Анализ эксплуатационных свойств плоских упругих чувствительных элементов электромеханических датчиков с регулярным микрорельефом на рабочих поверхностях

АНАЛИЗ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ПЛОСКИХ УПРУГИХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ С РЕГУЛЯРНЫМ МИКРОРЕЛЬЕФОМ НА РАБОЧИХ

ПОВЕРХНОСТЯХ А.Ю. Буданова, Д.Н. Кокшаров, Д.А. Русин Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Л. Ткалич

В статье проведена качественная оценка параметров упругих чувствительных элементов датчиков с регулярным микрорельефом на рабочих поверхностях.

Способ вибронакатывания позволяет получить оптимальную регулярный микрорельеф (РМР) и упрочненный приповерхностный слой материала упругих чувствительных элементов (УЧЭ), что ведет к совокупному улучшению эксплутационных свойств этих элементов. Необходимость создания РМР на поверхности УЧЭ возникла в связи с тем, что ряд задач, связанных с обеспечением целого комплекса эксплутационных свойств, не мог быть решен традиционными способами обработки (прокатом, волочением, штамповкой, вытяжкой, полировкой, и т.д.). Эти способы обработки создают не только хаотический и трудноуправляемый микрорельеф, но и весьма неблагоприятный, далекий от оптимального в отношении формы и расположения неровностей (чрезмерно заоостренные на выступах и во впадинах неровности с недопустимо малым шагом). Основным недостатком традиционных способов обработки являются неоднородность пластической деформации и примитивность кинематики [1].

Предлагаемый способ изготовления УЧЭ дает возможность не только аналитически рассчитывать значения всех параметров микрогеометрии как функции режимов вибронакатывания, но и устанавливать оптимальный вид РМР и значения его высотных, шаговых и площадных параметров. Это обеспечивает требуемые эксплуатационные свойства УЧЭ. В табл. 1 представлена взаимосвязь эксплуатационных свойств УЧЭ с основными параметрами РМР их рабочих поверхностей.

Комплексное исследование циклопрочности, износо- и коррозионной стойкости УЧЭ проводилось в агрессивных газовых и жидких средах при различных режимах нагружений на базе лабораторных установок кафедры деталей и машин БГТУ.

Свойства Параметры РМ Р Примечания

К/Бк у,р/а Тр/Бн

1 2 3 4 5 6

Повышение качества УЧЭ + + + +

Повышение ресурса работы (изностойкости) + + Повышение изностойкости электроконтактов и ламелей в 2 раза

Повышение сопротивления усталости + + Повышение сопротивления усталости в 1.2-2.5 раза

Улучшение прирабаты-ваемости контактов + +

Таблица 1. Взаимосвязь эксплутационных свойств УЧЭ с параметрами РМР

1 2 3 4 5 6

Стабилизация толщины + +

слоя смазки (ртутносма-

чиваемый КС)

Повышение + Повышение гидроплотности

гидроплотности резиномеханических уплотнителей сильфонных клапанов в 2-2.5 раза

Улучшение качества спая УЧЭ со стеклом + + Отсутствие растрескивания стекла в зоне спая баллона КС

Увеличение коррозион- + В том числе повышение

ной стойкости сопротивления фреттинг-коррозии

Повышение темпа очист- + + Темп очистки увеличивается

ки поверхности УЧЭ при в 4-5 раз

вакуумировании

Уменьшение меха- + Актуально для мембранных

нического гистерезиса устройств

Уменьшение толщины + + Для ламелей, покрытых

покрытия серебром, улучшениев 1.8-2 раза

Устранение эффекта + Повышение токов

залипания КС за счет коммутации МК

микросварки

Увеличение адгезионных +

свойств

Уменьшение веса УЧЭ за + Актуально для сильфонов и

счет снижения толщины витых пружин

стенки

Уменьшение и стабили- + + В герконах в 1.5-2 раза

зация электрического со-

противления контактного

перехода

Увеличение плавности + + Актуально для скользящих

хода контактов

Увеличение + Увеличение рассеиваемой

теплопроводности мощности в коммутац.устр-вах

Таблица 1. Продолжение

Результаты экспериментальных исследований позволили установить вид зависимостей между рядом эксплутационных свойств и параметрами РМР. Некоторые из этих зависимостей представлены на рис. 2. Из графиков следует, что все эти зависимости имеют нелинейный характер с явно выраженными оптимумами. Поэтому при проведении оптимизации микрогеометрии УЧЭ необходимо, задавшись критериями оптимизации, принимать компромиссные решения по выбору конкретных величин основных параметров РМР, а, соответственно, и режимов процесса вибронакатки. Было проведено подробное исследование эксплуатационных свойств плоских пружин с регулярным микрорельефом рабочих поверхностей [2].

