнта тертя, а також її вплив на триботехнiчну надiйнiсть ЕМС вцiлому.

Запропонована методика розрахунку граничних значень температури поверхонь трибоспряжень, спiвпадаючих з дiлянками фактичного контакту, експериментально може перевiрятись на обладнаннi, захищеному А.С. 1529563.

5. Комплексним металографiчним аналiзом вторинних фаз порошкового матерiалу для трибоелектроспряжень. доведена можливiсть управлiння оптимiзацiєю складу та структури технологiчними методами з метою забезпечення стабiльних аномально низьких коефiцiєнтiв тертя та зношування у напiврiдинному режимi тертя. Теоретичне обгрунтування встановленого процесу за допомогою модельних уявлень, якi враховують кiнетику мiжфазної взаeмодiї на поверхнi розподiлу порошкового матерiалу з робочим середовищем показуe, що реакцiйна спроможнiсть поверхневих шарiв ЕПМ на порядок перевищує швидкiсть гетерогенних та релаксацiйних реакцiй компактних матерiалiв.

Практичне значення одержаних результатiв.

1. На пiдставi теоретичних обгрунтувань. нових експериментальних результатiв, розроблених та узагальнених методик, моделей i критерiїв оцiнки особливостей триботехнiчних процесiв в умовах електромеханiчної взаємодiї матерiалiв, на ВАТ “Запорiжтрансформатор” впроваджена нова методика розрахункiв, що пiдвищує антифрикцiйнi та зносостiйкi властивостi комутацiйних трибоелектроспряжень та ЕМС вцiлому на стадiї проектування.

2. При впровадженнi результатiв роботи у практику, додатково вирiшено ряд важливих сумiжних задач, що пiдкоряються окремим виявленим закономiрностям, а саме:

2.1. На ВАТ “Мотор-Сiч” (м. Запорiжжя)

- новий технологiчний процес та обладнання для формування робочих поверхонь електродiв-iнструментiв;

- технологiчне оснащення для виготовлення лопаток турбiн (436Т.04.02.010-01) двигуна Д436-1;

- технологiчне оснащення для виготовлення секторiв лопаток турбiн (Д18Т.04.01.010-02/03) двигуна Д18Т.

2.2. На ВАТ “Василiвський авторемонтний завод” (Запорiзька обл.)

- рекомендацiї та обладнання для технологiчної пiдготовки зношених поверхонь деталей автомобiльної технiки, що мають складний профiль, пiд нанесення зносостiйкого покриття;

- новий технологiчний процес реставрацiї зношених поверхонь деталей автомобiльної технiки, що мають складний профiль.

Наукова та практична цiннiсть проведених дослiджень, виконаних у межах представленої роботи, з реалiзованим рiчним економiчним ефектом становить: 74237 крб. у 1990 р., 195976 крб. у 1991 р., 556900 крб. у 1992 р., 38207400 крб. у 1993 р. i пiдтверджена вiдповiдними документами.

Особистий внесок здобувача.

1. Наукове обгрунтування на основi аналiзу, систематизацiї i узагальнення наявних теоретичних положень та власних дослiджень, пов'язаних з розкриттям природи специфiчних трибопроцесiв в умовах електромеханiчної взаємодiї матерiалiв. Доведення необхiдностi розробки комплексного пiдходу для вирiшення важливої науково-технiчної проблеми, пов'язанної з пiдвищенням антифрикцiйних та зносостiйких властивостей ЕМС.

2. Встановлення закономiрностей та функцiональних зв'язкiв мiж процесами, що обумовлюють утворення часток зносу та газових сполук, видiлених з робочого середовища ЕМС.

3. Обгрунтування, розробка i розвиток основних принципiв та методик аналiтичних розрахункiв активацiйного, термомеханiчного стану трибоелектроспряжень та прогнозування зносостiйкостi поверхневих шарiв контактних матерiалiв з залученням фiзичних i математичних моделей.

4. Узагальнення та розробка методик експериментальних дослiджень по вивченню впливу зовнiшнiх експлуатацiйних факторiв на кромочнi поверхнi трибоспряжень ЕМС з метою контролювання адгезiйних процесiв.

5. Керiвництво i участь у постановцi та проведеннi експериментальної частини дослiджень, узагальнення одержаних результатiв, впровадження результатiв дослiдження в виробництво.

Окремi результати роботи одержанi з використанням положень, започаткованих Аксьоновим О.Ф., Брауном Е.Д., Броном О.Б., Запорожцем В.В., Костецьким Б.І., Назаренком П.В., Намiтоковим К.К., Носовським І.Г., Таєвим І.С., Теодорович О.К.., Чичинадзе А.В.

