автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка износостойких материалов с помощью методов неравновесной термодинамики на примере скользящих электрических контактов

На правах рукописи

ГЕРШМАН ИОСИФ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДОВ НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ НА ПРИМЕРЕ СКОЛЬЗЯЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение) 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ МПС России)

Научный консультант: - Заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор Буше Николай Александрович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Асташкевич Борис Михайлович

- доктор технических наук, профессор Измайлов Владимир Васильевич

- доктор технических наук, профессор Федоров Сергей Васильевич

Ведущая организация: Московский государственный индустриальный

университет (МГИУ)

Защита состоится 30 мая 2006 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 218.002.02 при Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта в конференц-зале Опытного завода ВНИИЖТ по адресу 129851, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., дом 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

I?

Автореферат разослан / т апреля 2006 года. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Пенькова Г.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Актуальной задачей трибологического материаловедения является разработка износостойких материалов на основе общих принципов. Основным методом выбора износостойких материалов остается эмпирический метод. Выбор может быть обоснован закономерностями, установленными опытным путем и на основе объемных свойств. В трибоси-стеме при одних и тех же условиях одинаково могут работать совершенно разные материалы: металлические, органические, неметаллические композиционные и другие. Механические свойства материалов могут отличаться в разы, а проводящие свойства — на 1 — 2 порядка. В связи с этим необходимо выделить нечто общее, что есть у всех трибосиетем. Все системы трения характеризуются износом. Износ может меняться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но он является атрибутом трения. Для каждой трибосистемы характерно образование вторичных структур (ВС). Согласно Л.И.Бершадскому, ВС осуществляют защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел. Поскольку износ и образование ВС это фундаментальные процессы, присущие любой паре трения, то его, можно рассмотреть с позиций фундаментальных законов природы. При трении происходит превращение энергии, поэтому естественно рассмотреть его с позиций термодинамики. Учитывая, что трение — сугубо неравновесный процесс, в настоящей работе оно будет рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации.

Рассмотрению трибосистемы с позиций теории самоорганизации посвящено относительно небольшое количество работ. Этим занимались: Л.И.Бершадский, Б.И.Костецкий, В.К1атес1а, Н.А.Буше, И.А.Буяновский, В.С.Иванова, В.В.Шульц, Р.МеПтап, Б.АЛ^пеу, Г. Хайнике, А. гшкгошкг, Б.И.Семенов, В.В. Горский, С.В.Федоров, А.Е.Миронов и другие. Однако, до сих пор в разработке износостойких материалов не учитывалось прохождение неравновесных процессов и взаимодействие необратимых процессов при трении.

Для иллюстрации применения методов неравновесной термодинамики и самоорганизации к разработке износостойких материалов выбрана трибоси-стема с токосъемом, т.к. в ней существует два независимых контролируемых процесса диссипации энергии - собственно трение и прохождение электрического тока. Необходимо отметить, что до настоящего времени не решена задача разработки износостойких токосъемных материалов для работы при больших токах и высоких скоростях скольжения.

Цель работы. Разработка принципов рационального выбора износостойких материалов с использованием описания процессов трения и изнашивания с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. Разработка износостойких токосъемных материалов для электрифицированного транспорта на основе результатов исследования неравновесных процессов на поверхностях трения.

Научная новизна.

I. Предложен принцип выбора износостойких материалов на основе методов неравновесной термодинамики и самоорганизации.

. 2. Образование ВС при трении рассмотрено как процесс самоорганизации.

3. Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что неравновесные процессы на поверхностях трения приводят к уменьшению интенсивности изнашивания.

4. На основе условия устойчивости, стационарного состояния с минимальным производством энтропии получено и экспериментально подтверждено аналитическое выражение для эффекта смазывающего действия тока. Появление этого эффекта соответствует образованию диссипативных структур.

5. Установлен критерий возможной потери термодинамической устойчивости трибосистемы с токосъемом.

6. Показана ведущая роль углерода в прохождении неравновесных химических реакций на поверхности трения с токосъемом.

Практическая ценность. Разработана методика выбора токосъемных материалов на основе исследования ВС контактных проводов. В качестве основы для новых токосъемных материалов выбран природный графит. Созданы новые графито-медные материалы, в которых медь надежно смачивает графит, самопроизвольно растекаясь по нему. Разработан и изготовлен новый графито-углеродный токосъемный материал без металлических составляющих. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) разработанного материала не уступает УЭС известных углеродно-медных материалов. Лабораторные и эксплуатационные испытания показали, что материал не теряет триботехнические свойства при высоких токовых нагрузках. Дугостойкость нового материала значительно выше дугостойкости известных токосъемных материалов. Показано, что совместная эксплуатация металлокерамических и угольных вставок может привести к значительному повышению интенсивности изнашивания контактного провода.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: Международной научной конференции «Трение, износ и смазочные материалы» Ташкент. 1985 г.; Всесоюзной научной конференции «Износ в машинах и методы защиты от него» Брянск 1985 г.; Всесоюзной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов». Юрмала 1987 г., 3-ей Московской научно-технической конференции «Триботехника машиностроению» Москва 1987г. Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы технологии» Николаев 1988 г.; 4-ой Московской научно-технической конференции «Триботехника машиностроению» Москва 1989г.; Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы синергетики» Уфа 1989 г.; Советско-Американской конференции «Новые материалы и технологии в трибологии» Минск 1992 г.; Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» Брянск 1994 г.; 2-ой Международной конференции «Износостойкость машин» Брянск 1996 г.; 2-ой Американо-Восточно-Европейской коеференции «Новые

материалы и технологии в трибологии» Минск-Гродно-Варшава 1997г.; Международном научно-практическом симпозиуме Славянтрибо-5 «Наземная и аэрокосмическая трибология» Санкт-Петербург 2000 г.; 2-nd World Tribology Congress. Vienna 2001г.; 1-й Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» Москва 2002 г.; European Congress on Advanced Materials and Processes "Materials Week" Munich 2002 г.; Международном конгрессе «Механика и трибология транспортных систем» Ростов-на-Дону 2003 г.; Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» Волгоград 2004 г.; 4-м Междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» 2005 г. Москва; World Tribology Congress III. Washington 2005 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, содержит 16 таблиц, 103 рисунка, библиографию в количестве 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности проблем, цель работы, основные научные положения, которые выносятся на защиту, научная новизна, практическая ценность, реализация результатов работы и апробация работы.

В первой главе приведены понятия неравновесной термодинамики и теории самоорганизации, использовальауемые в диссертации. При исследованиях автор опирался на работы И. Пригожина, JI. Онзагера, В. Эбелинга, П. Гленсдорфа, Г. Николиса, С. Де Гроота, П. Мазура, В.И. Арнольда, Р. Дефея, И.К. Кудрявцева, Ю.Л.Климонтовича, И. Дьярмати, Г. Циглера, А. Энгеля, Р.Л. Стратоновича, Л. Берталанфи, Л.Д. Ландау, Р. Лефевера, А.М.Тюринга, Р. Хакена, Т. Де Донде, Д. Кристиана, О.В.Крылова, Л.С. Полака и других.

Наиболее существенными из этих понятий являются структура, энтропия, производство энтропии, избыточное производство энтропии, устойчи-

вость термодинамической системы и стационарного состояния, самоорганизация, диссипативные структуры, локальное равновесие и другие.

Вторая глава посвящена рассмотрению процессов трения с позиций термодинамики необратимых процессов и самоорганизации. В кратком обзоре рассмотрены работы Н.А.Буше, В.Е.КЛатесИ, Л.И.Бершадского, И.А.Буяновского, Б.И.Костецкого, Р.МеПтап, В.А.И^пеу, В.С.Ивановой, Г. Хайнике, А. 2гти1го\у1сг, Б.И.Семенова, В.В.Шульца. Основные эффекты при трении концентрируются в тонких поверхностных слоях, названных вторичными структурами (ВС).

Термодинамическое обоснование существования ВС основано на их защитных функциях. ВС необходимы для рассеяния энергии при ее переходе из зоны трения в трущееся тело. ВС ограничивают распространение взаимодействия внутри трущихся тел, снижая интенсивность этого взаимодействия, поэтому их появление соответствует принципу Ле Шателье. Таким образом, в ВС аккумулируется большая часть энергии трения. При трении к телу может подводиться такое количество энергии, которое не успевает рассеиваться через линейные каналы: тепло- и электропроводность, диффузию. Накопленная в поверхностном слое энергия может привести к катастрофическому износу, или к появлению определенных структур на поверхности трения. С образованием ВС в трущемся теле происходит перераспределение энергии, и появляется зона преимущественного рассеяния энергии. В связи с этим представляет интерес термодинамический анализ состояния этого слоя и связи этого состояния с изнашиванием. В равновесной изолированной системе невозможно макроскопическое движение ее частей. Поэтому в дальнейшем трибосистема будет рассматриваться, как неравновесная термодинамическая система.

Из-за отсутствия четких критериев самоорганизации Ю.Климонтович предлагает решить, какое из рассматриваемых явлений в процессе эволюции более упорядоченно. Решение позволит сделать вывод о наличии самоорганизации.

Рассмотрим три возможных состояния трущегося тела. На рис. 1 схематически показано распределение энергии (Е) в трущемся теле в различных состояниях с энтропией Б. Увеличение степени неравномерности распределения энергии соответствует уменьшению энтропии.

Рис. 1. Схема распределения энергии (Е) в трущемся теле в различных состояниях

1 - в условиях равновесия;

2 — в отсутствие вторичных; структур

3 - при наличии вторичных; структур

81, 82, 83 - энтропии соответствующих состояний; Е|, Е2, Ез - энергии соответствующих состояний

При Е1 = Ег = Ез, > Бг > Бз. С появлением ВС энтропия трущегося тела снижается. Образование ВС, приводящее к снижению интенсивности изнашивания, соответствует процессу самоорганизации и образованию диссипа-тивных структур.

Энтропия трущегося тела при трении может изменяться (с18) за счет внешних воздействий - потока энтропии (с18е) без учета износа; за счет производства энтропии без учета прохождения физико-химических превращений в ВС (с1Б|); за счет физико-химических превращений в ВС (с^), т.е. процессов образования ВС; за счет изнашивания материала трущегося тела (с^). Изменение энтропии трущегося тела можно представить, как:

аэ аво + ав! + авг-1 ав^ (1)

Знак «минус» обусловлен тем, что вещества покидают трущееся тело со своей энтропией. При равновесных физико-химических превращениях в ВС, с18г будет положительным (2), при неравновесных - отрицательным (3):

¿Бг > 0 (2):

< О (3)

с^г- часть общего производства энтропии, поэтому всегда: + сШг > 0. В стационарном состоянии изменение энтропии со временем будет: азль = ¿бм + «й/а+аБ г ли - аБ5лй = о (4) При условии (2): аБ^ (равновесное) = аБе/А + аБ^ + |аБ г Щ (5)

При условии (3): а85ЛЙ (неравновесное) = dSe/dt + а 8 ¡ЛИ - ¡аБ г ЛЭД (6) Из-за аддитивности энтропии величина а8$Ли пропорциональна интенсивности изнашивания материала трущегося тела. Из (5) и (6) следует, что при прочих равных условиях интенсивность изнашивания при неравновесном характере ВС меньше чем при их равновесном характере и уменьшается с уменьшением производства энтропии (аЭДи).

Для разработки износостойких токосъемных материалов рассмотрена трибосистема с токосъемом. В ВС этой трибосистемы проходят три основных термодинамических потока: поток тепла, электрический ток, поток вещества. Термодинамические силы первых двух потоков (перепад температур и падение напряжения) фиксированы, т.к. осуществляется принудительное скольжение и токосъем. Термодинамические силы потоков вещества - не фиксированы, так как прохождение этого потока не обусловлено эксплуатацией. По теореме Пригожина потоки нефиксированных сил в стационарном состоянии пропадают. Без потоков вещества производство энтропии ВС будет:

+ (7),

ш

где: 1ь-поток тепла, Хь=^гааТ)/Т2 -термодинамическая сила, вызывающая поток тепла, 1е-электрический ток, Хе-градиент падения напряжения в ВС; Т-температура. Учитывая, что 1ь=-Я,В^ааТ (В-площадь контакта, X-теплопроводность), вместе с тем: (к-коэффициент трения, р-нагрузка,

v—скорость скольжения), выражение (7) можно представить, как: < _ (кру? (8)

л явт1 т

Производство энтропии в стационарном состоянии минимально и устойчиво в определенных пределах изменения параметров. При изменении тока (1е):

г а -2к{<У.Кру)1 ¿к*

Кси/ Л ' си' сЛ ХВТ1 Т ' сИ

хвтхе

' (/»О2

к = .1 к1 ——-г-^- (к0 - коэффициент трения без тока) (РV)

(9);

(10)

Формула (10) - аналитическое выражение для эффекта смазывающего действия тока. Из (10) следует, что:

С = (1 - к'/ко2)/1е = (АВТХе)/(руко)2

(П)

Согласно (11) величина «С» не должна меняться с током.

