УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ КОНТРТЕЛА С ПОМОЩЬЮ СКОЛЬЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРОКОНТАКТА

Предлагаемая полезная модель относится к области испытаний конструкционных материалов на трение и износ в условиях скользящего контакта по схеме нагружения «вал-колодка», применяемой для моделирования узлов трения типа щетка - коллектор (токосъемное кольцо) электродвигателя, колодочный тормоз колеса и т.п., а также для восстановления изношенных поверхностей деталей путем электролитического нанесения покрытия, в том числе не только триботехнического назначения.
2
При конструировании триботехнических материалов, в частности, электрощеточных материалов, представляет интерес создать условия для компенсации износа в процессе трения при одновременном уменьшении контактного электросопротивления. Особый интерес представляет реализация компенсации износа во время трения с контактной плотностью тока более 100 А/см. Все стандартные триботехнические устройства конструктивно не приспособлены для этой процедуры.
nd
2
Известно устройство для измерения контактного электросопротивления скользящего контакта в среде нефтяного масла [Kelly D., Markov D. (2001), Electromonitoring of lubricated tribocouples with use varied voltage. 2 World Tribology Congress 03.-07, September 2001, Vienna, AUSRIA] [1]. Устройство выполнено по схеме нагружения «вал-колодка», где нижняя часть контрела (вала) погружена в масляную ванну. Недостатком устройства является невозможность определения износостойкости и электросопротивления контакта при высокой контактной плотности тока (более 100 А/см) и невозможность компенсации износа.
Известно устройство для определения контактного сопротивления зоны трения при высокой плотности тока в скользящем контакте. Устройство состоит из подвижного элемента с закрепленным образцом испытуемого материала, скользящего как колодка по контрелу (валу) при давлении 0,13 МПа [Патент РФ №109611, опубл. 20.10.2011] [2].
Недостатком устройства является невозможность реализации трибохимического восстановления изношенной зоны контакта в процессе трения с целью компенсации износа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для электролитического нанесения покрытия на поверхность металлической детали за счет приложения давления 40-70 МПа в процессе трения и одновременного нанесения упомянутого покрытия при токе через электролит до 0,15 А. Устройство содержит обрабатываемую деталь и инструмент-анод, обеспечивающий трибохимическое восстановление изношенной поверхности в среде ионообразующей жидкости (электролита). К устройству приложен источник постоянного тока для восстановления изношенной поверхности в условиях электролиза [Н.Г. Макаренко. Технологическое обеспечение и повышение ресурса деталей машин на основе электрохимикомеханической обработки. Автореф. дисс, докт. тех. наук., ОмГТУ, Омск, 2012] [3].
Недостатком известного устройства является применение высокого давления в зоне контакта, что в некоторых ситуациях может быть технологически невыполнимо. Кроме того, низкий ток при электролизе приводит к высокой длительности процесса (5-10 часов).
2
Задачей полезной модели является разработка устройства для электролитического нанесения покрытия на металлическую поверхность контртела с помощью скользящего электроконтакта, позволяющего восстанавливать поверхность металлического контртела при приложении давления не более 5 МПа и плотности тока более 100 А/см в зоне контакта.
Дополнительным техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение арсенала известных устройств аналогичного назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для электролитического нанесения покрытия на металлическую поверхность контртела с помощью скользящего электроконтакта, содержит подвижный элемент с закрепленным токосъемным материалом контртело, погруженное в электролитическую ванну с анодом, при этом оно содержит источник тока, у которого одна общая выходная обмотка трансформатора предназначена для подачи тока на анод, обеспечивающий процесс электролиза и, одновременно, в зону электроконтакта.
В предлагаемом устройстве используют источник постоянного или переменного тока.
При этом в зоне электроконтакта прилагают давление не более 5 МПа.
Предложено устройство для восстановления металлической поверхности контртела в условиях скользящего электроконтакта.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для электролитического нанесения покрытия на металлическую поверхность контртела с помощью скользящего электроконтакта при переменном токе: 1 - подвижный элемент, 2 - прижимная пластина, 3 - токосъемный материал (образец), 4 - контртело (сталь 45), 5 - гайка, закрепляющая контртело, 6 - вал, 7 - отражающий кронштейн, 8 - электролитическая ванна, 9 - корпус опорных подшипников (шпиндель), 10 - опорный подшипник вала, M - направление к торсионному датчику момента силы трения; А - инструмент-анод (медь), Э - электролит, Д - диод, Тр - источник тока.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства для электролитического нанесения покрытия на металлическую поверхность контртела с помощью скользящего электроконтакта при постоянном токе: 1 - подвижный элемент, 2 - прижимная пластина, 3 - токосъемный материал (образец), 4 - контртело (сталь 45), 5 - гайка, закрепляющая контртело, 6 - вал, 7 - отражающий кронштейн, 8 - электролитическая ванна, 9 - корпус опорных подшипников (шпиндель), 10 - опорный подшипник вала, M - направление к торсионному датчику момента силы трения; А - инструмент-анод (медь), Э - электролит, Д - диод, Тр - источник тока.