Апробацiя результатiв дисертацii. Результати експериментальних та теоретичних дослiджень протягом 1986 - 1998 р.р. доповiдались на 6 Мiжнародних, 4 Всесоюзних та 8 Республiканських науково-технiчних конференцiях, присв`ячених вивченню проблем

- iнтенсифiкацiї ресурсозберiгаючих технологiй у матерiалознавствi;

- пiдвищення надiйностi виробiв триботехнiчними методами;

- експлуатацiйних властивостей мастильних та спецiальних речовин;

- пiдвищенню надiйностi електромеханiчних систем у промисловостi та на транспортi;

- оптимiзацiї триботехнiчних характеристик конструкцiйних матерiалiв;

- трансформаторобудування та електроапаратобудування;

- порошкової металургiї;

- трибологiї, що проходили у м.м. Киeвi, Севастополi, Запорiжжi (Україна); Тулi, Пензi, Ростовi (Росiя); Кишиневi (Молдова); Пловдивi (Болгарiя); Токушимi (Японiя).

Крiм цього, результати дослiджень доповiдались на засiданнях мiжкафедрального семiнару КМУЦА.

Публiкацii. З теми дисертацiї було надруковано бiльш нiж 76 робiт, перелiк яких частково наведено в кiнцi реферату.

Структура та об'єм роботи. Дисертацiя складаeться iз вступу, п`яти роздiлiв, висновкiв, списку використаних джерел кiлькiстю 234 найменування та 2-х додаткiв. Робота мiстить 267 сторiнок друкованого тексту, має 85 рисункiв та 28 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ

У вступi обгрунтовується актуальнiсть та мета дослiдження, а також наведена коротка анотацiя всiх роздiлiв,

У першому роздiлi наведено критичний огляд спецiальної лiтератури з питань трибологiї та аналiз специфiки роботи вузлiв тертя в конструкцiях ЕМС. На базi цього матерiалу зроблено критичнi висновки та сформульовано завдання дослiдження з метою вирiшення важливої науково-технiчної проблеми пiдвищення антифрикцiйних та зносостiйких властивостей ЕМС.

У другому роздiлi наведенi математичнi моделi та критерiї оцiнки стану працездатностi комутацiйних трибовузлiв. Експериментально доведено, що змiна геометричних параметрiв рухомих елементiв трибосполучень, що тривало експлуатуються в енергонасиченому тепловому режимi, суттєво впливає на динамiчнi характеристики роботи механiзмiв перемикання. Це в свою чергу призводить до змiни траeкторiї руху комутацiйних елементiв і, як наслiдок, до повної втрати працездатностi ЕМС.

Згiдно з рiвнянням теплопровiдностi, процес поширення теплового потоку за межами фактичного контакту має графiчну iнтерпритацiю (рис.1, кривi 1-4). Отримана закономiрнiсть змiни радiуса зони прогрiвання (b) матерiалу пiд впливом електричного струму при сталих теплофiзичних характеристиках (коефiцiєнт теплопровiдностi i об'ємна теплоємнiсть матерiалу C) справедлива майже для всього об`єму, крiм деякого об'єму Q, в межах площi фактичного контакту.

В межах фактичного контакту трибоспряження, де не працює рiвняння теплопровiдностi iз-за невизначенностi граничних умов. експериментально через адгезiйну складову a коефiцiєнта тертя (рис.1, кривi 5-10), виявлено кореляцiйний зв'язок мiж закономiрнiстю розповсюдження тепла у елементах трибоелектроспряження пiд дiєю електричного струму та закономiрнiстю зростання a. Кривi (11-12, рис.1) охоплюють зону максимального впливу a на експлуатацiйний стан трибоелектроспряження. В зв'язку з високою чутливiстю a до об'ємної температури елементiв трибопари та робочого середовища, цей параметр може бути досить iнформативним, або критерiальним.

При прийняттi iнженерних рiшень, пов'язаних з вибором матерiалiв для трибовузлiв ЕМС на стадiї проектування, необхiдно враховувати теплофiзичнi константи i C. Чим бiльше вiдношення до С, тим швидше зростає зона прогрiвання S.

Прогнозування утворення i розподiл за розмiрами механiчних включень в робочому середовищi має першочергове значення для моделювання трибопроцесiв в ЕМС. Утворення часток зносу у виглядi струменя крапель з їх подальшою коагуляцiєю носить за А.Н.Колмогоровим iмовiрний характер.

Щiльнiсть розподiлу дiаметрiв часток у виглядi струменя крапель, що подрiбнюються або коагулюють, пiдпадає пiд нормально логарифмiчний закон розподiлу. Теоретичнi посилання пiдтвердженi експериментально методом швидкiсної кiнозйомки (рис.2).

Проведенi теоретичнi та експериментальнi дослiдження процесу формування та руху часток зношування, iнтерпретованих як дисперсна структура, дозволили отримати закономiрнiсть розподiлу часток зносу у турбулентному струменi (рис.3).

Комплексне дослiдження багатофакторного процесу утворення продуктiв зношуваня у ЕМС зумовленого явищами рiзного походження (електричними, динамiчними, металургiйними, матерiалознавчими), потребує розробки критерiального пiдходу.

Розробка критерiїв оцiнки утворення продуктiв зносу в комутацiйному трибовузлi вперше комплексно охоплює як єдиний процес механiзми утворення часток зносу та видiлення газоподiбної фази, ув'язуючи зi структурно- механiчними параметрами дослiджуваної термодинамічної системи.