В таблице 1 представлены полученные экспериментально отношение (к/к0) и постоянная «С» из (11) в зависимости от величины тока. Смазывающее действие тока проявляется при токах более 300 А. Начиная с тока 400 А, устанавливается постоянное значение «С». Соответствие смазывающего действия тока выражению (10) показывает, что состояние ВС - стационарное с минимальным производством энтропии, устойчивое по отношению к изменению тока (выражение 9) и обладающее незначительной интенсивностью изнашивания.

Таблица 1. Смазывающее действие тока

Ток (А) к/ко, к/к02 к/коз С(2.11)

0 1 1 1 -

80 1,29 1,21 1Д5 -

100 1,80 1,63 1,48 -

300 0,90 0,87 0,88 0,00064

400 0,69 0,67 0,70 0,0013

460 0,47 0,44 0,46 0,0017

540 0,41 0,39 0,42 0,0015

560 0,27 0,26 0,28 0,0014

660 0,26 0,25 0,27 0,0014

700 0,20 0,20 0,22 0,0014

720 0,18 0,18 0,19 0,0014

Новые связи между элементами системы (коэффициентом трения и током) говорит о появлении новой структуры, т.е. об упорядочивании системы. Коэффициенты трения к0ь к02, коз в таблице 1 - начальные коэффициенты

10

трения без тока. Причем, ког = 0,8ко1; коз = 0,5 ко|. Несмотря на различные значения начальных коэффициентов трения, величина к/ко зависит только от тока и не зависит от к0. Независимость от начальных условий подтверждает прохождение самоорганизации и образование диссипативных структур. Таким образом при наличии смазывающего действия тока ВС являются дисси-пативными структурами. Интенсивность изнашивания неравновесных (диссипативных) ВС меньше интенсивности изнашивания равновесных ВС. Независимость диссипативных структур от начальных условий, позволяет осуществлять поиск износостойких материалов на основе результатов исследования ВС.

В третьей главе рассмотрен механизм самоорганизации и возможность потери термодинамической устойчивости трибосистемы с токосъемом. Показано, что самоорганизация приводит к резкому снижению интенсивности изнашивания.

Увеличение степени внешнего воздействия вызывает систематическое отклонение данной системы от состояния равновесия или стационарного состояния. Достаточное условие устойчивости термодинамической ветви определяется знаком избыточного производства энтропии:

Если избыточное производство энтропии — положительное, то система устойчива, если оно становится отрицательным, то система может потерять устойчивость, и могут появиться диссипативные структуры.

При увеличении механической нагрузки избыточное производство энтропии в обозначениях (7) будет:

Правая часть (13) представляют собой квадратичную форму, она может быть только положительной (X > 0). Следовательно, если трение - единственный источник диссипации энергии, система не теряет устойчивость. Для воз-

2д(

— 828 = 5Хь51ь (5 - флуктуация)

(12)

.2

(13)

можности прохождения самоорганизации необходимо более одного независимых процесса диссипации энергии.

В трибосистеме с токосъемом присутствует два независимых источника диссипации энергии. Это - собственно трение и прохождение тока. Производство энтропии для этого случая:

с»; _ (кру)7 Ji¡2R т ■ ■ ч

— \ + —— (К- электрическое сопротивление контакта) (14) ш хвт т

Рассмотрим поведение избыточного производства энтропии при изменении тока:

2д1 тгвхКы, ' т а/, " v '

Флуктуация тока в части, связанной с трением (первое слагаемое правой части), может быть только положительным. Часть избыточного производства энтропии, связанная с прохождением тока (второе слагаемое), может стать отрицательной при условии: —<0 (16).

а/.

Это условие достигается, когда с увеличением тока, контактное сопротивление уменьшается. На рис. 2 приведены две зависимости интенсивности изнашивания токосъемного материала типа «Б» от тока. Первая кривая получена в результате испытаний по проводу, с которого удалялись ВС перед испытанием. При изменении тока от 10 до 30 А интенсивность изнашивания возрастает почти на порядок. Это связано с разупрочнением поверхностных слоев медного провода. При изменении тока от 70 до 75 А интенсивность изнашивания резко снижается примерно в 3 раза, что соответствует потери устойчивости. Потеря устойчивости при токе 70 А связана с изменениями, проихо-дящими в ВС, их электрическое сопротивление снижается с ростом тока (условие 16).

Вторая кривая получена при скольжении по проводу с ВС, оставшимися после испытаний при токе 80 А. В этом случае интенсивность изнашивания существенно меньше интенсивности изнашивания по проводу без ВС и слабо

Электрический ток (А)

Рис. 2 Зависимость интенсивности изнашивания материала вставок "Б" от тока. 1-по свежему следу; 2-по проводу с ВС

меняется с током. Это связано с тем, что процессы формирования ВС уже прошли. В случае готовых ВС при каждом значении тока в системе идут стационарные процессы, поэтому состояние системы устойчиво. Это подтверждается существованием эффекта смазывающего действия тока, когда прирост производства энтропии за счет увеличения тока компенсируется снижением коэффициента трения практически без изменения интенсивности изнашивания. В результате система возвращается в исходное стационарное состояние с минимальным производством энтропии, обеспечивая устойчивость этого состояния. Поэтому резкое снижение интенсивности изнашивания (рис. 2, кривая 1) связывается с образованием диссипативных структур.

Выяснение механизма снижения интенсивности изнашивания позволяет выбирать токосъемный материал, который при более мягких условиях эксплуатации проходит через неустойчивость и раньше уменьшает интенсивность изнашивания. Для этого исследовались поверхности медных проводов после трения с токосъемом в паре со стандартным материалом контактных вставок типа «Б» на основе искусственного графита. Углерод, механически перенесенный на медь, представлял собой участки пленки, покрывающей поверхность провода. Доли площади рабочих поверхностей проводов, занятые перенесенным углеродом, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Углерод на рабочей поверхности медного провода и интенсивность изнашивания контактов в зависимости от тока.

Ток (А) 0* 0 20 55 80

Перенесенный углерод (% площади рабочей поверхности провода) - 45 50 90 60

Углерод в медной матрице (% масс.) 7 7 8 2,5 5,5

Интенсивность изнашивания токосъемного материала (мг/час) - 2,5 6 18 6

Интенсивность изнашивания провода (мкм/час) - 0,2 0,4 1,1 0,3

* В отсутствии трения.

Чем больше площади поверхности провода покрыто перенесенным углеродом, тем .брлыне. интенсивность изнашивания провода и токосъемного материала. На участках рабочих поверхностей провода, свободных от перенесенного углерода также был обнаружен углерод. Этот «внедренный» углерод равномернё распределен по поверхности медной матрицы и присутствует в ней в виде мелких включений размером не более 1 мкм. Содержание внедренного углерода в медной матрице (% масс.) приведено в табл. 2. Интенсивность изнашивания контактов увеличивается со снижением содержания внедренного углерода в медной матрице.

При токах меньше 20 А углерод попадает в медную матрицу при адсорбции С02. Это подтверждается присутствием углерода в медной матрице без трения. Его содержание до тока 20 А практически не зависит от величины тока и от наличия трения. При токах более 20 А происходит рекристаллизация поверхностных слоев меди, что приводит к необратимому увеличению площади контакта и снижению концентрации адсорбированного углерода. Увеличение содержания углерода в медной матрице при токах более 70 А происходит, благодаря прохождению неравновесных реакций:

4Си + С02 = С + 2СигО; 2Си + С02 = С + 2СиО (17)

С ними связана неустойчивость на зависимости интенсивности изнашивания от тока. Сродство реакций (17) при различных температурах отрицательно, поэтому они протекают вынужденно, только в неравновесных условиях. Прохождение реакций (17) благотворно сказывается на износостойко-

сти скользящих контактов. Следовательно, для снижения интенсивности изнашивания желательно, чтобы реакции (17) начинались при более мягких условиях (до рекристаллизации). Зависимость контактного сопротивления (И.) и сШЛ11 от тока при скольжении различных токосъемных материалов показывает, что К снижается с ростом тока. Сравнительно резко сопротивление снижается при 40 и 70 А. Значения тока с минимальными значениями сПЗДП (40 и 70 А) соответствуют точкам с наибольшей вероятностью потери устойчивости данного состояния. При этих токах резко меняется интенсивность изнашивания (рис. 2).

Исследованы зависимости Л и сШЛЛ от тока на контактах с ВС, полученными при трении с различными значениями тока (рис. 3).

Для контакта с ВС, полученными при токе 80 А, отмечено резкое снижение сопротивления при увеличении тока с 20 до 30 А. Производная (ИШ1 принимает минимальное значение для всех измерений при токе 20 - 30 А.

0,6

Ток (А)

Рис. 3. Зависимость производной сШ/сЦ от тока при скольжении с токосъемом материала вставки "Б" по медному проводу с ВС, полученными при разных токах

Вероятность появления неустойчивости в этой точке максимальна. На готовых ВС, полученных при токе 80 А, реакции (17) начинаются раньше,

чем при скольжении по свежему следу (рис. 2. кривая 1). В этом случае неравновесные ВС начинают образовываться до начала интенсивной рекристаллизации поверхностных слоев меди. Поэтому, вызванный рекристаллизацией, резкий рост интенсивности изнашивания (рис. 2, кривая 1) не происходит при скольжении по готовым ВС (рис. 2, кривая 2). Раннее начало образования диссипативных ВС связано с присутствием в них природного графита, т.к. реакции (17) в них уже проходили. Природный графит сдвигает начало этих реакций в более мягкие условия трения.

В главе 4 исследованы ВС на медных контактных проводах, работавших с различными токосъемными материалами. Диссяпативные ВС обладают пониженной интенсивностью изнашивания, устойчивы и не зависят от начальных условий. Поэтому рациональный выбор износостойких токосъемных материалов можно осуществлять по результатам исследования ВС.

Исследования зависимости интенсивности изнашивания различных токосъемных материалов (углеродных, металлических композиционных, угольно-медных, графито-медных и других) и медного контртела от свойств токосъемных материалов показали отсутствие прямой связи интенсивности изнашивания со свойствами материалов. Свойства материалов (твердость, УЭС, плотность, критическая температура) могут отличаться на порядок, а интенсивности изнашивания находятся примерно на одном уровне. Если какая-то закономерность зависимости изнашивания от материала существует, то она связана с составом материала. Методами электронной оже-спектроскопии, совмещенной с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией и вторичной нейтральной масс-спектроскопии исследованы элементный и химический составы ВС медных контактных проводов. Результаты анализа ВС приведены в таблице 3.

Исследовались ВС медных контактных проводов, которые эксплуатировались на контактной сети железных дорог и испытывались на натурном стенде контактной сети. Соответствующие контактные провода эксплуатиро-

г

вались только с металлокерамикой ВЖ-ЗП с сухой графитовой смазкой (обра-

зец № 1), только с угольными вставками (образец № 2), только с металлокерамикой ВЖ-ЗП без сухой графитовой смазки после испытаний на натурном стенде контактной сети (образцы № 3, 5), только с угольными вставками после испытаний на натурном стенде контактной сети (образец № 4). Интенсивность изнашивания образца № 3 была в 4 раза больше интенсивности изнашивания образца № 5 при одинаковом токе 700 А на 2 ряда вставок. Анализ состава ВС проводился на поверхности, на глубине 3-7 мкм, на границе с медью провода.

В результате исследований установлено, что состав ВС определяется составом токосъемного материала. Однако в состав всех ВС входят медь и углерод. Свободный углерод входит в их состав в виде природного графита. Состав ВС образца 1 (контактная сеть) отличается от состава образцов 3 и 5 (стенд), несмотря на одинаковое контртело — металлокерамику ВЖ-ЗП. В образцах со стенда содержится заметное количество свинца и олова (в основном в окислах), а в образце с эксплуатации свинец и олово практически отсутствуют. Это вызвано подачей в реальный контакт металлокерамики с контактным проводом сухой графитовой смазки. На это указывает значительное содержание углерода в виде графита — 20,2% масс. Обращает на себя внимание значительное содержание свободного углерода в образцах «3» и «5», соответственно, 4,1 и 15,3% масс. Сухая графитовая смазка в эти контакты не подавалась. Углерод мог попасть в данные ВС только в составе СОг из атмосферы, поэтому в ВС образцов «3» и «5» он образуется, как продукт неравновесных химических реакций (17). Интенсивность изнашивания провода («5») в 4 раза меньше интенсивности изнашивания провода («3»), несмотря на одинаковые условия трения. В ВС образца «3» почти в 4 раза меньше графи-. та, чем в ВС образца «5». Таким образом, вывод главы 3 о том, что увеличение количества внедренного углерода на поверхности трения меди соответствует снижению интенсивности изнашивания, сделанный для графитового токосъемного материала, можно распространить на токосъемный материал из металлокерамики, не содержащий углерод.