Принцип работы устройства для электролитического нанесения покрытия на металлическую поверхность контртела с помощью скользящего электроконтакта основан на нанесении упомянутого покрытия на поверхность контртела с помощью скольжения с токосъемом. Включение выходной обмотки трансформатора (Тр) вызывает протекание прямого однополупериодного тока в электрической цепи металлический анод (А) - контртело 4-выходная обмотка (Тр) (фиг. 1). В предлагаемом устройстве анодом (А) служит медь, поэтому к контртелу 4 течет поток ионов меди через электролит (Э). Вращение контртела 4 в присутствии потока ионов меди приводит к их равномерному осаждению на поверхность контртела 4, не очищенную от адсорбционных пленок. Включение той же самой обмотки (Тр) приводит в действие другую электрическую цепь, а именно образец 3-контртело 4-обмотка, т.е. реализуется скользящий токосъем по осажденной меди. Электролитическое нанесение покрытия на металлическую поверхность контртела 4 происходит вследствие адгезионного закрепления меди только в зоне скользящего электроконтакта.
a
a
Предлагаемое устройство позволяет перемещать образец параллельно оси вала (контртела 4), поэтому при необходимости можно нанести указанное покрытие на всю внешнюю цилиндрическую поверхность контртела 4. При вращении контртела 4 центробежные силы стремятся вытолкнуть электролит за пределы ванны 8. Поэтому электролит (Э) направляется в зону контакта отражающим кронштейном 7 для обеспечения надежного присутствия электролита (Э) в контактном пространстве. Изменяя ток I, текущий через электролит, или контактную плотность тока j между образцом и контртелом, или давление P в контакте, или состав окружающей среды контакта (т.е. состав электролита), или время скольжения t, или материал анода, контртела и т.п., можно изменять высоту нанесенного слоя и его шероховатость R. В качестве примера представлены исходные параметры экспериментов по электролитическому нанесению покрытия и значения шероховатости R (таблица), измеренные на бесконтактном профилометре MICRO MEASURE 3D STATION
В таблице приведены результаты проведенных экспериментов. Эксперименты 1 и 2 проведены на предлагаемом устройстве. Эксперимент 3 проведен на известном устройстве (прототип [3]). Видно, что электролитическое нанесение покрытия, проведенное под воздействием скольжения при высокой контактной плотности тока на предлагаемом устройстве за короткое время, позволяет получать шероховатость электролитического покрытия поверхности контртела сравнимую со значением шероховатости, формируемой при высоком давлении и длительном процессе на известном устройстве.
Толщина слоя электролитического покрытия, нанесенного на поверхность контртела, зависит от совокупности исходных параметров процессов электролиза и токосъема. Большая контактная плотность тока стремится этот слой разрушить. Поэтому при определенном наборе исходных технологических параметров работы предлагаемого устройства можно достигнуть динамического равновесия между разрушением и восстановлением нанесенного слоя на поверхности трения и происходит компенсация износа в процессе трения, т.е. достигается трение без износа.
Таким образом, предлагаемое устройство можно применить в случаях:
- когда надо восстановить изношенную поверхность детали путем электролитического нанесения покрытия;
- когда надо нанести защитный или декоративный слой на поверхность детали, предназначенной не только для триботехнического применения;
- когда надо постоянно компенсировать износ в процессе скольжения с токосъемом.
Эксперименты 1 и 2 (таблица) получены при протекании переменного тока. Тип тока (переменный или постоянный) также является исходным параметром процесса электролитического нанесения покрытия. Поэтому предлагаемое устройство может быть включено в режиме протекания однополупериодного и двухполупериодного постоянного тока (фиг. 2). Образец 3 может иметь не только положительную, но также отрицательную полярность, если к нему подвести отрицательный вывод диодного моста (фиг. 2, 6).
Таблица
Окружающая среда (электролит)
R<sub>a</sub>, мкм
h А/см<sup>2</sup>
I, А
t, час.
P, МПа
Материал анода
Обрабатываемая деталь (контртело)
1. Глицерин + +30 об.% H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
0,419
350
0,4
0,5
0,64
Медь M1
Сталь 45
2. Глицерин + +30 об.% H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
0,608
500
0,4
0,5
0,64
Медь M1
Сталь 45
3. Глицерин + +17 об.% H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> (прототип)
0,1-0,2
<0,15
10
70
Латунь Л62
Сталь 12Х18Н9Т