Концептуальнi положення запропонованої фiзичної моделi грунтуються на термодинамiчному аналiзi процесу та наближенному рiшеннi системи рiвнянь, що вiдображають процес охолодження та перфорацiї часток зносу як металевого, так i неметалевого походження.

Кiнцеве рiвняння залежностi механiчної стабiльностi частки зносу, при її охолодженнi до пiропластичного стану, вiд тиску газових компонентiв має вигляд

де - кількість утворених газів;

г - густина газової суміші. кг/м3;

f - площа поверхні гранули, м2;

1 - час нагрівання гранули до піропластичного стану, с;

- динамічна в'язкість газів, кг/м2;

h - товша стінки частки, м;

- коефiцiєнт проникнення за Козенi;

- густина, кг/м3;

- межа мiцностi, Н/мм2;

Е - модуль пружностi, Н/мм2.

ЕМС при швидкості пересування рухомого контакту 2,0 м/с. Швидкість зйомки 3500-4000 кадр/с, фіксація процесу через (3,0-2,5).10-4 с

Перш за все для визначення роботи A1, яку виконують гази при виходi з металу пiд час електродугового процесу, потрiбно встановити величину iх тиску. За результатами розрахункiв можна стверджувати, що в процесi витiкання газiв через перфоровану поверхню частки зносу, величина = 0,283 МПа. При цьому A1 = 2,9. 10-2 Дж.

Найбiльший вплив на процес тертя i змiни характеру зносу мають включення шлакового типу (рис.4), що зумовлено підвищеною газопроникненістю стінок та легким руйнуванням їх при незначному навантаженні.

Крива залежності тиску газів у частці зносу від температури робочого середовища зображена на графіку (див. рис.4). Найбільш небезпечною зоною охолодження розплавленої частки, з точки зору її перфорації або руйнування, є інтервал температур 300-5000 С.

За результатами експериментального дослiдження, для кiлькiсної оцiнки параметрiв процесу перфорацiї, частка зносу моделюється як кулька радiусом r0, у якої рiвномiрно розподiлено N округлих отворiв (каверн) з початковим радiусом R0.

Тодi величина нещiльностей вихiдної та перфорованої часток зносу вiдповiдно визначаeться як:

(2)

де R1, r1 - радiуси отвору та частки зносу пiсля перфорацiї.

На пiдставi розрахованого сумарного тиску, згiдно з рiвнянням стану, кiлькiсть газiв, необхiдних для поризацiї, становить 1,1% всiєї кiлькостi газiв, що мiстяться у вихiдному станi частки та робочому середовищi. Умови в яких справедливi цi висновки, вiдповiдають умовам роботи ЕМС.

Кiнетика механiзму утворення продуктiв зносу та iх вплив на стан пар тертя були змодельованi за якiсними характеристиками процесу.

Наявнiсть експериментальних даних, одержаних iз залученням електронного скануючого мiкроскопу "Stereoscan - 4S" на частках зносу з реальних конструкцiй ЕМС, дозволила дещо прояснити кiлькiсну сторону процесу.

Встановлено, що частки зносу у бiльшостi випадкiв мають сферичну форму розмiрами 0,05 - 0,4 мм в дiаметрi. Причому, значна частина їх пустотiла. Мiкроскопiчний аналiз суцiльних часток виявив їх дендритну структуру, характерну для рекристалiзованих крапель розплавленого металу, в яких процеси оплавлення та газодинамiки не спiвпали у часi (рис.5 а,б).

Процес взаємодiї газiв з металом контактiв починається при температурi 3500 С, тобто з початком термiчної деструкцiї трансформаторного масла. При температурi 6000 С основу газової сумiшi складають метан (CH4) та водень (H2). Дисоцiацiя молекул масла відбувається, найвірогідніше, шляхом відриву від молекул атомів водню та метильних груп (СH3), які починають при температурі 13000 С реагувати між собою та похідними газовими сполуками, утворюючи переважно водень (H2), ацетилен (C2H2), метан (CH4). Тобто

Зростання температури газовоi сумiшi вище 13000 С веде до утворення твердих вуглецевих сполук у виглядi пластiвцiв сажi, якi iнтенсивно забруднюють трансформаторне масло

При цьому домiнантою в утвореннi твердих вуглецевих часток є ароматичнi з'єднання.

Структура та кiлькiсний склад газової сумiшi у частках зносу визначались на устаткуваннi TN - 114 фiрми “LEKO”. З'ясовано, що вмiст газiв у металi при дуговому нагрiваннi вище концентрацiй, що вiдповiдають повнiй рiвновазi. Надмiрне поглинання газiв пояснюється тим, що у граничному шарi релаксацiйнi процеси протiкають не до кiнця, оскiльки з металом взаємодiють атоми або молекули газу в станi збудження, зокрема це стосуeться азоту.

Дослiдження механiзму виникнення порових отворiв у частках зносу з мiдi поки що неможливе у зв'язку з вiдсутнiстю розрахункових констант рiвноваги реакцiї розчинностi азоту в мiдi.