Таблица 3. Химический состав вторичных структур контактных проводов.

в-во № образцов - № шлифовки

- 1 <-н сч 1 »—< сч 1 сч СЧ 1 СЧ со 1 го сч 1 СП Г1- ■ тГ сч 1 «о «—1 1 ю сч 1

Си 56,4 <4 о\ со 91,8 оо сч 65,2 86,9 50,2 го <4 т—< оо 51,6 33,9 90,9 19,1 26,4 71,7

Си20 го со » Оч оо" со со* чо^ сч" СЛ о" О г-н сч ■Ч-" чо" (Ч.

Си2Б «л »4 СО гч СП гп о чо оо о 1 тг сч со СО о

С <ч о <ч СЧЛ »—1 сч" 45,8 21,2 оо СЧ Г-н сч" чо ГО чо" го 44,2 10 тг" го^ чгГ 1-Н со *ч ОЧ СЧ 00

БезС <7\ г— СО ■Ч-" г—1 »4 сч 1П «ч ©\ ЧО сч" ЧО г> о 16,2 со го 17,7 30,6

Ре20, чо" 24,4 оо Г-" оо сч" го ( ГО 10,9 «гГ со" оС чо"

С1 оо Гч о гГ «V о сч •ч о Г\ о о" »-н о" сГ

Бе «п ш СЧ ЧО оС г- ♦ч о * чо го" ио сч г--"

БП02 со с» о чо г> Г}- 1Г> «ч СП чо т—Ц ЧО_ чо г-»

рьо2 ко ■гг сч"

РЬО «п о" 10,2 г^ г—( г—1 со о\" оо

СиО со

Б (Ч о

РЬ ?-н сч

БпО

рь3о4 го"

Концентрационные профили, полученные с помощью вторичной нейтральной масс-спектроскопии, показывают, что качественно элементный состав ВС не меняется по их глубине. Рациональный выбор износостойких то-косъемных материалов, обеспечивающих низкий износ контактных проводов, должен осуществляться не только и не столько по их объемным свойствам (УЭС, твердость, плотность, критическая температура), сколько по их химическому составу. Состав токосъемных материалов должен обеспечивать прохождение неравновесных процессов на взаимодействующих поверхностях.

Эти неравновесные процессы должны инициироваться и интенсифицироваться трением и токосъемом. В данном случае такими процессами являются химические реакции типа (17). Природный графит снижает температуру начала этих реакций, способствуя их прохождению при более мягких условиях эксплуатации. Поэтому новые токосъемные материалы были разработаны на основе природного графита: графито-медные и графито-углеродные материалы.

. В пятой главе исследованы графито-медные материалы, в которых медь самопроизвольно растекается по графиту.

При создании универсальных вставок за рубежом и в России пошли по пути создания угольно-медных вставок. Эти вставки должны объединять в себе высокие смазывающие свойства углерода и проводящие свойства меди. В качестве углеродной основы обычно применяют кокс. Основным недостатком подобных материалов является отсутствие физико-химического взаимодействия углерода с медью: они не образуют растворов, химических соединений, и медь не смачивает углерод. Поэтому технология изготовления подобных вставок заключается в пропитке пористой угольной заготовки расплавом меди или ее сплавов при значительном перегреве и давлении в защитной атмосфере. Структура такого материала представляет собой угольную основу и разветвленный медный каркас (рис. 4 а). За счет непрерывного медного каркаса удельное электрическое сопротивление снижается примерно в 4...5 раз по сравнению с угольными вставками. Разогрев вставок до темпе-

ратуры плавления меди приводит к разрушению медного каркаса (рис. 4 б), медь превращается в глобули или выпотевает, УЭС увеличивается в 4 - 10 раз. В эксплуатации интенсивный разогрев приводит к разрушению медного каркаса и локальному увеличению УЭС. В результате многократного воздействия возрастает интенсивность изнашивания материала. Это усугубляется тем, что кокс интенсивно окисляется при разогреве. Таким образом, к углеродно-медным токосъемным материалам предъявляются следующие допол-

V

нительные требования: замена коксовой основы на основу из природного графита, обеспечение надежного смачивания графита медью. В связи с этим направление исследований по улучшению характеристик медно-углеродных материалов составляют работы по улучшению смачивания графита медью. Почти все подобные материалы построены на сложной системе легирования меди.

а) б)

Рис. 4. Микроструктура угольно-медного токосъемиого материала типа MY-7D фирмы "Morgan Carbon" (Великобритания). хЮО а- до разогрева до 1100°С; б- после разогрева до 1100°С.

В настоящей работе эта проблема решается с помощью модифицирования пары графит-расплав меди. Особенность подхода состоит в том, что модифицируется не только медь, но и графит. Поверхность графита модифицировали, нанося тонкий слой карбида ниобия. В качестве легирующих меди использовали карбидообразующие элементы. Из зависимостей краевого угла смачивания медью модифицированного графита от соотношения C/Nb в покрытии для различных температур следует, что при всех температурах на-

блюдается хорошее смачивание. При достижении некоторого порога термического воздействия на систему наблюдается абсолютное смачивание с нулевым краевым углом. Подобная картина наблюдается только в случае сильного межфазного взаимодействия, характерного для химического взаимодействия. Однако в системе медь — карбид ниобия в ходе настоящей работы не удалось обнаружить следов межфазного химического взаимодействия ни в виде новых фаз, ни в виде твердых растворов.

Легирование меди карбидообразующими элементами сущест-

венно увеличивает краевой угол смачивания поверхности графита, модифицированного карбидом ниобия, при температуре 1450°С. При этой температуре чистая медь идеально смачивает модифицированный графит. Это связано с заменой карбида ниобия на карбиды легирующих элементов, которые хуже смачиваются расплавом меди, чем карбид ниобия. Для увеличения степени смачивания графит следует покрывать карбидами ниобия. Аналогичные, но несколько худшие результаты были получены для карбидов хрома и молибдена. На рис.5 и 6 приведены зависимости УЭС и предела прочности на сжатие в зависимости от содержания меди для материалов с разными модификаторами. Худшими свойствами обладает материал с молибденом. Лучшими

7 -6 -5 -¿4 -

5

2 -1 -О -

О 20 40 60 80

Си, % масс.

Рис. 5 Зависимость удельного электрического сопротивления графито-медных материалов с разными модификаторами от содержания меди

О 1 I-1-1-!-1-Г--1-

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Си, % масс.

Рис. 6. Зависимость предела прочности на сжатие графито-медного материала с разными модификаторами от содержания меди

свойствами обладает материал с ниобием. Материал с хромом имеет промежуточные свойства. Поэтому в дальнейших исследованиях рассмотрены материалы с графитом, модифицированным ниобием и хромом. УЭС графито-медного материала существенно меньше УЭС распространенного материала МУ-7Э (5-8 мкОм.м). Однако, низкая прочность не позволяет применять материалы после спекания. Для обеспечения материала необходимыми механическими свойствами нужно создать углеродную матрицу. Для этого был выбран метод газо-фазной пропитки пироуглеродом. Через пористую заготовку пропускали природный газ, который разлагался на водород и углерод. Последний откладывался в порах заготовки, образуя каркас и способствуя повышению механических свойств материала. Для дальнейших исследований были приготовлены образцы графито-медных материалов, содержащие 20% пироуглерода, 20 - 30% меди, остальное - модифицированный хромом или ниобием природный графит. Составы и свойства материалов приведены в табл. 4.

Графито-медные материалы обладают текстурой (рис. 7). Поэтому УЭС в плоскости, перпендикулярной направлению прессования в 5 - 10 раз меньше УЭС вдоль направления прессования.

Табл. 4. Составы и свойства графито-медных материалов

Состав материала Плотность, г/см3 УЭС, мкОм.м Твердость, НЭ

(С-Сг)-20Си-20Пу* 2,55 4,82 43

(С- №>)-20Си-20Пу 2,52 3,97 41

(С- ЫЬ)-30Си-20Пу 2,58 3,49 40

*Пу - Пиролитический углерод.

Анизотропия, при которой УЭС в направлении перпендикулярном на правлению скольжения и плоскости скольжения меньше УЭС вдоль направ ления скольжения, считается оптимальной для скользящих контактов. В связ! с этим направление прессования то ко съемных вставок должно быть парал лельно направлению скольжения.

Рис. 7. Микроструктура графито-медного материала, в котором графит модифицирован ниобием. Содержание меди - 70 %. х500

Исследованы зависимости интенсивности изнашивания токосъемных графито-медных материалов и медного провода от тока (рис. 8). Для сравнения использовались материалы ВЖ-ЗП и МУ-7В. Причины увеличения интенсивности изнашивания графито-медного материала с хромом и МУ-7Б похожи. При разогреве поверхностных слоев материала с хромом до температуры примерно 500°С хром окисляется и медь перестает смачивать графит. Зависимости интенсивности изнашивания материала с ниобием и ВЖ-ЗП от тока аналогичны. Интенсивности изнашивания этих материалов значительно меньше, чем других материалов. Интенсивность изнашивания провода при работе с материалом с ниобием значительно меньше интенсивности изнаши-

вания провода при работе с другими материалами и практически не зависит от тока.

Эксплуатационные испытания графито-медных вставок проводились на трехрядном полозе токоприемника электровоза постоянного тока ЧС-7 на участке Москва-Вязьма.

Ток (А)

Рис. 8. Зависимость интенсивности изнашивания токосъемных материалов от тока

Штатные вставки ВЖ-ЗП были расположены на четырехрядном полозе. Потребляемый ток менялся в пределах от 0 до 2400 А, а средний ток составил около 750 А. Максимальная и средняя скорости составляли, соответственно 130 и 72 км/час. Пробег полоза с опытными вставками составил более 35 тыс. км. Средний пробег полоза с металлокерамическими вставками ВЖ-ЗП на этом участке составляет 29 тыс.км. Пробеги угольных вставок типа «Б» и медно-угольных МУ7Р на трех-рядном полозе составили, соответственно 5 и 12 тыс. км. Интенсивность изнашивания опытных вставок неравномерна по высоте вставок. Верхний слой глубиной 7,3 мм изнашивается в течение 23,5 тыс. км. Следующие 15,5 мм изнашиваются в течение 10 тыс км. Послойное измерение твердости вставок показало, что резкое увеличение интенсивности изнашивания происходит в тех слоях вставки, в которых происходит резкое

снижение твердости. Это связано с неравномерной пропиткой пиролититиче-ским углеродом по глубине вставки. Уменьшить неравномерность твердости по глубине вставки и увеличить саму твердость удалось частичной заменой природного графита коксом. Однако интенсивность изнашивания увеличивается с увеличением содержания кокса, и снижается пороговое значение электрического тока, начиная с которого происходит резкое увеличение интенсивности изнашивания. В связи с этим в графито-медных вставках в качестве основы использовали только природный графит. Таким образом, показана возможность выбора износостойких токосъемных материалов на основе методов неравновесной термодинамики.

Шестая глава посвящена исследованию вставок на основе природного графита без металлических составляющих. С увеличением содержания меди в графито-медных материалах уменьшается их УЭС, однако, одновременно растет вероятность схватывания. Значительное снижение УЭС в графито-медных материалах отмечено при увеличении содержания меди до 30 - 35%. Испытания на схватывание показали, что схватывание характерно для материалов с содержанием меди 35% и выше. Таким образом, реализовать преимущество графито-медных материалов (добиться высокой электропроводности за счет повышения содержания меди) не удается, вследствие ограничения содержания меди из-за схватывания. В связи с этим в настоящей работе был разработан материал на основе графита, не содержащий металлических составляющих.

По причинам, изложенным в предыдущих разделах, в качестве основы углеродных вставок выбран природный графит, в качестве связующего и упрочняющей фазы выбран пиролитический углерод.