в) г)

Рис. 2. Экспериментальные зависимости ряда эксплуатационных свойств УЧЭ

от параметров РМР

С помощью способа вибронакатывания на поверхности КС геркона может быть создан РМР, существенно отличающийся по всем характеристикам от всех создававшихся до сих пор микрорельефов при обработке КС давлением (прокат, волочение, штамповка). Проведенные экспериментальные исследования выявили [2], что РМР рабочей поверхности КС обеспечивает улучшение многих эксплуатационных характеристик МК:

(1) повышается качество и надежность МК;

(2) повышается срок службы КС (износостойкость контактного покрытия) и геркона в целом на 50-60%;

(3) исключается залипание (микросварка) контактов;

(4) исключается необходимость проведения электротренировки герконов, целью которой является удаление игл на поверхности КС и их прирабатывание при наличии нерегулярного микрорельефа;

(5) повышается качество спая КС с герметизированным баллоном;

(6) повышается усталостная прочность;

(7) повышается коррозионная стойкость;

(8) улучшается герметичность спая КС со стеклом герметизированного баллона при длительном хранении, транспортировке и эксплуатации геркона;

(9) улучшается рассеивание мощности с поверхности нагреваемых коммутируемым током КС, что является большой проблемой в случае КС с нерегулярным микрорельефом;

(10) уменьшается в 1.5-2 раза и стабилизируется электрическое сопротивление КС;

(11) исчезает необходимость в термообработке КС;

(12) экономится металл, в том числе драгоценный, так как можно обходиться без покрытия на КС;

(13) уменьшается дребезг и динамический шум КС;

(14) повышается сопротивляемость фреттинг-коррозии.

Помимо этого, способ вибронакатывания является экономичным, так как сокращается технологический цикл обработки (требуемые габаритные размеры КС с РМР поверхности получаются за одну операцию прокатки в валках), не требуется проведения отжига КС после прокатки их в валках.

Проведем краткое рассмотрение основных эксплуатационных свойств КС с регулярным микрорельефом, подробно описанных в работе [2].

Если КС имеет регулярную микрогеометрию поверхности, то контакт осуществляется каждый раз через постоянное число «пятен контакта», которое определяется числом выступов поверхности КС в зоне перекрытия КС. При этом переходное сопротивление КС будет являться стабильной величиной, значение которой может быть меньше величины переходного сопротивления при нерегулярном микрорельефе в 1,5-2 раза. На рис. 3 приведены тепловая и электрическая модели контакта поверхностей с РМР. Если поверхности КС приработаны, то вершины выступов плоские, однако величина, на которую они усечены, у всех выступов одинакова, что обеспечивает стабильность электрического сопротивления геркона. При образовании РМР поверхности КС полностью исключаются залипания, вызываемые микросваркой КС, так как даже в случае приработки контактных поверхностей геркона стирание вершин выступов неровностей происходит на одинаковую величину, и на поверхности КС не образуется зон с локальным разогревом, приводящим к микросварке.

в)

г)

Рис. 3. Тепловая и электрическая модели контакта поверхностей КС с ПРМР: а - между КС имеется воздушный зазор: б - реальное расположение линий тока и тепловых потоков в элементарной ячейке контакта; в - дробление модели системой адиабатических поверхностей; г - дробление модели системой изотермических

поверхностей

Вибронакатывание не влияет на магнитные свойства материала КС [2], поскольку его действие (упрочнение и наклеп) сказывается на тонком поверхностном слое КС и быстро убывает с удалением от поверхности при правильно подобранной величине контактного давления деформирующего инструмента. Поэтому доменная структура внутренних слоев КС не нарушается и магнитные свойства материала КС не меняются.

Повышение срока службы КС геркона при РМР рабочей поверхности КС достигается за счет увеличения их износостойкости. В процессе работы геркона про-

исходит непрерывный износ контактного покрытия, а также изменение фактической площади контактирования под воздействием механических, электрических, электрохимических и других явлений [2]. При отсутствии покрытий изнашивается материал КС. Микрогеометрия контактного покрытия полностью повторяет характер и вид микрорельефа исходной поверхности.

Произведенные расчеты показали, что чисто механический износ контактного покрытия геркона также оказывает значительное влияние на длительность срока их службы, и у КС с РМР ресурс работы контактного покрытия на 50-60% превышает ресурс работы контактного покрытия с нерегулярным микрорельефом [2].

В большинстве современных герконов спай формируется из стекла С95-3 и пермаллоя 50Н-ВИ или 52Н-ВИ. Поэтому для оценки качества спая необходимо иметь данные о технологических свойствах стекла и пермаллоя; краевом угле смачивания, поверхностном натяжении расплавленного стекла, термическом расширении стекла и пермаллоя, температурной зависимости вязкости стекла и о влиянии микрогеометрии поверхности КС на напряжения, возникающие в спае.

Одной из основных предпосылок достижения прочного сцепления стекла с пермаллоем, как показано в [2], является хорошее смачивание расплавом стекла поверхности пермаллоя, которое во многом зависит и от характера микрогеометрии поверхности КС (рис. 4).

Напряжения в спае можно разделить на два класса; временные и остаточные. В свою очередь, временные напряжения включают в себя термоупругие напряжения, напряжения из-за разности хода кривых КТР, напряжения, возникающие вследствие механических воздействий в герконе, обусловленные электромагнитными процессами. К остаточным напряжениям относятся напряжения из-за несогласованности спая, закалочные напряжения и напряжения из-за неоднородности стекла и наличия базовых включений в месте спая стекла с пермаллоем [2].