Високий ступiнь нерiвномiрностi температури дугового розряду в радiальному напрямку обумовлює, вiдповiдно, i значну незавершенiсть процесiв атомно-молекулярної дисоцiацiї та рекомбiнацiї по радiусу частки зносу.

Температурна та хiмiчна нерiвномiрнiсть обумовлена локальною дiєю дуги, враховується шляхом штучного розподiлу поверхнi взаємодiї на двi частини: активну зону поглинання газiв та периферiйну - зону десорбцiї. В межах кожної зони допускається рiвномiрний розподiл газiв у радiальному напрямку.

Інiцiаторами виникнення газових бульбашок у розплавленому металi є азот (N2), водень (H2), кисень (O2), з яких тiльки азот має найменший коефiцieнт розчинностi в мiдi, тобто складає найбiльший ступiнь перенасиченостi в металi. Азот полегшує видiлення з розплаву кисню, який обумовлює подальше зростання газових утворень. Такий механiзм поризацiї можна вважати загальним, незалежно вiд матерiалу контактiв, оскiльки поверхня бiльшостi матерiалiв постiйно покрита шаром окисної плiвки, що здатна проникати в структуру матерiалу при його плавленнi.

Рiзке охолодження часток електроерозiйного зносу за межами приконтактної зони викликаe перехiд газу в їх структурi з атомарного стану в молекулярний, призводячи до зростання його об'єму i створює нещiльностi та отвори у закристалiзованих тонкостiнних оболонках.

Незначна маса пустотiлих часток при дуже розвиненiй поверхнi складає передумови для перенесення їх по всьому об'єму масляної ванни ЕМС та осiдання їх на робочих поверхнях механiзмiв перемикання, де концентрацiя електромагнiтного поля найбiльша.

Найбiльш доступнi для проникнення таких часток є комутацiйнi трибовузли, елементи яких мають значнi швидкостi та зазнають великих механiчних навантажень. Пiд впливом змiнних механiчних навантажень рухомих ланок частки, що на них осiли, руйнуються, призводячи до втрат енергiї перемикання. Окремi твердi та бiльш дрiбнi частки занурюються в робочi поверхнi деталей з м`яких мiдних сплавiв i створюють шаржуючий ефект, що викликає пiдвищене механiчне зношування останнiх.

Імiтацiйна модель прогнозування зносу периферiйних зон рухомих роликових контактiв базується на геометричному аналiзi зношених роликiв, кромки яких мають змiнний радiус скруглення по довжинi, та утворюють невизначений кут по вiдношенню до торця ролика.

Визначення закономiрностi змiни радiуса скруглення кромок ролика є складною задачею, вирiшити яку можна тiльки через побудову статистичної iмiтацiйної моделi.

Аналiз моделi вказує, що оптимальною є цiльова функцiя

ln Ф = - 0,549 ln V - 0,635 ln H0 + 0,243 ln S - 2,891 ln X 1 + 0,981 ln R ln X 2 > min (5)

при граничних умова:

ln X = 0,477 ln V + 0,644 ln H0 - 0,648 ln S + 0,434 ln X1 - 1,602 ln R ln X2 < ln X ;

ln Q = 0,526 ln V + 0,439 ln H0 + 0,403 ln S + 1,995 ln X 1+ 0,619 ln R ln X2 > 0;

Рiвняння (5) дозволяє прогнозувати змiну форми периферiйних зон рухомих роликових контактiв через ваговий знос (Q), як функцiю швидкостi взаємного пересування пари тертя (V), питомого навантаження (H0), ступеню концентрацiї абразивних часток у робочому середовищi (S), похибки форми зносу (Ф), лiнiйного зносу (X), радiуса скруглення (R) кромочної поверхнi.

Таким чином, запропонований метод iмiтацiйного моделювання абразивного зносу вiльною стороною абразивної стрiчки може використовуватись для вiдтворення закономiрностi зносу периферiйних зон роликового контакту.

Третiй роздiл присв'ячений аналiтичним розрахункам активацiйного, термомеханiчного та пружнопластичного стану в межах площi фактичного контакту трибоспряження.

Моделювання активацiйних процесiв на поверхнi порошкового матерiалу пов'язане з його високою реакцiйною здатнiстю в рiзних середовищах, як показали нашi дослiдження на два порядки перевищує показники компактних матерiалiв.

З математичної точки зору задача встановлення ефективностi реакцiйного шару порошкового матерiалу складаeться з встановлення функцiї розподiлу F(N) молекул за числом їх ударiв об поверхню матерiалу. Розрахункова формула має вигляд:

(6)

де - ефективнiсть реакцiй;

Fот, Fпр(N) - встановленi за результатами розрахункiв функцiї розподiлу числа ударiв молекул що вiдскочили або пройшли крiзь довiльний молекулярний шар вiдповiдно.

Похибка в розрахунках () для проведеного шестиразового моделювання руху 1000 молекул не перевищувала 2 %.

Слiд зазначити, що кiлькiсть ударiв лише однieї молекули, за якими ще можна спостерiгати, становить N 104- 105, бо пряме обчислення пр() перевищує можливостi звичайної ЕОМ.