Содержание пиролитического углерода уменьшается с глубиной пропитки. Эта неравномерность приводит к снижению твердости в сечении вставки при удалении от ее рабочей поверхности и увеличению ее интенсивности изнашивания. Пироуглерод заполняет сквозные поры, оставшиеся после обжига. С помощью оптического анализа поверхности шлифов показано, что об-

щая площадь пор на шлифе непропитанного материала увеличивается с удалением от поверхности до середины вставки примерно в 2 раза. На начальной стадии пропитки (привес 10,8 %) пористость на глубине 8 мм примерно в 1,5 раз меньше пористости в середине и около поверхности. Это может быть связано с тем, что пироуглерод в начальный период пропитки более интенсивно откладывается на средних глубинах (7 — 8 мм). При привесах от 20 до 50% пористость распределена по глубине практически равномерно. Однако, твердость снижается в 1,5 раза на глубине 3-4 мм (высота вставки — 30 мм), далее она почти не меняется с глубиной. Неравномерное распределение значения твердости по сечению при равномерном распределении пористости связано с неравномерным распределением пор по площади. Около поверхности вставки крупных пор значительно меньше, чем в средней части. Количество малых пор постоянно уменьшается по мере пропитки. Так количество пор площадью 21 и 42 мкм2 в образцах с привесом 40 и 50 % в 2 раза меньше, чем в образцах непропитанных заготовок. Количество крупных пор практически не меняется по мере пропитки.

Вставки для эксплуатационных испытаний имели УЭС - 5 мкОм.м, твердость — 40 НБ, плотность — 1,66 г/см3. Условия эксплуатационных испытаний углеродных вставок аналогичны условиям испытаний графито-медных вставок. Пробег полозов токоприемников составил около 45 000 км. На рис. 9 приведены зависимость высоты вставок и интенсивности изнашивания от пробега.

Вставки изнашиваются равномерно на протяжении 42000 км до высоты около 22 мм. Затем интенсивность изнашивания резко возрастает. За последние 3 тыс. км пробега вставки износились на столько же, на сколько за предыдущие 42 тыс. км, (8-9 мм). Средняя интенсивность изнашивания плавно росла с пробегом от 0,08 до 0,24 мм/(тыс. км) за 42 000 км пробега. За последние 3 000 км пробега она выросла с 0,24 до 0,4 мм/(тыс. км).

«ЯР

А4

•ч

№

пА

л

&

V

Пробег, км

•Ф

к?

■ Высота вставок Интенсивность изнашивания

Рис. 9. Зависимость высоты вставок и интенсивности изнашивания

вставок от пробега

Интенсивность изнашивания резко возрастает на глубине около 8 мм. Резкое снижение твердости вставки происходит на первых 2 мм. Интенсивность изнашивания, как правило, медленно растет с уменьшением твердости до ее порогового значения, при котором интенсивность изнашивания резко возрастает. Сопоставив зависимости твердости и интенсивности изнашивания от высоты вставок, можно предположить, что таким пороговым значением твердости для данного типа вставок может быть 20 НБ. Снизить степень неравномерности твердости по сечению вставки можно введением дисперсионного упрочнителя в шихту.

При дуговом токосъеме ресурс токосъемного материала определяется потерей объема при дуговом воздействии, а не износом в результате трения. Испытания на потерю объема токосъемных материалов при дуговом воздействии проводились на постоянном токе при средних значениях тока около 2,3 кА, напряжения около 50 В, времени горения дуги 500 мс., расстоянии между контактами 10 мм. Испытывались образцы токосъемных вставок: на основе

27

железа типа ВЖ-ЗП (Россия), медно-графитовые (Чехия), угольно-медные типа МУ70 (Великобритания), угольные вставки типа «Б» на основе искусственного графита, опытные вставки на основе природного графита, пропитанные пироуглеродом. Потери объема вставок приведены на рис. 10. Потеря объема опытных вставок в 20 раз меньше чем вставок типа «Б» и МУ70 и в 80 раз меньше чем вставок на основе металла. Высокая дугостойкость графита связана не только с высокой температурой сублимации (3000 - 4000°С) и его относительной инертностью по отношению к окислению на воздухе, но и с прохождением неравновесных реакций типа 17.

Для повышения износостойкости токосъемные материалы следует легировать компонентами, способствующими прохождению и интенсификации неравновесных реакций 17. Этому же должно способствовать увеличение содержания СО г в атмосфере. Для этого в зоны трения во время испытаний на трение с токосъемом непрерывно подавался СОг.

800 т-

з

мм

700---

600--

500--

400----

300-----

200-------

100-------

Опытные вставки \1Y7D Тин "Б" (Россия) Медь (основа)- Металлокерамика

(Россия) (Великобритания) графит-свинец ВЖ-ЗП (Россия)

(Чехия)

Рис. 10. Потеря объема вставок за одно воздействие электрической дуги

Для исследования влияния СОг на износостойкость графитового материала был выбран материал, у которого интенсивность изнашивания резко

28

возрастает более чем на порядок при определенном пороговом значении тока. Подача ССЬ при токах менее порогового значения не влияла на износостойкость. При подаче С02 резкого роста интенсивности изнашивания при токах более порогового значения не наблюдается. Можно сделать вывод, что повышение парциального давления С02 в атмосфере приводит к интенсификации прохождения реакций 17.

Для интенсификации прохождения неравновесных химических реакций использованы катализаторы. Основой материала был природный графит. До тока 55 А интенсивность изнашивания материалов примерно одинакова и не зависит от тока (рис. 11). При токе 65 А интенсивность изнашивания токо-съемных материалов без катализатора и с 3 % катализатора резко возрастает примерно в 40 раз, а при токе 75 А в 100 раз по сравнению с интенсивностью изнашивания этих материалов при трении без тока. Интенсивность изнашивания токосъемных материалов с повышенным содержанием катализатора сравнительно слабо меняется с увеличением тока. Содержание углерода на поверхности трения меди, не покрытой перенесенным графитом, работавшей в паре с материалом без катализатора, примерно в 2 раза меньше чем на поверхности трения меди, работавшей в паре с материалом с катализатором.

й 900

Я

1 800

i 700

X

3 600

х

I 500

^ 400

^ 300

Э 200

Л

| 100

S о

0 20 40 60 80 100 120 140

Ток, А

Рис. 11. Зависимость интенсивности изнашивания токосъемных мате риалов, содержащих катализатор от тока

Площадь поверхности медного контртела, покрытая пернесенным графитом, при работе с материалом с катализатором, примерно в 1,5 раза меньше, чем при работе с материалом без катализатора. Свойства материалов с катализатором хуже свойств материалов без катализатора. Эти материалы отличаются только содержанием в них катализатора. Таким образом, главным для снижения интенсивности изнашивания являются не объемные свойства материала, а его способность осуществлять прохождение неравновесных процессов на поверхности трения.

В седьмой главе рассмотрены вопросы совместимости различных токосъем-ных материалов на одном участке контактного провода. При трении различных материалов по одному контртелу каждый из них стремится создать ВС с определенным составом, и свойствами. На электрическом транспорте применяется два основных типа токосъемных материалов: композиционные металлические и углеродные. Считается, что углеродные вставки могут служить источником смазки для композиционных металлических вставок на линиях с эксплуатацией обоих типов вставок. В этом случае композиционные металлические вставки эксплуатируется без сухой графитовой смазки. Приработка скользящих электрических контактов завершается образованием устойчивых ВС на поверхности контртела. Благодаря этому, система приходит в стационарное состояние, что сопровождается уменьшением производства энтропии и интенсивности изнашивания. Существенным для этих эффектов является то, что реализующиеся в них режимы не зависят от начальных условий, но зависят от граничных условий, которые определяются составами и свойствами токосъемных материалов. Независимость диссипативных структур от начальных условий и их зависимость от граничных условий позволяют предположить, что каждый токосъемный материал будет образовывать ВС определенного состава. В связи с этим при смене токосъемного материала новые ВС появятся после полного снятия старых. Это сопровождается повышенной интенсивностью изнашивания. Одновременная эксплуатация двух токосъемных материалов может привести к тому, что трущиеся тела постоянно будут рабо-

тать в режиме приработки. Соответственно, должна возрасти интенсивность изнашивания контактного провода. Для проверки этих предположений была исследована зависимость интенсивности изнашивания медного провода и образцов токосъемных материалов от тока.

1 о о а с

5 о

2

180 160 140 120

.5 « юо 21"

з 3.

се X

2

ё X о

ш £

х

80 Н 60 40 20 О

И Металлокерамика ■ Угольные вставки "Б"

□ Металлокерамика+угольные вставки"Б"

ЛО-

то п уя П га

Я

_ЕЭ-

,

10 15 20 25 30 55 Электрический ток (А)

80 100

X

Рис. 12. Зависимость интенсивности изнашивания контактного провода от электрического тока для различных вариантов токосъемных материалов ,

к х х <0 ш £ 3 га

500 450 400 350

а* й

£ -г 250

Н и О 5

О • X ш

X

о X а>

£ 5

200 150 100 50 0

РТ]

■Л .¿Л

----------- 1 А ------- ь .... ...... ..... •-

т

& л- ■г ■ &

№

. ? * 1 ,

■ Только вставки"Б"

□ Совместно: вставки'Ъ" и металлокерамика

30

55

80

100 Ось X

Сила тока (А)

Рис. 13. Зависимость интенсивности изнашивания материала вставок"Б" от тока при совместной работе с металлокерамикой

Испытывались: только материал угольных вставок типа «Б», только металлический композиционный материал ВЖ-ЗП, совместно оба материала. Интенсивность изнашивания медного провода при работе только с металлическим композиционным материалом более чем на порядок меньше интенсивности изнашивания провода при совместной работе обоих токосъемных материалов (рис. 12). Подобным образом ведет себя зависимость интенсивности изнашивания угольного материала от величины тока при совместной работе с металлическим композиционным материалом (рис. 13). Интенсивность изнашивания металлического композиционного материала при совместной работе с угольным материалом примерно в 10-15 раз меньше чем при работе без него. Механизм такого поведения заключается в том, что поверхностные слои медного контактного провода интенсивно отжигаются при работе в паре с графитовыми материалами, а при работе в паре с металлокерамикой интенсивно нагартовываются. Феноменологически это связано с независимостью диссипативных структур от начальных условий. Каждый материал, пытаясь создать свойственные ему ВС, заставляет работать систему трения постоянно в режиме приработки. Выводы.

1. На основе методов неравновесной термодинамики и теории самоорганизации установлены явления, позволяющие осуществлять выбор износостойких материалов:

- Неравновесные процессы, проходящие со снижением энтропии на поверхностях трения, приводят к снижению интенсивности изнашивания;

- Интенсивность изнашивания уменьшается с уменьшением производства энтропии;

- Прохождение процесса самоорганизации на поверхностях трения приводит к снижению интенсивности изнашивания.

2. Предложен метод выбора износостойких материалов, состоящий в следующем:

- По результатам исследования вторичных структур на трущихся поверхностях выявляются неравновесные процессы, проходящие при трении;

- Выбранные износостойкие материалы должны обеспечивать как можно более полное, интенсивное и раннее прохождение неравновесных процессов, в том числе самоорганизации на трущихся поверхностях.

Применение метода выбора износостойких материалов представлено на примере системы трения с токосъемом (контактный провод - токосъемные элементы).

3. Доказана применимость методов неравновесной термодинамики для трибосистемы с токосъемом:

- С использованием теоремы Пригожина и условия устойчивости стационарного состояния выведено аналитическое выражение для смазывающего действия электрического тока.

- Независимость снижения коэффициента трения с током от начальных условий (коэффициент трения без тока) подтверждает, что смазывающее действие тока указывает на прохождение процесса самоорганизации с образованием диссипативных структур.

4. Состав вторичных структур на поверхности трения контактных проводов зависит от состава токосъемных материалов. Во вторичных структурах контактных проводов отмечено значительное содержание меди и углерода.

5. Установлена ведущая роль углерода в прохождении неравновесных процессов восстановления углерода из двуокиси углерода и самоорганизации на поверхностях скользящих электрических контактов.

6. Потеря термодинамической устойчивости трибосистемы с токосъемом при прохождении самоорганизации выражается в резком снижении интенсивности изнашивания при незначительном увеличении снимаемого электрического тока. Трибосистема с токосъемом может потерять термодинамическую устойчивость при уменьшении контактного сопротивления с увеличением тока.

7. Наличие вторичных структур, сформированных на контактном проводе после начала самоорганизации, сдвигает начало прохождения неравновесной химической реакции восстановления углерода из двуокиси углерода в область меньших значений электрического тока. Сдвиг начала самоорганизации в область меньших значений электрического тока способствует снижению интенсивности изнашивания.

8. На примере введения катализатора в токосъемный материал показано, что интенсификация неравновесной химической реакции приводит к снижению интенсивности .изнашивания.

..- . 9. В качестве основы для токосъемного материала выбран природный графит:

- Природный графит сдвигает начало прохождения неравновесной реакции восстановления углерода из двуокиси углерода в более мягкие условия трения.

10. На основе природного графита разработаны графито-медный и гра-фито-углеродный токосъемные материалы.

11. В известных углеродно-медных токосъемных материалах, полученных по технологии пропитки медью пористой углеродной заготовки, при плавлении меди разрушается медный каркас.

