авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Технологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием

-- [ Страница 1 ] --

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 т.

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 x, y, z, xy, yz, zx – 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 1 и 2 – 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, 2=12, 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


Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.