У зв'язку з цим встановлення ефективностi та оптимальної товщини реакцiйного шару порошкового матерiалу було проведено методом непрямого спостереження.

Ефективнiсть комбiнованого шару порошкового матерiалу, що складається з двох шарiв молекул радiусом a, дорiвнюe коефiцiєнти проникнення та непроникнення (вiдскоку) молекул для кожного шару.

(7)

-

Остаточнi розрахунки показали, що реакцiйна здатнiсть поверхневого шару порошкового матерiалу завтовшки 16 радiусiв умовних кульок у 8 - 20 разiв пiдвищує швидкiсть гетерогенних та релаксацiйних реакцiй у порiвняннi з компактними матерiалами.

Аналiз впливу природи, об'ємного складу та розмiрiв легуючих компонентiв на термостiйкiсть i тугоплавкiсть порошкового матерiалу проводився на полiдисперснiй моделi суцiльного середовища. Введене припущення, що середовище складається з рiзних за розмiром сферичних часток, промiжок мiж якими заповнений суцiльним шаром пластичного легкоплавкого матерiалу, розглядалось як ситуацiя, коли деякi елементи об'єму з достатньо великою кiлькiстю часток сприймають термiчне навантаження. Використовуючи поняття зони прогрiвання, апроксимуємо розподiл температури (T) в поверхневому шарi квадратичною залежнiстю

, (8)

q - iнетнсивнiсть теплового потоку;

x - координата;

t - товщина зони прогрiвання як функцiя часу;

- коефiцiєнт теплопровiдностi матерiалу.

При граничних умовах T x=1 = T0; dT/dx ч=1 = 0 максимальне значення температури на поверхнi тiла становить

. (9)

Термiчне навантаження Tmax буде меншим на такi матерiали в яких бiльше .

З метою перевiрки коректностi моделi, порiвняємо вiдомий коефiцieнт теплопровiдностi мiдi та розрахований коефiцiєнт теплопровiдностi порошкового матерiалу КМК Б-20 (20% мiдi та 80% вольфраму), який використовується у комутацiйних трибовузлах ЕМС та сприймає на себе дiю дугового розряду при перемиканнях.

Коефiцieнт теплопровiдностi полiдисперсної моделi за Р.Крiстенсеном виражається через вiдповiднi коефiцiєнти складових матерiалу

. (10)

де с,, з - коефiцiєнти теплопровiдностi прошарку мiдi та зерен вольфраму вiдповiдно.

При нормальнiй температурi с = 420 Вт/(м.К); з = 69 Вт/(м.К).

Прийнявши = 0,2 та пiдставивши числовi значення у (10) отримаємо = 123 Вт/(м.К), тодi з = 1,79. Тобто матерiал КМК Б-20 має в 1,79 рази бiльшу теплопровiднiсть нiж чистий вольфрам, або термiчне навантаження Тmax на порошковий матерiал в 1,79 рази менше нiж на чистий вольфрам. Отже, отриманi результати розрахункiв не протирiчать практичному досвiду використання матерiалу КМК Б-20 у ЕМС.

Таким чином, виконаними розрахунками доведено, що запропонована математична модель є адекватною i пiдтверджує, що термостiйкiсть порошкового матерiалу суттєво залежить вiд фiзичних властивостей складових матерiалу та їх структурних параметрiв.

Аналiз площi фактичного контакту в енергетичному аспектi за межами зони термiчного впливу для кожної пари тертя обумовлюється певною критичною межею фiзико-механiчних властивостей, пiсля якої рiзко знижується працездатнiсть, якiснi та кiлькiснi показники триботехнiчних характеристик, тобто триботехнiчна надiйнiсть вцiлому. Використовуючи положення кiнетичної теорiї мiцностi, руйнування матерiалу розглядається не як критичне явище, а як постiйний кiнетичний термоактивацiйний процес, що розвивається в часi з певною циклiчнiстю. Руйнування поверхнi, головним чином, викликане адгезiйними процесами вiд теплової дiї електричного струму силою 50-100 А. Це явище пояснюється наявнiстю в трибоелектроспряженнях додаткових внутрiшнiх джерел енергiї, що характеризуються питомою електричною потужнiстю I2, викликаних у поверхневих шарах матерiалу “струмовими шнурами”, якi обумовлюють збiльшення кiлькостi п'ятен провiдностi (а- п'ятен) i зростання щiльних адгезiйних та когезiйних зв'язкiв матерiалiв. Процес взаємного впливу сили струму i температури трансформаторного масла на антифрикцiйнi показники трибоелектросполучень має стохастичний характер i до цього часу не пiддається математичнiй iнтерпритацiї, що є суттєвим недолiком для прогнозування триботехнiчних властивостей ЕМС.

З метою усунення цього недолiку, а також для розробки комплексних математичних моделей процесу фрикцiйної взаeмодiї у трибоелектроспряженнях була використана друга теорема ( - теорема) теорiї подiбностi i моделювання. В результатi розрахункiв на ЕОМ були отриманi узагальненi перемiннi (УП) процесу контактної взаeмодiї, що поєднує експлуатацiйнi фактори з врахуванням властивостей матерiалiв. Загальна кiлькiсть видiв запису УП склала 63. Кiлькiсть УП, необхiдних для опису процесу - 5.