12. Разработан двух-матричный графито-медный токосъемный материал на основе природного графита, в котором медь самопроизвольно растекается по графиту. При расплавлении меди медная матрица не разрушается.

13. Разработан двух-матричный графито-углеродный токосъемный материал на основе природного графита, не содержащий металлических составляющих. По своим проводящим свойствам разработанный материал не уступает известным углеродно-медным материалам, однако значительно превосходит их по износостойкости, особенно при больших снимаемых токах.

14. Эксплуатационные испытания токосъемных вставок из разработанных материалов, проведенные на электровозах постоянного тока ЧС-7, показали, что пробег трех-рядных полозов с графито-медными и графито-

1А

углеродными вставками на основе природного графита составил, соответственно около 35 и 45 тыс. км., пробег четырех-рядных полозов с металлокера-мическими вставками составил около 30 тыс. км.

15. При дуговом воздействии потери объема токосъемных материалов на основе углерода в несколько раз меньше по сравнению с токосъемными материалами на основе металлов. Наименьшие потери объема при дуговом воздействии у графито-углеродных материалов на основе природного графита.

16. Совместная эксплуатация токосъемных материалов на основе углерода и на основе металла по одному участку контактного провода может привести к повышенному износу контактного провода и вставок на основе углерода.

17. Результаты работы использованы при производстве токосъемных материалов на основе углерода на ООО «Электрод Сервис», ООО «Евро-Имлекс», ОАО «Новочеркасский электродный завод».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.С.Гершман, Н.А.Буше "Самоорганизация структур в трущихся телах" Тезисы докладов Всес. Научно-техн. Конф. "Проблемы синергетики". Уфа (1989). С. 86...87.

2. И.С.Гершман, Н.А.Буше "Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах" Трение и износ. 1995. Т. 16. № 1. С. 61...70.

3. В.С.Иванова, Н.А.Буше, И.С.Гершман "Структурная приспосабливае-мость при трении как процесс самоорганизации" Трение и износ. 1997. Т. 18. № 1. С.74...79

4. И.С.Гершман "Рассмотрение поведения трибосистем с использованием положений термодинамики необратимых процессов" Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Износостойкость машин" Брянск 1994. 4.1. С. 36.

5. Н.А.Буше, И.С.Гершман "Физические концепции совместимости трибосистем" Трение и износ. 1998. Т. 19. № 1. С. 141.

6. J.S.Gershman, N.A.Bushe "Thin films and self-organization during friction under the current collection conditions" Surface & Coating Technology. 186 (2004), 405...411.

7. И.С.Гершман, Н.А.Буше "Неустойчивость трибосистемы с токосъемом в процессе самоорганизации" Трение и износ. 1999. Т. 20. № 6. С. 623...629.

8. И.С.Гершман, Н.А.Буше "Влияние электрического тока на неравновесные фазовые превращения и разрушение материалов при контактном взаимодействии" Тезисы докладов I Всесоюзной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов" Юрмала 1987 г. М.: АН СССР. 1987. С. 97...98.

9. Берент В.Я., Гершман И.С. "Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 3. Механизмы появления, роста и разрушения вторичных структур" Трение и износ. 1990. Т. 11. № 1. С. 85...92.

10. И.С.Гершман, Н.А.Буше, ВЛ.Берент "Термодинамические аспекты контактного взаимодействия сильноточных скользящих контактов" В кн. "Теоретические и прикладные вопросы контактного взаимодействия" Изд-во Калининского Государственного Университета: Калинин. 1987. С. 54. ..63.

11. Берент В .Я., Гершман И.С., Зайчиков А.В. Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 2. Электрические свойства вторичных структур. Трение и износ. 1989. Т. 10. № 6. С. 1019...1025.

12. Гершман И.С., Пенский Н.В. Исследование закономерностей образования вторичных структур в условиях трения с токосъемом. Трение и износ. 1995. Т. 16. № i.e. 126...131.

13. Гершман И.С., Буше Н.А., Берент ВЛ. Термодинамические аспекты существования устойчивых вторичных структур на поверхностях сильноточных скользящих контактов. Трение и износ. 1989. Т. 10. № 2. С. 225...232

14. A.A.Aksenov, D.V.Kudashov, A.SJProsviryakov, I.S.Gershman, A.N.Solonin "The Study of the Structure and Properties of ODS Materials Based on the Cu-SiC System and Obtained by Mechanical Alloying" European Congress

on Advanced Materials and Processes "Materials Week 2002" 30 Sept - 2 Oct. 2002, Munich, Germany.

15. А.С.Просвиряков, А.А.Аксенов, И.С.Гершман "Разработка электротехнических композиционных материалов на основе меди с нанокристалли-ческой структурой, получаемых методом механического легирования" Сборник научных трудов Международной конференции "Новые перспективные материалы и технологии их получения" (НПМ)-2004. 20-23 сентября 2004 г. Волгоград. 2004. т. 1. С. 23-24.

16. А.А.Аксенов, Д.В.Кудашов, А.С.Просвиряков, В.К.Портной, И.С.Гершман "Исследование, разработка, опробование композиционных материалов на основе меди, получаемых методом механического легирования" Тезисы докладов 1-й Евразийской научно-практической конференции "Прочность неоднородных структур" ПРОСТ-2002, Москва 16-18 апреля 2002 г. С. 90.

17. А.А.Аксенов, И.С.Гершман, Д.В.Кудашов, А.С.Просвиряков, В.К.Портной "Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом" Пат. № 2202642 от 20.04.2003 г.

18. А.А.Аксенов, А.С.Просвиряков, Д.В.Кудашов, И.С.Гершман "Структура и свойства композиционных материалов еа основе системы Cu-Cr, полученных методом механического легирования" Известия вузов. Цветная металлургия. № 6,2004, C.39...46.

19. Ю.А.Карпенко, И.С.Гершман, Н.А.Буше, Е.В.Чернина, В.Г.Камчатный, Н.Н.Шемякин, Н.В.Пенский "Методика проведения испытаний на трения со сверхзвуковыми скоростями скольжения" "Новые материалы и технологии в трибологии" Тезисы докладов Советско-Американской конференции с международным участием. 6-8 октября 1992 г. Минск. С. 196.

20. Ю.А.Карпенко, И.С.Гершман, Н.А.Буше, Е.В.Чернина, В.Г.Камчатный, Н.Н.Шемякин, Н.В.Пенский "Методика проведения испыта-

ний на трения со сверхзвуковыми скоростями" Трение и износ. 1994. Т. 15. № 1.С. 71. ..77.

21. И.С.Гершман, С.М.Трушевский, А.В.Шумицкий "Роль углерода в самоорганизации процесса изнашивания сильноточных скользящих электрических контактов" Трение и износ. 2000. Т. 21. № 5. С. 520...523

22. J.S.Gershman, N.A.Bushe, A.E.Mironov "Self-Organizing at Friction and Development of Wearproof Materials" Proceedings of WTC 2005 World Tribology Congress III. September 12-16 2005 Washington D.C. USA, WTC 2005-63889

23. И.С.Гершман "Выбор износостойких материалов с учетом процессов самоорганизации" Труды 4-го Междисциплинарного симпозиума "Фракталы и прикладная синергетика" 14-17 ноября 2005 г. РАН ИМЕТ. Москва. Интерконтакт. Наука 2005. С. 269...270

24. В.Я.Берент, И.С.Гершман "Методика выбора материалов для сильноточных скользящих контактов" Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы триботехнологии" 1988. Николаев. С. 159.

25. В.Я.Берент, И,С.Гершман "Новое в методике выбора контактных материалов для сильноточных скользящих контактов" В кн. "Скользящие электрические контакты" Сб. научных трудов. ч.2. М.: Радио и связь. 1989. С. 36...37.

26. В.Я.Берент, И.С.Гершман "Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 1. Строение и состав" Трение и износ. 1989. Т. 10. №4. С. 687...692.

27. В.Я.Берент, И.С.Гершман "Природа образования, состав, свойства и термодинамические аспекты вторичных структур, образующихся на поверхностях сильноточных скользящих контактов" Труды международной научной конференции "Трение, износ и смазочные материалы" Ташкент 1985 г. Т. 2. М.: Наука 1985. С. 200...202.

28. В.Я.Берент, И.С.Гершман, А.В.Зайчиков, В.В.Бельдей "Состав и строение поверхностных слоев контактных проводов, работавших в паре с

различными токосъемными элементами" Вестник ВНИИЖТ 1985. № 3. С. 28...31.

29. ВЛ.Берент, И.С.Гершман, А.В.Зайчиков, В.В.Бельдей "Особенности взаимодействия контактного провода с токосъемными элементами токоприемника" Вестник ВНИИЖТ 1985. № 7. С. 13... 16.

30. И.С.Гершман "Состав поверхностных пленок сильноточных скользящих контактов" Тезисы докладов 2-й Американо-Восточно-Европейской конференции "Новые материалы и технологии в трибологии. НМТТ-97" Минск-Гродно-Варшава 1-5 сент. 1997. Гомель 1997. С. 96...97.

31. И.С.Гершман, Н.А.Буше, Н.В.Пенский "Особенности взаимодействия сильноточных скользящих контактов" "Новые материалы и технологии в трибологии" Тезисы докладов Советско-Американской конференции с международным участием. 6-8 октября 1992 г. Минск. С. 27 .

32. И.С.Гершман "Самоорганизация систем трения с токосъемом" Сборник докладов Международной конференции "Механика и трибология транспортных систем" - 2003, Ростов-на -Дону 2003. Т.2. С. 236...242.

33. И.С.Гершман, Н.А.Буше, А.Е.Миронов, В.А.Никифоров "Самоорганизация вторичных структур при трении" Трение и износ. 2003. Т. 24. № 3. С. 329...334.

34. И.С.Гершман "Медные сплавы" в кн. "Справочник по конструкционным материалам" под ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2005. С. 96... 141.

35. И.С.Гершман "Бронзы" в кн. "Конструкционные материалы" под ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Машиностроение.1990. С. 104...114

36. Н.А.Буше, И.С.Гершман, А.Е.Миронов, А.В.Зайчиков "Особенности самоорганизации систем трения" Межвузовский сборник научных трудов "Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования" № 3. С. 1... 15. Новомосковск 2000 г

37. N.A.Bushe, J.S.Gershman, A.E.Mironov "Processes of Self-Organizing of Tribosystem at Friction with Current Collection and without Current Collection"

Abstracts of Papers from 2nd World Tribology Congress. Sept. 03-07 Vienna 2001. pp. 68...76

38. Н.А.Буше, И.С.Гершман, Б.С.Злобин, В.В.Копытько, Т.Ф.Маркова, А.Е.Миронов, В.В .Севастьянов "Некоторые работы в области практической трибологии, получившие реализацию на железнодорожном транспорте" "Практическая трибология. Мировой опыт. Серия: Международная инженерная энциклопедия" М.: Наука и техника. 1994. Т. 2. С. 373...377.

39. Н.А.Буше, И.С.Гершман, А.Е.Миронов "Процессы самоорганизации при трении" II Международная научно-техническая конференция "Износостойкость машин" Тезисы докладов. Ч. 1. С. 4. Брянск 1996.

40. И.С.Гершман "Выбор токосъемных материалов для сильноточных скользящих контактов" Материалы международного научно-практического симпозиума Славянтрибо -5 "Наземная и аэрокосмическая трибология-2000" Санкт-Петербург 2000 г. с. 130.. .131

41. Гершман И.С. "Токосъемные углеродно-медные материалы" Вестник ВНИИЖТ, 2002, № 5. С. 15...20.

42. И.С.Гершман, Н.Н. Репников Спеченный композиционный медно-графитовый материал", Патент № 2086682,27.08.1997 г

43. И.С.Гершман, Н.Н.Репников, М.Л.Бучнев "Новые графито-медные контактные материалы" II Международная научно-техническая конференция "Износостойкость машин" Тезисы докладов, ч. 2. С, 9...10. Брянск 1996.

44. И.С.Гершман, В.А.Колягин, Н.А.Буше "Новый токосъемный материал на основе системы графит-медь для скользящих электрических контактов" Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Износостойкость машин" Брянск 1994, ч.З. С. 130.

45. И.С.Гершман, Л.М.Бучнев "Токосъемные углеродные материалы нового поколения" Вестник ВНИИЖТ 2003. № 6. С. 21 ...26.

46. Л.М.Бучнев, И.С.Гершман, С.А.Зинченко, В.Ю.Мищенко, М.И.Николин "Материал для токопроводящих контактных изделий, способ

его изготовления и изделия" Патент № 2150444 от 10.06.2000 г. Приоритет 20.05.1998 г.