Рис. 4. Контакт расплава стекла с поверхностью КС: а - при нерегулярной микрогеометрии; б - при ПРМР

Чтобы спай геркона обладал высокой надежностью, необходимо, чтобы напряжения не превышали предела прочности стекла на растяжение. Уровень этих напряжений существенно зависит от микрогеометрии поверхности, так как все пики и впадины РМР поверхности КС в местах спая являются источниками этих напряжений. У РМР поверхности, создаваемого вибронакатыванием, отсутствуют острые вершины и впадины (он характеризуется пологими выступами, одинаковыми по форме и размерам), а, следовательно, не создается больших концентраций локальных напряжений в зоне спая. Прочность связи стекла с пермаллоем обусловливается силами химического и электростатического взаимодействия. Так, адгезийные свойства стекла зависят от краевого угла смачивания, который, в свою очередь, связан с содержанием в

О - очаги с повышенным уровнем термомеханических напряжений

стекле окислов ВаО, СаО, М§0, Бе20з, БеО, К20, Ы20. Эти окислы улучшают смачивание пермаллоя и способствуют растеканию жидкого стекла [3, 4]. Герметичность геркона и долговечность спая, как показали проведенные исследования [5], на 60-70% зависят от микрогеометрии поверхности КС, от формы и расположения микронеровностей поверхности КС. КС с вибронакатанной поверхностью при ПРМР надежно обеспечивают хорошее качество спая геркона.

На сопротивление коррозии КС геркона с вибронакатанной поверхностью воздействуют два конкурирующих фактора. С одной стороны, происходит сглаживание неровностей исходной поверхности и образование микрорельефа со впадинами, радиус которым значительно больше, чем у обработанной любым способом финишной доводки поверхности, что определяет меньшую концентрацию в них продуктов, вызывающих коррозию; в результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластической деформации приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т. е. к образованию множества гальванических пар, являющих причиной коррозии, и коррозийная стойкость снижается.

На рис. 5 показан типовой график зависимости коррозионной стойкости от усилия обкатывания и, соответственно, наклепа. Как видно из рис. 5, коррозийная стойкость повышается с увеличением усилия вибронакатывания и, соответственно, степени сглаживания неровностей исходной поверхности лишь до определенного значения (точки А). Эта оптимальная в отношении коррозионной стойкости величина усилия соответствует при вибронакатывании переходу от частично РМР с пересекающимися канавками (вид три по ГОСТ 24773-81) к ПРМР (четвертый вид), когда образуется новый микрорельеф, но наклеп еще относительно мал.

л А

Степень наклёпа

Рис. 5. Типовой график зависимости коррозионной стойкости от наклепа

при вибронакатывании

При этом положительное влияние сглаживания и образования микрорельефа поверхности с пологими, большого радиуса впадинами значительно весомее, чем негативное влияние наклепа. Дальнейшее увеличение усилия вибронакатывания, даже в том случае, если шероховатость несколько улучшается, приводит к резкому увеличению степени наклепа и снижению коррозионной стойкости.

Заключение

Таким образом, как показали результаты исследований, подтвержденные практикой эксплуатации деталей, можно не только избежать снижения коррозионной стойкости, но даже заметно ее повысить, а тем самым повысить и срок службы устройства. При использовании ПРМР на поверхности КС надежно обеспечивается качество спая геркона и стекла.

Применение метода виброобработки на поверхности УЧЭ приводит к комплексному улучшению качества коммутационных устройств электромеханических

датчиков систем управления. Кроме того, данный метод является экономичным, так как сокращается технологический цикл обработки и не требуется проведения отжига КС после прокатки их в валках.

Литература

1. Шнейдер Ю.Г. Регуляризация мекрогеометрии поверхностей. Л.: Знание, РСФСР, ЛО ЛДНТП, 1991. 240 с.

2. Ткалич В.Л. Разработка и исследование методов повышения надёжности герконов и иреле на их основе. //Автореферат дис. на соискание степендии кандидата технических наук. ЛИТМО, Санкт-Петербург, 1994. 20 с.

3. Ткалич В.Л., Беккер Я.М., Фролкова Е.Г., Потапов А.И. Магнитоуправляемый контакт. Патент РФ № 2020624, Бюл. № 18, 30.09.94, кл. Н 01 Н 1/66.

4. Ткалич В.Л., Беккер Я.М., Фролкова Е.Г., Шнейдер Ю.Г. Потапов А.И. Магнитоуправляемый контакт. Патент РФ № 2024981, Бюл. № 23, 15.12.94, кл. Н 01 Н 1/66.

5. Иванова В.А. Внутреведение. ЯМР-томография. Ленинград: Знание,1989. 30 с.

6. Шоффа В.Н. Создание теории электрических аппаратов с магнитоуправляемыми контактами: Автореферат дис. на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МЭИ, 1983. 38 с.