Для випадку взаємодiї комутацiйних трибоелектроспряжень були обранi слiдуючi УП:

1. 1= = Pе - узагальнена перемiнна (критерiй подiбностi Пекле), що вказує на мiру спiввiдношення iнтенсивностi переносу тепла конвекцiєю i iнтенсивнiстю переносу тепла теплопровiднiстю при вимушеному пересуваннi i характеризує вплив об'ємної температури трнсформаторного масла на змiну теплового режиму роботи трибоелектроспряження при взаємному пересуваннi.

2. 2 = = F0 - критерiй подiбностi Фурьe, що пов'язує вiдповiднiсть середньої швидкостi змiни умов в навколишньому середовищi для нестацiонарних процесiв (зокрема, довiльно задаваємої температури на поверхнi тiла) з середньою швидкiстю перебудови температурного поля в серединi тiла. У випадку взаємодiї комутацiйного трибовузла характеризує момент наступу критичного режиму роботи, наприклад, внаслiдок електричного пробою масла.

Обидва слiдуючi критерiї подiбностi не є “стандартними”, але за фiзичним смислом близькi до критерiя Мейeра.

3. 3 = - критерiй подiбностi, що вiдображає

вiдношення контактного навантаження (або питомого контактного навантаження) до втрат питомої електричної потужностi, внаслiдок наявностi електричного опору, а також вiдображає залежнiсть процесу утворення зон електропровiдностi вiд величини контактного навантаження i сили струму.

4. 4 = - критерiй подiбностi, що вiдображає вiдношення добутку об'ємної температури трансформаторного масла i теплопровiдностi до втрат електричної потужностi за рахунок зменшення площi п'ятен провiдностi, що виникають в результатi взаємодiї електричного струму, внаслiдок виникнення пiд дieю температури iзоляцiйних поверхневих плiвок i проникнення їх в зону контакту.

5. 5 = - безпосередньо коефiцiєнт тертя дослiджуваного сполучення електроконтактних матерiалiв, є безрозмiрною величиною i, внаслiдок цього, виступає як окрема УП (критерiй подiбностi).

Експериментальнi дослiдження залежностi коефiцiєнта тертя вiд безрозмiрних комплексiв проводились з урахуванням особливостей критерiального планування експериментiв. Результати оброблялись методами покрокового регресiйного аналiзу. Для кожного сполучення матерiалiв була отримана своя комплексна критерiальна математична модель залежностi коефiцiєнта тертя вiдУП для трибоспряжень, розрахованих на комутацiю струму вiд 50 до 150 А (табл.1) загальний функцiональний вид якої маe вигляд:

5 = Ф(1, 2, 3, 4).

(11)

Таблиця 1 Комплекснi математичнi моделi процесу фрикційної взаємодiї трибоспряжень

Сполучеення матеріалів	Модель
1. М1- ЛС59-1л 8. М1 - Ст45 10. ЕПМ-ЕПМ	5=0,126 + 00,05134 - 0,466.10-914 5 = 0,437 + 0,28.10-942 - 0,59 34 - 0,57.1033 + + 0,31.101032 5 = 0,0066 + 0,44.10-1042 - 0,2.10-54 - 0,91.10-612 + + 0,19.10-712 - 323

Одержанi результати показують, що контактне навантаження для ЕПМ може бути збiльшене у порiвняннi з найбiльш поширеним сполученням М1 - ЛС59-1л у 3 - 3,5 рази, що в свою чергу зменшує контактний опiр у 2 - 2,7 рази i пiдвищує термiн безаварiйного функцiонування трибовузлiв i ЕМС вцiлому в 1,7 - 2,2 рази.

Дослlдженi залежностi адгезiйної складової коефiцiєнта тертя вiд сили струму i об'ємної температури робочого середовища (рис.6 а, б, табл.2), дозволяють на стадiї проектування проводити попереднiй вибiр сполучень електроконтактних матерiалiв i рекомендувати оптимальнi умови експлуатацiї ЕМС (табл.3).

Таблиця 2 Математичнi моделi залежностi мiцностi адгезiйного зв'язку від температури трансформаторного масла (T) i сили струму (I).