47. М.В.Астахов, И.С.Гершман, А.В.Овечкин, А.О.Родин, В.В.Селезнев "Каталитическое действие нанокристаллических частиц никеля в процессах трения" Цветные металлы. 2005. № 11. С. 78...82

48. И.С.Гершман "Влияние дефектов упаковки на износостойкость медных сплавов" Тезисы докладов 4-й Московской научно-технической конференции "Триботехника машиностроению" Москва 1989. С. 9... 10.

49. И.С.Гершман "Совместимость материалов при трении с токосъемом" Трение и износ. 2002. Т. 23. № 5. С. 540...543.

50. Н.А.Буше, И.С.Гершман "Обеспечение качества узлов трения" Инж. журнал "Справочник" 1998. №.9. С. 40...45.

Подписано к печати 10.04.2006 г. Формат бумаги 60x90. 1/16 Объем 2,5 п.л. Заказ 48 Тираж 100 экз. Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул., д. 10

Введение

1. САМООРГАНИЗАЦИЯ ПРИ НЕОБРАТИМЫХ ПРОЦЕССАХ

1.1. Самоорганизация

1.2. Структура

1.3. Энтропия и ее основные свойства

1.4. Закон возрастания энтропии

2-й закон термодинамики)

1.5. Производство энтропии

1.6. Стационарное состояние

1.7. Состояние с минимальным производством энтропии (теорема Пригожина)

1.8. Принцип Ле-Шателье

1.9. Устойчивость

1.10. Термодинамическая устойчивость равновесных состояний

1.11. Устойчивость систем, далеких от равновесия

1.12. Самоорганизация.

Диссипативные структуры

1.13. Локальное равновесие

2. САМООРГАНИЗАЦИЯ ПРИ ТРЕНИИ

2.1. Трение и неравновесная термодинамика

2.2.Трибосистема - открытая термодинамическая система

2.3. Термодинамическое обоснование существования вторичных структур

2.4. Появление вторичных структур как процесс самоорганизации

2.5. Термодинамика вторичных структур 5 О

2.6. Стационарное состояние трибосистемы с токосъемом Смазывающее действие тока

3. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ ТРЕНИЯ

С ТОКОСЪЕМОМ

3.1. Неустойчивость системы трения

3.2. Применение положений об устойчивости к системам трения с токосъемом

3.3. Экспериментальное наблюдение неустойчивости системы трения с токосъемом

3.4. Механизмы потери устойчивости при изменении тока

3.5. Возможная потеря устойчивости системы трения с токосъемом при изменении нагрузки

3.6. Исследование изменения контактного сопротивления с током при скольжении

4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР

НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТРЕНИЯ

4.1. Вторичные структуры и износостойкость

4.2. Свойства токосъемных материалов и их износостойкость

4.3. Методы исследований состава вторичных структур

4.3.1. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

4.3.2. Метод электронной оже-спектроскопии

4.3.3. Метод вторичной нейтральной масс-спектроскопии

4.3.4. Образцы. Методика эксперимента

5. ГРАФИТО - МЕДНЫЕ ТОКОСЪЕМНЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

5.1. Токо съемные материалы

5.2. Обеспечение смачивания графита медью

5.3. Свойства графито-медных композиционных материалов из модифицированного графита

5.4. Повышение прочностных характеристик графито-медных материалов

5.5. Зависимость свойств графито-медных материалов от температуры нагрева 15 О

5.6. Износостойкость графито-медного материала

5.7. Эксплуатационные испытания графито-медных токосъемных материалов

6. ТОКОСЪЕМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА

БЕЗ МЕТАЛЛА

6.1. Схватывание графито-медных материалов с медью

6.2. Выбор материала вставок

6.3. Выбор размера чешуек природного графита

6.4. Влияние пропитки пироуглеродом на структуру графитовых заготовок

6.5. Эксплуатационные испытания токосъемных материалов на основе природного графита

6.6. Испытания вставок на потерю объема при дуговом воздействии

6.7. Влияние катализатора на износостойкость скользящих электрических контактов

6.7.1. Влияние подачи в скользящий электрический контакт С02 на интенсивность изнашивания токосъемного материала

6.7.2. Влияние катализатора на износостойкость скользящих электрических контактов

7. СОВМЕСТИМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ТОКОСЪЕМНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОДНОМ УЧАСТКЕ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

7.1. Состояние вопроса

7.2. Проблема совместимости с точки зрения самоорганизации

7.3. Совместимость токосъемных материалов вставок типа «Б» из искусственного графита и металлических композиционных вставок ВЖ-ЗП

7.4. Совместимость токосъемных материалов на основе природного графита и металлических композиционных вставок ВЖ-ЗП

Под совместимостью материалов трибосистем понимают способность обеспечивать оптимальное состояние в заданном диапазоне условий работы по выбранным критериям.

При хорошей совместимости элементы трибосистемы достаточно быстро приспосабливаются друг к другу, однако, сложность состоит в том, что, желаемое оптимальное состояние системы определяется в зависимости от ее предназначения и условий работы.

Например:

- в тормозных системах - это обеспечение высокого стабильного коэффициента трения при незначительном износе;

- в подшипниках скольжения - это длительная работа без усталостных повреждений при незначительном износе;

- в скользящих электрических контактах - это обеспечение стабильного токосъема при незначительном износе.

Таким образом, каждой системе и режиму трения присущи свои особенности совместимости, которые к тому же зависят и от эксплуатационных требований и от задач, которые стоят перед данной системой трения.

Однако, задачи и особенности у каждой трибосистемы разные. В связи с этим необходимо выделить нечто общее, что есть у всех трибосистем.

Из приведенных примеров видно, что все системы трения характеризуются износом. Износ может меняться в широких пределах, протекать по различным механизмам, но он является атрибутом трения в любых трибосисте-мах. По мнению B.Klamecki износ - это фундаментальная характеристика трения.

То же самое по мнению того же B.Klamecki, а также Б.И.Костецкого,

Л.И.Бершадского и др. можно сказать и об образовании вторичных структур или явлении структурной приспосабливаемости при трении. Стабилизация параметров трения в процессе приработки сопровождается образованием и стабилизацией состава вторичных структур. В 70-х годах Л.И.Бершадский сформулировал принцип диссипативной гетерогенности, согласно которому система трения стремится сосредоточить все виды взаимодействия в тонких поверхностных слоях трущихся тел. Таким образом, вторичные структуры осуществляют защитные функции, ограничивая распространение взаимодействия внутри трущихся тел, и препятствуют их непосредственному контакту

Большая часть энергии трения аккумулируется во вторичных структурах. Т.е. вторичные структуры - это устойчивая зона преимущественного рассеяния энергии.

Поскольку износ и образование вторичных структур, согласно B.Klamecki, это фундаментальные процессы, присущие любой паре трения, то его, по-видимому, можно рассмотреть с позиций фундаментальных законов природы. При трении происходит превращение энергии, поэтому естественно было бы рассмотреть его с позиций термодинамики. Учитывая, что трение - сугубо неравновесный процесс, в настоящей работе оно будет рассматриваться с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации.

В качестве приложения выбрана система сильноточных скользящих электрических контактов, т. к. в ней действует два очевидных независимых источника диссипации энергии: трение и прохождение электрического тока. Процессы трения с токосъемом выбраны в качестве примера не только из-за их распространенности и важности (электродвигатели, генераторы, токосъем транспорта и т.д.). С точки зрения самоорганизации трение с токосъемом интересно тем, что в системе действуют два независимых контролируемых процесса: трение и прохождение через контакт электрического тока. В других трибосистемах, как и в трибосистеме с токосъемом кроме трения всегда существует физико-химическое взаимодействие со средой, контртелом и смазкой. Однако, физико-химическое взаимодействие - не контролируемый процесс. В зависимости от состояния и внешних условий система сама «выбирает» виды физико-химического взаимодействия. В трибосистеме с токосъемом контролируются параметры трения (усилие нажатия, скорость скольжения, измеряется коэффициент трения) и параметры токосъема (ток, измеряется контактное напряжение) независимо друг от друга.

Большой интерес представляет взаимодействие этих процессов. Процессы прохождения тока, теплопроводности, химического взаимодействия, механические напряжения описываются тензорами с рангами различной четности. Поэтому эти процессы могут взаимодействовать в состоянии далеком от равновесия, т.е. в области нелинейных соотношений между термодинамическими силами и потоками. В линейной области взаимодействие между ними может отсутствовать.

Цель настоящей работы - Разработка принципов рационального выбора износостойких материалов с использованием описания процессов трения и изнашивания с позиций неравновесной термодинамики и самоорганизации. Разработка износостойких токосъемных материалов для электрифицированного транспорта на основе результатов исследования неравновесных процессов на поверхностях трения.

Научная новизна.

1. Предложен принцип выбора износостойких материалов на основе методов неравновесной термодинамики и самоорганизации.

2. Образование ВС при трении рассмотрено как процесс самоорганизации.

3. Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что неравновесные процессы на поверхностях трения приводят к уменьшению интенсивности изнашивания.

4. На основе условия устойчивости стационарного состояния с минимальным производством энтропии получено и экспериментально подтверждено аналитическое выражение для эффекта смазывающего действия тока. Появление этого эффекта соответствует образованию диссипативных структур.

5. Установлен критерий возможной потери термодинамической устойчивости трибосистемы с токосъемом.

6. Показана ведущая роль углерода в прохождении неравновесных химических реакций на поверхности трения с токосъемом.

Практическая ценность.

Разработана методика выбора токосъемных материалов на основе исследования ВС контактных проводов. В качестве основы для новых токосъемных материалов выбран природный графит. Созданы новые графито-медные материалы, в которых медь надежно смачивает графит, самопроизвольно растекаясь по нему. Разработан и изготовлен новый графито-углеродный токо-съемный материал без металлических составляющих. Удельное электрическое сопротивление (УЭС) разработанного материала не уступает УЭС известных углеродно-медных материалов. Лабораторные и эксплуатационные испытания показали, что материал не теряет триботехнические свойства при высоких токовых нагрузках. Дугостойкость нового материала значительно выше дугостойкости известных токосъемных материалов. Показано, что совместная эксплуатация металлокерамических и угольных вставок может привести к значительному повышению интенсивности изнашивания контактного провода.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

Международной научной конференции «Трение, износ и смазочные материалы» Ташкент. 1985 г.;

Всесоюзная научная конференция «Износ в машинах и методы защиты от него» Брянск 1985 г.;

Всесоюзная конференция «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов». Юрмала 1987 г.,

3-я Московская научно-техническая конференция «Триботехника машиностроению» Москва 1987г.;

Всесоюзная научно-техническая конференция «Современные проблемы технологии» Николаев 1988 г.;

4-я Московская научно-техническая конференция «Триботехника машиностроению» Москва 1989г.;

Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы синергетики» Уфа 1989 г.;

Советско-Американская конференция «Новые материалы и технологии в трибологии» Минск 1992 г.;

Международная научно-техническая конференция «Износостойкость машин» Брянск 1994 г.;

2-я Международная конференция «Износостойкость машин» Брянск 1996 г.;

2-я Американо-Восточно-Европейская коеференция «Новые материалы и технологии в трибологии» Минск-Гродно-Варшава 1997г.;

Международный научно-практический симпозиум Славянтрибо-5 «Наземная и аэрокосмическая трибология» Санкт-Петербург 2000 г.;

2-nd World Tribology Congress. Vienna 2001г.;

1-я Евразийская научно-практическая конференция «Прочность неоднородных структур» Москва 2002 г.;

European Congress on Advanced Materials and Processes "Materials Week" Munich 2002 г.;

Международный конгресс «Механика и трибология транспортных систем» Ростов-на-Дону 2003 г.;

Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения» Волгоград 2004 г.;

4-й Междисциплинарный симпозиум «Фракталы и прикладная синергетика» 2005 г. Москва.

World Tribology Congress III. 2005 Washington

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 50 работ.

17. Результаты работы использованы при производстве токосъемных материалов на основе углерода на ООО «Электрод Сервис», ООО «Евро-Импекс», ОАО «Новочеркасский электродный завод».

1. Acad. Roy.Belg., Bull. Classe Sci., 1945, v.31, p.600.

2. И.С.Гершман, Н.А.Буше «Самоорганизация структур в трущихся телах» Тезисы докладов Всес. Научно-техн. Конф. «Проблемы синергетики». Уфа (1989), 86.87.

3. И.С.Гершман, Н.А.Буше «Реализация диссипативной самоорганизации поверхностей трения в трибосистемах» Трение и износ. 1995. Т. 16. № 1. , С. 61.70.

4. В. Эбелинг «Образование структур при необратимых процессах» М.: Мир, 1979.

5. Гленсдорф П., Пригожин И. «Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации» М.: Мир, 1973.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Статистическая физика» М.: Наука, 1976

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Квантовая механика» М.: Наука, 1974.