Матеріали трибопари	Математичнимй вираз
М1 - Л63	Y = 0,287 - 0,52.102T - 0,327.10-2I + 0,39.10-4T2 + + 0,141.10-4I2 + 0,3.10-4TI
Л63-ЛС59-1л	Y = 0,5 - 0,26.10-2T + 0,26.10-2T + 0,26.10-2I + 0,28.10-4T2 - - 0,19.10-4I2 + 0,19.10-4TI

Оптимальні умови експлуатації трибоелектроспряжень ЕМС

Матеріали трибопари	Температура масла Т, 0С	Сила струму I, А
ЕПМ - М1	31,6	50,0
ЕПМ - ЛС591л	20,0	50,0
М1 -ЛС59-1л	20,0	88,3
М1 - Л63	27,9	102,7
ЕПМ - Л63	20,0	50,0
Л63 - ЛС59-1л	12,2	100,0

Четвертий роздiл присв'ячено узагальненню результатiв експериментального дослiдження комплексного впливу зовнiшнiх факторiв на пари тертя комутацiйних трибовузлiв. Експериментальна частина роботи проводилась на 10 установках та стендах, частина з яких була спецiально для цього побудована. Методики та обладнання дозволили перевiрити справедливiсть висунутих теоретичних положень та отримати кiлькiсну оцiнку триботехнiчних показникiв для 9 сполучень матерiалiв, що на данний час застосовуються в ЕМС, а також їх перспективних замiнникiв (М1-М1, М1-ЛС59-1л,М1- Ст45, Л62 - ЛС59-1л, ЛМцС, Бр52, БрАЖ9-4, БрОЦСН3-7-5-1, ЕПМ-ЕПМ).

П'ятий роздiл присв'ячений моделюванню, оптимiзацii складу, структури та властивостей матерiалу контакт-деталей трибовузлiв ЕМС.

Встановлено. що оптимiзацiя складу та стабiлiзацiя властивостей ЕПМ є компромiсною задачею i отриманi математичнi моделi дозволяють вирiшувати її цiлеспрямовано.

Приймаючи до уваги iдею Я.І.Френкеля, який вважав, що “…переход атома жидкости расплавленного металла из одного временного положения в другое может рассматриваться как последовательность двух актов: испарения и конденсации…”.

Проведеним металографiчним аналiзом компонентiв порошкового матерiалу (Ti, Cr, Mo) експериментально пiдтверджена можливiсть прогнозування взаємопов'язаних спiввiдношень мiж структурою, складом фаз та технологiчними параметрами (об'ємною температурою T, швидкiстю реакції к, наявнiстю залишкової атмосфери P0, товщиною прошарку фаз h). Доведена можливiсть управлiння складом та структурою компонентiв порошкового матерiалу i одержання структур зі змiнними параметрами кристалiчноi гратки.

Встановлено, що зменшення коефiцiєнтiв тертя у 4 - 6 разiв можна реалiзувати при певному спiввiдношеннi твердих мастильних матерiалiв (С-графiт, MoS2), що мають взаємодоповнюючi експлуатацiйнi показники. Наявнiсть карбiдної фази також зменшує витрати кiнетичної енергiї на тертя при пiдвищених температурах (до 1000 С) робочого середовища.

Вивчення мiжфазної взаємодiї (рис.7 i табл.4) та хiмiчної сумiсностi компонентiв проводилось за допомогою сканування електронним зондом.

Маючи можливiсть (шарами товщиною 100 нм) вивчати динамiку розподiлу елементiв у реакцiйнiй зонi (рис.8), можна запропонувати наступний механiзм взаємодiї легуючих елементiв.

На стадії виготовлення ЕПМ в результаті об'ємної дифузії вуглецю на межі легуючий компонент-матриця з'являється нестабільний твердий розчин легуючих компонентів у міді.

Далі, після їх хімічної взаємодії, йде розпад багатокомпонентного механічного розчину з утворенням змішаних карбідів типу ( Zr, Cr, Ti)C1-x.

Титан та цирконій, як елементи більш активні по відношенню до вуглецю та інших складових, починають домінувати в реакціях, утворюють змішані карбіди на своїй основі і роблять структуру матеріалу неоднорідною.

Таблиця 4 Розрахункова концентрацiя атомiв вуглецю i кисню у фазах титану i хрому в залежностi вiд швидкостi рекомбiнацiї поверхнi трибопари

Швидкість рекомбінації к, нм/с	Концентрація атомів, ат%
	Титан	Хром
	вуглець	кисень	вуглець	кисень
1.0	32	10	24	4
2.0	28	7	24	3
3.0	26	4	21	3
4.0	25	3	20	1

Наявнiсть у трансформаторному маслi деякої кiлькостi води призводить до того, що сильний окислювач Cr2O3, розчиняючись у нiй, утворює сильнi хромову та двохромову кислоти.

У трансформаторному маслi завжди присутнi кисневi сполуки як результат неповного очищення масла або автоокислення при зберiганнi та транспортуваннi.

Пiдтверджена ОЖЕ-спектрограмами наявнiсть у складi ЕПМ дiоксиду хрому CrO2, що має низьку термiчну стiйкiсть (410-4200 С), дозволяє допустити його розпад при тертi на Cr2O3 та кисень.

Можливiсть протiкання фазових перетворень з видiленням кисню, при певних умовах експлуатацiї, стає внутрiшнiм резервом пiдвищення працездатностi та надiйностi вузлiв тертя.

Отже, регенерацiя вторинних структур полегшується наявнiстю в матерiалi графiту, дисульфiду молiбдену та кисню, що поглинається фазами цирконiю та його похiдними. В кiлькiсному вiдношеннi їх виявляється достатньо для пiдтримки процесу тертя в окислювально-вiдновлювальному режимi, навiть коли деякi елементарнi об'єми трансформаторного масла пiд дiєю електричних розрядiв пiддаються повторному глибокому крегiнгу i втрачають мастильну спроможнiсть.

Пiдсумовуючи, зазначимо, що розроблена багатофазова упорядкована каркасна структура з карбiдiв на основi Ti i Zr та покритих шаром вуглецю легуючих складових дозволяє отримувати аномально низькi параметри тертя та зносу при роботi комутацiйних трибовузлiв ЕМС у середовищi трансформаторного масла.

З метою запобiгання виникненню аварiйних ситуацiй та дострокового виходу з ладу ЕМС, була впроваджена нова методика розрахунку їх триботехнічних властивостей, що базується на проведених комплексних дослідженнях.

Розроблена нова методика прогнозування триботехнічних властивостей, що базується на врахуванні та контролі взаємовпливу електричного контактного опору Rк, коефіцієнта тертя , та момента опору обертання Мс рухомої контактної частини ЕМС. Оцінка значень Rк, , Мс відбувається при зміні об'ємної температури трансформаторного масла Тм за заданий проміжок часу t.

Розрахунки проводяться до тих пiр, доки розрахункова величина Rк не перевищить нормативне значення. Якщо при цьому Mс перевищить допустимi значення, то автоматично йде корекцiя значень контактного навантаження Hк i швидкостi перемикання V, а також конструктивних параметрiв приводу ЕМС. Алгоритм методики розрахунків в загальному вигляді приведений на рис.9.

Достовірність проведених розрахунків перевірялась шляхом проведення стендових випробувань ЕМС. У табл.5 і табл.6 приведені результати натурних випробувань.

Таблиця 5 Результати стендових випробувань трибоелектроспряжень

Склад трибопари	Значення моменту опору, Мс, Нм
	Розраховані за методикою	Нормативне	Фактичне
	діючою	запропонованою
	при температурі трансформаторного масла, 0С
	30	85	30	85	30	85	30	85
М1 - ЛС59-1л	33,9	43,4	56,3	45,0	40,5	53,6
ЕПМ - ЕПМ	-	11,2	13,1	-	10,9	11,3

Таблиця 6 Величина заміряного контактного електричного опору

Склад трибопари	Значення Rк, мкОм	Значення Мс, Нм
	рзраховані	фактичні	розраховані	фактичні
	при контактному навантаженні Fк, Н (Тм = 85 0С)
	70	300	70	300	70	300	70	300
М1 - ЛС59-1л	100,5	51,62	90,6	64,4	33,9	*	53,8	*
ЕПМ - ЕПМ	112,7	69,65	116,4	82,8	13,1	51,4	11,3	46,2

* Заклинювання рухомої частини ЕМС у всіх випадках

ВИСНОВКИ

1. Вирiшена важлива науково-технiчна проблема пiдвищенння антифрикцiйних та зносостiйких властивостей високовольтних маслонаповнених ЕМС шляхом розробки нової концепцiї, об'єднуючої притаманнi експлуатацiйним режимам процеси, що проявляються в проходженнi через трибовузли електричного струму, електричних та магнiтних полiв, незначному перевищеннi рушiйних сил над силами опору, постiйному забрудненнi робочого середовища, пульсуючiй активацiї адгезiйних процесiв пiд дiєю електричного струму, наявностi ударних навантажень комутацiйних трибовузлiв, низькiй мастильнiй спроможностi робочого середовища, газообмiнних реакцiях мiж робочим середовищем й поверхнями тертя, механiзмi виникнення продуктiв зносу. Встановлено, що особливий вплив на процеси тертя при електромеханiчнiй взаємодiї матерiалiв має адгезiйна складова коефiцieнта тертя i може розглядатися як критерiальна величина при оцiнцi триботехнiчних властивостей ЕМС. Дослiдженi процеси є ключовими i мають високу iнформативнiсть.

2. Встановлена що специфiка явищ, які вiдбуваються у комутацiйному обладнаннi ЕМС, є самоорганiзуючою системою, в якiй реалiзується наступна iєрархiя процесiв: багаторазовий повторний крекiнг мiкрооб'ємiв трансформаторного масла, утворення продуктiв електроерозiї, перерозподiл вихiдного газового складу робочого середовища й модифiкацiя приповерхневих шарiв матерiалiв, що труться, диспергацiя й коагуляцiя продуктiв зносу, зростання витрат кiнетичної енергiї на тертя, змiна характеру тертя з переходом вiд механо-хiмiчного до абразивно-механiчного, змiна лiнiйних розмiрiв контактуючих поверхонь, вихiд з ладу трибосполучень. Рiзноманiтнi режими експлуатацiї обладнання не змiнюють загальних закономiрностей зносу комутацiйних трибовузлiв, а лише змiнюють iєрархiю вказаних процесiв.

3. Експериментальним шляхом доведено, що превалюючий вплив на надiйнiсть трибоелектроспряжень має адгезiйна складова коефiцiєнта тертя, яка пiд впливом теплової дiї електричного струму та контактних навантажень, утворює щiльний адгезiйний зв'язок мiж контурними поверхнями.