8. Мюнстер А. «Химическая термодинамика» М.: Мир, 1971.

9. Пригожин И. «Введение в термодинамику необратимых процессов» М.: Изд-во иностр. литературы, 1960.

10. Onsager L. "Phys. Rev., 37, 405, 1931; 38, 2265 (1931)

11. Николис Г., Пригожин И. «Самоорганизация в неравновесных системах» М.: Мир, 1979.

12. Bertalanffy L., "Biophysik des Fliessgleichgewichtes, Braunschweig, 1953.

13. С. Де Гроот, П. Мазур «Неравновесная термодинамика». М.: Мир. 1964.

14. Парс Л.А. «Аналитическая динамика» М.: Наука, 1971.

15. Пригожин И. «От существующего к возникающему» М.: Наука 1985.

16. Арнольд В.И. «Теория катастроф» М.: Наука, 1990.

17. И.Пригожин, Р.Дефей "Химическая термодинамика" Новосибирск, Наука, 1966.

18. Жуховицкий А.А, Шварцман JT.A. «Физическая химия» М.: Металлургия, 1987.

19. P.Glansdorff, I.Prigogine "Thermodynamic theory of structure, stability and fluctuations" London: Wiley Interscience. 1970.

20. И.К.Кудрявцев «Химические нестабильности» М.:Изд-во МГУ, 1987.

21. И.Пригожин, И.Стенгерс «Порядок из хаоса», М.: Прогресс, 1986.

22. И.Пригожин, И.Стенгерс "Время, хаос, квант", М.: УРСС, 2000.

23. Ю.Л.Климонтович "Турбулентное движение и структура хаоса", М.: Наука, 1990.

24. В.С.Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж.Бунин, А.А.Оксогоев "Синергетика и фракталы в материаловедении", М.: Наука, 1994.

25. Дьярмати И. "Неравновесная термодинамика" М.: Мир, 1974.

26. И.П.Базаров, Э.В.Геворкян, П.Н.Николаев "Неравновесная термодинамика и физическая кинетика" М.: Изд-во МГУ, 1989.

27. Циглер Г. "Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов и механики сплошной среды" М.: Мир, 1966.

28. В.Эбелинг, А.Энгель, Р.Файстель «Физика процессов эволюции» М.: УРСС, 2001.

29. Стратонович P.JI. «Нелинейная термодинамика необратимых процессов» М.: Наука, 1985.

30. Chandrasekhar S. Hydrodynamic and hydromagnetic stability.-Oxford: Clarendon, 1961.

31. R. Kapral and K.Showalter, eds. "Chemical Waves and Patterns" Newton, Mass.: Kluwer, 1995.

32. Жаботинский A.M. "Концентрационные колебания" M.: Наука, 1974.

33. И.Пригожин "Конец определенности" Ижевск: РХД, 2000.

34. J.Chanau and R.Lefever "Inhomogeneous Phases and Pattern Formation" Physica A213, 1-2, North Holland 1995.

35. Turing A.M. "Phil. Trans. Roy. Soc. London. Ser. B, 237, 37, 1952.

36. De Donder Т., Van Rysselberghe P. "Affinity"- Menlo Park, Calif.: Stanford University Press, 1967.

37. Glansdorff P., Nicolis G., Prigogine I. Proc. Nat. Acad. Sci. (USA), 71, 197, 1974.

38. Климонтович Ю.Л. «Проблемы статистической теории открытых систем: критерии относительной степени упорядоченности состояний в процессе самоорганизации». УФН. 1989. Т. 158. С.59.

39. Климонтович Ю.Л. «Определение сравнительной степени упорядоченности состояний открытых систем на основе S-теоремы по экспериментальным данным» Письма в ЖТФ, 1988. Т. 14. С. 631.

40. С.Р. де Гроот «Термодинамика необратимых процессов» М.: Гостех-издат, 1956.

41. Lampinen M.J. "A Problem of the Principle of Minimum Entropy Production" J. Non-Equilibrium Thermodynamics" 1990. V. 15. № 4, p. 397. .402.

42. Kondepudi D.V. "Remarks on the validity of the theorem of minimum entropy production" PhisicaA. 1988. 154, № 1, p. 204.206.

43. Д.Кристиан "Теория превращений в металлах и сплавах" М.: Мир.1979.

44. М.А.Штремель "Прочность сплавов" ч.2. М.:МИСиС. 1997.

45. B.E.Klamecki "An entropy-based model of plastic deformation energy dissipation in sliding" "Wear" v.96, № 3, 1984, pp. 319.329.

46. B.E.Klamecki "Energy dissipation in sliding" "Wear" v.77, № 3, 1982, pp. 115.128.

47. B.E.Klamecki "Wear entropy production model" "Wear" v.58, № 2,1980, pp. 325.330.

48. B.E.Klamecki "A thermodynamic model of friction" "Wear" v.63, № 1, 1980,pp. 113.120.

49. Л.И.Бершадский «Структурная термодинамика трибосистем» Киев: Знание, 1990.

50. Л.И.Бершадский « Информационная модель необратимых процессов» ДАН УССР. 1978, №5. С. 416.419.

51. Костецкий Б.И., Носовский М.Г., Бершадский Л.И. «Поверхностная прочность материалов при трении» Киев: Техника, 1976.

52. I.I.Garbar, J.V.Skorinin "Metal surface layer structure formation under sliding friction", Wear, 51, 1978, pp. 327.336.

53. S.L.Rice, H.Novotny, S.F.Wayne "Characteristics of metallic subsurface zones in sliding and impact wear" in "Proc. Int. Conf. On Wear of materials". San Francisco, CA, March 30, April 1, 1981, ASME, New York, 1981, pp. 47.52.

54. D.A.Rigney and J.P.Mirth "Plastic deformation and sliding friction of metals" Wear, 53 (1979), 345.370.

55. PMeilman and D.A.Rigney "An energy based model of friction and its application to coated systems", Wear, 72, (1981), 195.217.

56. В.С.Иванова, Н.А.Буше, И.С.Гершман «Структурная приспосабли-ваемость при трении как процесс самоорганизации» Трение и износ. 1997. Т. 18. № 1. С.74.79,.

57. Г. Хайнике "Трибохимия" М.: Мир, 1987.

58. A. Zmitrowicz "A Thermodynamical model of contact, friction and wear: 1", Wear, 114 (1987), 135. 168.

59. A. Zmitrowicz "A Thermodynamical model of contact, friction and wear: 11", Wear, 114(1987), 169.202.

60. A. Zmitrowicz "A Thermodynamical model of contact, friction and wear: 111", Wear, 114 (1987), 203.227.

61. Б.И.Семенов, А.Б.Семенов, Е.В.Игнатова «Зарождение и эволюция самоорганизующихся структур алюмоматричный композит накладка тормоза» Материаловедение, 2000 г, № 3. С. 27.34.

62. Гарбар И.И. "Кинетика развития дислокационной структуры меди в процессе трения" Трение и износ. 1982. Т. 3. № 5. С. 880.889.

63. В.В .Рыбин «Большие пластические деформации и разрушение металлов» М.: Металлургия, 1986.

64. J1.C. Заманский "Критерий технологической совместимости конструкционных и смазочных материалов» Киев: Знание, 1988.

65. В.В. Кончиц «Фрикционное взаимодействие и токопрохождение в скользящем электрическом контакте композита с металлом» Трение и износ. 1984. Т.5. №1. С. 59.67.

66. Нейкирхен И. «Угольные щетки и причины непостоянства условий коммутации машин постоянного тока» М.-Л.: ОНТИ. 1937.

67. Van Brunt С., Svage R.H. "Carbon-Brush Contact Films" General Electric Review. 1944, v.47, 7, p. 17.38.

68. И.С.Гершман Рассмотрение поведения трибосистем с использованием положений термодинамики необратимых процессов» Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» Брянск 1994. 4.1. С. 36.

69. Н.А.Буше, И.С.Гершман «Физические концепции совместимости трибосистем» Трение и износ. 1998. Т. 19. № 1. С. 141.

70. J.S.Gershman, N.A.Bushe "Thin films and self-organization during friction under the current collection conditions" Surface & Coating Technology. 186 (2004), 405.411.

71. И.С.Гершман, Н.А.Буше «Неустойчивость трибосистемы с токосъемом в процессе самоорганизации» Трение и износ. 1999. Т. 20. № 6. С. 623. 629.

72. Берент В.Я., Гершман И.С. "Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 3. Механизмы появления, роста и разрушения вторичных структур» Трение и износ. 1990. Т. И. № 1. С. 85.92.

73. Оше Е.К., Зимина Т.Ю. «Исследование процессов дефектообразова-ния в поверхностных оксидах при высокотемпературном окислении меди» Защита металлов. XIX (1983). № 5. С. 745.750.

74. Берент В.Я., Гершман И.С., Зайчиков А.В. Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 2. Электрические свойства вторичных структур. Трение и износ. 1989. Т. 10. № 6. С. 1019. 1025.

75. Гершман И.С., Пенский Н.В. Исследование закономерностей образования вторичных структур в условиях трения с токосъемом. Трение и износ. 1995. Т. 16. № 1.С. 126.131.

76. Горский В.В. Масштабный скачок и формирование аморфиокристал-лических сплавов в явлении структурной приспосабливаемости металлов при трении в активных средах. Трение и износ. 1993 Т. 14. № 1 С. 34.41.

77. Гершман И.С., Буше Н.А., Берент В.Я. Термодинамические аспекты существования устойчивых вторичных структур на поверхностях сильноточных скользящих контактов. Трение и износ. 1989. Т. 10. № 2. С. 225.232

78. Купцов Ю.Е. Увеличение срока службы контактного провода. М.: Транспорт (1972).

79. А.А.Аксенов, И.С.Гершман, Д.В.Кудашов, А.С.Просвиряков, В.К.Портной «Способ изготовления композиционного материала на основе меди и композиционный материал, изготовленный этим способом» Пат. № 2202642 от 20.04.2003 г.

80. А.А.Аксенов, А.С.Просвиряков, Д.В.Кудашов, И.С.Гершман "Структура и свойства композиционных материалов на основе системы Cu-Cr, полученных методом механического легирования" Известия вузов. Цветная металлургия. № 6, 2004, С.39.46.

81. Hwang В.Н., Singh В., Vook R.W., Zhang I. "In Situ Auger Electron Spectroscopy Characterization of Wet C02 Lubricated Sliding Copper Electrical Contacts" Wear, 1982, v.78, p. 7. 17

82. Singh В., Zhang I., Hwang B.H., Vook R.W. "Microstructural Characterisation of Rotating Cu-Cu Electrical Contacts in Vacuum and Wet C02 Environments." Wear, 1982, v.78, p. 17.28

83. Chang Y.J., Kyhlmann-Wilsdorf D. "Effects of ambient gases on frictionand interfacial resistance" Trans. ASME J. Tribology, 1988. 110, № 3. p. 508.515.-220

84. Pope L.E., Peebles D.E. "Gaseous contaminants modify the friction and wear response of precious metal electrical contact alloys" IEEE Trans. Compon., Hybrids, and Manuf. Technol. 1988, 11, № 1, p. 124.133.

85. Ю.А.Карпенко, И.С.Гершман, Н.А.Буше, Е.В.Чернина, В.Г.Камчатный, Н.Н.Шемякин, Н.В.Пенский «Методика проведения испытаний на трение со сверхзвуковыми скоростями» Трение и износ. 1994. Т. 15, № 1.С. 71.77.

86. И.С.Гершман, С.М.Трушевский, А.В.Шумицкий «Роль углерода в самоорганизации процесса изнашивания сильноточных скользящих электрических контактов» Трение и износ. 2000. Т. 21. № 5. С. 520. .523

87. Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия, 1979.

88. J.S.Gershman, N.A.Bushe, A.E.Mironov "Self-Organizing at Friction and Development of Wearproof Materials" Proceedings of WTC 2005 World Tribology Congress III. September 12-16 2005 Washington D.C. USA, WTC 2005-63889

89. И.С.Гершман «Выбор износостойких материалов с учетом процессов самоорганизации» Труды 4-го Междисциплинарного симпозиума «Фракталы и прикладная синергетика» 14-17 ноября 2005 г. РАН ИМЕТ. Москва. Интерконтакт. Наука 2005. С. 269.270

90. В.Я.Берент, И.С.Гершман «Методика выбора материалов для сильноточных скользящих контактов» Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции «Современные проблемы триботехнологии» 1988. Николаев. С. 159.

91. В.Я.Берент, И.С.Гершман «Новое в методике выбора контактных материалов для сильноточных скользящих контактов» В кн. «Скользящие элек-221 трические контакты» Сб. научных трудов. ч.2. М.: Радио и связь. 1989. С. 36.37.

92. ГОСТ 14692-78 «Вставки угольные контактные для токоприемников электроподвижного состава»

93. ТУ 32ЦТ-2041-97 «Пластины контактные в монослойном и биметаллическом исполнении из порошкового материала, пропитанные сплавом Pb-Sn-Zn (СОЦ). 1997 г.

94. В.Я.Берент, И.С.Гершман «Вторичные структуры на поверхностях сильноточных скользящих контактов. 1. Строение и состав» Трение и износ. 1989. Т. 10. №4. С. 687.692.

95. В.Я.Берент, И.С.Гершман, А.В.Зайчиков, В.В.Бельдей «Состав и строение поверхностных слоев контактных проводов, работавших в паре с различными токосъемными элементами» Вестник ВНИИЖТ. 1985. № 3. С. 28.31.

96. В.Я.Берент, И.С.Гершман, А.В.Зайчиков, В.В.Бельдей «Особенности взаимодействия контактного провода с токосъемными элементами токоприемника» Вестник ВНИИЖТ 1985. № 7. С. 13. 16.

97. Праттон М. «Введение в физику поверхности» Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000 г.

98. Slegbann К. "ESCA Applied to Free Moleculas" North-Holland, Amsterdam, 1969.

99. Hendrickson B.N., Hollander J.N., Jolly W.L. "Inorg. Chem." 8, 2642 (1969).

100. Нефедов В.И. «Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений» М.: Химия, 1984 г.

101. Gelius U., Heden PJ., Hedman J. Phys. Scr., 2, 70 (1970).

102. Lindberg B.J., Hedman J. "Carbon compounds" Chem. Scr. 7, 155, (1975)

103. Hercules B.H., Carver J.C. "El. Spectroscopy" 46, 133 (1974).

104. Brundle C.R., Chuang T.J., Wandeit K, "Surf. Sci." 68, 459 (1977).

105. Gaarenstroom S.W., Winograd N. "J. Chem. Phys.", 67, 3500 (1978)

106. Mcintire N.S., Sunder S. "J. Vac. Sci. Technol.", 18, 714 (1981).

107. Нефедов В.И., Черепин B.T. «Физические методы исследования поверхности твердых тел» М.: Наука 1983 г.

108. SeachB.F., Bench W.A. "Surf. Interfase. Anal." 1, 2 (1979)

109. Братусь Т.Н. Поверхность, № 9; 1982. С. 60.65.

110. И.С.Гершман «Состав поверхностных пленок сильноточных скользящих контактов» Тезисы докладов 2-й Американо-Восточно-Европейской конференции «Новые материалы и технологии в трибологии. НМТТ-97» Минск-Гродно-Варшава 1-5 сент. 1997. Гомель 1997. С. 96.97.

111. Д.Бриггс, М.П.Сих «Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии» М.: Мир, 1987.

112. Chuang T.I., Brundle C.R., Wandeit К. "An X-ray photoelectron spectroscopy study of the chemical changes in oxide and hydroxide surfaces induced by Ar+ ion bombardment" Thin Solid Films, 53 (1978) 19.27.

113. И.С.Гершман, Н.А.Буше, Н.В.Пенский «Особенности взаимодействия сильноточных скользящих контактов» «Новые материалы и технологии в трибологии» Тезисы докладов Советско-Американской конференции с международным участием. 6-8 октября 1992 г. Минск. С. 27.

114. И.С.Гершман «Самоорганизация систем трения с токосъемом» Сборник докладов Международной конференции «Механика и трибология транспортных систем» -2003, Ростов-на-Дону 2003. Т.2. С. 236.242.

115. Фиалков А.С. «Углерод. Межслоевые соединения и композиты на его основе» М.: Аспект Пресс 1997 г.

116. И.С.Гершман, Н.А.Буше, А.Е.Миронов, В.А.Никифоров «Самоорганизация вторичных структур при трении» Трение и износ. 2003. Т. 24. №3. С. 329.334.

117. И.С.Гершман «Медные сплавы» в кн. «Справочник по конструкционным материалам» под ред. Б.Н.Арзамасова, Т.В.Соловьевой. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2005. С. 96. 141.

118. И.С.Гершман «Бронзы» в кн. «Конструкционные материалы» под ред. Б.Н.Арзамасова. М.: Машиностроение. 1990. С. 104.114

119. Н.А.Буше, И.С.Гершман, А.Е.Миронов, А.В.Зайчиков «Особенности самоорганизации систем трения» Межвузовский сборник научных трудов «Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования» вып. № 3. С. 1.15. Новомосковск 2000 г

120. N.A.Bushe, J.S.Gershman, A.E.Mironov "Processes of Self-Organizing of Tribosystem at Friction with Current Collection and without Current Collection" Abstracts of Papers from 2nd World Tribology Congress. Sept. 03-07 Vienna 2001. pp. 68.76

121. Волченков A.B., Соколов Б.Н., Зелинский B.B., Н.А.Буше «Улучшенные режимы обкатки дизелей» Железнодорожный транспорт. 1989. № 7. С. 17.21.

122. Н.А.Буше, И.С.Гершман, А.Е.Миронов «Процессы самоорганизации при трении» II Международная научно-техническая конференция «Износостойкость машин» Тезисы докладов, ч. 1. С. 4. Брянск 1996.

123. И.С.Гершман «Выбор токосъемных материалов для сильноточных скользящих контактов» Материалы международного научно-практическогосимпозиума Славянтрибо -5 «Наземная и аэрокосмическая трибология-2000» Санкт-Петербург2000 г. С. 130. 131

124. S.Aoki, K.Fukuhara "Effect of Material Combination of Metallic Contact Strip and Contact Wire on Wear Characteristics" Quorterly Report of RTRI, vol. 38, No 2, Jun. 1997pp. 82.88.

125. S.Kubo, H.Tsuchiya, J.Ikeuchi "Wear Properties of Metal/Carbon Composite Pantograph Sliders for Conventional Electric Vehicles" Quorterly Report of RTRI, vol. 38, No 1, Mar. 1997 pp. 25.30.

126. P.E.Mc Elligott "The combined effects of contact force and sliding speed on carbon brush wear" G.E. (USA) Rep. 72, CRD 134, 1972.

127. P.W. Kendall, I.R. Mc Nab, G.A.Wilkin "Recent development in current collection" Phys. Technol. (1975) pp. 117. 126

128. D.Tabor "Wear a critical synoptic view" Proc. Int. Conf. on Wear of Materials, St Louis, MO, April 25.28 1977. American Society of Mechanical Engineers, New York, 1977, pp. 1. 11.

129. D.Klapas "Simulation of Wear in Overhead Current Collection Systems" Rev. Sci. Instrum. 56 (1985). p. 1820. 1828.

130. R.Manigrasso, M.Bocciolone, F.Mapelli, A.Collina "Banco prova mate-riali per striscianti" IngegneriaFerroviaria. 2003. № 3. p. 295.301.

131. Гинзбург А.Г., Маханько A.M., Чичинадзе A.B. «Расчет средней температуры скользящего контакта пары контактный провод-токосъемные пластины пантографа» в кн. «Трение и износ фрикционных материалов». М.: Наука 1977 г. С. 20.26

132. Гершман И.С. «Токосъемные углеродно-медные материалы» Вестник ВНИИЖТ. 2002. № 5. С. 15.20.

133. Еременко В.Н., Леснин Н.Д. В кн. «Поверхностные явления в металлах и сплавах и их роль в порошковой металлургии» АН УССР, 1961. С. 155.177.

134. Лившиц П.С. «Скользящий контакт электрических машин» М.: Энергия. 1974.

135. Лившиц П.С. «Справочник по щеткам электрических машин» М.: Энергоатомиздат 1983 г.

136. Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник» под ред. Г.Г.Гнесина. М.: Металлургия. 1981.

137. Самсонов Г.В., Еременко В.Д. В кн. «Электронное строение и физические свойства твердого тела» Киев: Наукова Думка, 1972. С. 167.

138. Баре П. «Кинетика гетерогенных процессов» М.: Мир, 1976 г.

139. Okamoto Н. "C-Nb (Carbon-Niobium)" J. Phase Equilibrium" 1998, 19, № 1, p. 87.

140. Lin Hua, Shinoda Tetsumori, Mishima Yoshinao, Suzuki Tomo "Effects of alloying on the wettability of copper to carbon fibers" ISIJ International. 1989, 29, №7, p. 568.575.

141. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. Справочник. М.: Наука, 1976 г.

142. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. «Тугоплавкие соединения» М.: Металлургия, 1976 г.

143. ГОСТ 10274-79 «Графит для производства электроугольных изделий. Технические условия».

144. И.С.Гершман, Н.Н. Репников Спеченный композиционный медно-графитовый материал», Патент № 2086682, 27.08.1997 г

145. Р.Хольм «Электрические контакты» М.: Издательство Иностранной литературы. 1961.

146. И.С.Гершман, Н.Н.Репников, М.Л.Бучнев «Новые графито-медные контактные материалы» II Международная научно-техническая конференция «Износостойкость машин» Тезисы докладов, ч. 2. С. 9. 10. Брянск 1996.

147. И.С.Гершман, В.А.Колягин, Н.А.Буше «Новый токосъемный материал на основе системы графит-медь для скользящих электрических контактов» Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Износостойкость машин» Брянск 1994, ч.З. С. 130.

148. И.С.Гершман, Л.М.Бучнев «Токосъемные углеродные материалы нового поколения» Вестник ВНИИЖТ. 2003. № 6. С. 21.26.

149. Л.М.Бучнев, И.С.Гершман, С.А.Зинченко, В.Ю.Мищенко, М.И.Николин «Материал для токопроводящих контактных изделий, способ его изготовления и изделия» Патент № 2150444 от 10.06.2000 г. Приоритет 20.05.1998 г.

150. Ю.Е.Купцов «Беседы о токосъеме, его надежности, экономичности и о путях совершенствования» М.: Модерн-А. 2001.

151. D.C.Dixon "Development with carbons for current collection" Railway Eng. J, 2 (5) 1973, pp. 46.59.

152. M.Iwase "Current collection by the pantograph and its wear (II)" Quorterly Report ofRTRI, № 1 (3), 1960, pp. 34.57.

153. Dai Li-min, Lin Ji-Zhong, Ding Xin-hua "Zhonggua tiedao kexue" China Railway Sci., 2002, № 2, pp. 111. 117.

154. М.В.Астахов, И.С.Гершман, А.В.Овечкин, А.О.Родин, В.В.Селезнев «Каталитическое действие нанокристаллических частиц никеля в процессах трения» Цветные металлы. 2005 г. № 11. С. 78.82

155. Lu-Y, Xue J.Z., Shen S.K. "Activation of CH4, C02 and Their Reactions over Co Catalyst Studied Using a Pulsed-Flow Micro-Reactor" Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 1998, V. 64, № 2, pp. 365.371 '

156. Eremin A.V., Ziborov V.S., Shumova V.V., Voiki D., Roth P. "Formation of О (D-l) Atoms in Thermal-Decomposition of Co2" Kinetics and Catalysis, 1997, V. 38, № l,pp. 1.7

157. Ehrensberger K., Palumbo R., Larson C., Steinfeld A. "Production of Carbon from Carbon-Dioxide with Iron-Oxides and High-Temperature" Industrial & Engineering Chemistry Research, 1997, V. 36, № 3, pp. 645. .648

158. Hadden R.A., Sakakini B.H., Tabatabaei J., Waugh K.C. "Adsorption and Reaction Induced Morphological Changes of the Copper Surface of a Methanol Synthesis Catalist" Catalysis Letters, 1997. V. 44, № 3-4, pp. 145. 151

159. Wang H.Y., Au C.T. "Carbon Dioxide Reforming of Methanol to Syngas over Si02 Supported Rhodium Catalysts" Applied Catalysis A-General, 1997. V. 155, №2, pp. 239.252

160. Tsuji M., Yamamoto Т., Tamaura Y., Kodama Т., Kitayama Y. "Catalytic Acceleration for C02 Decomposition into Carbon by Rh, Pt or Ce Impregnation Onto Ni(II) Bearing Ferrite" Applied Catalysis A-General, 1996. V. 142, № 1, pp. 31.45

161. И.С.Гершман «Влияние дефектов упаковки на износостойкость медных сплавов» Тезисы докладов 4-й Московской научно-технической конференции «Триботехника машиностроению» Москва 1989. С. 9.10.

162. И.С.Гершман «Совместимость материалов при трении с токосъемом» Трение и износ. 2002 г. Т. 23. № 5. С. 540.543.

163. Н.А.Буше, И.С.Гершман «Обеспечение качества узлов трения» Инж. журнал «Справочник» 1998. №.9. С. 40.45.