Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка технологий создания многослойных токоведущих систем для транспорта электроэнергии

Докладчик: Ненашев Максим Владимирович

Должность: Проректор по НР ГОУ ВПО Сам ГТУ, зам. зав. кафедрой ТТХВ по НР

Цель проекта:
Целью выполнения ПНИ является разработка технологии изготовления электрических контактных элементов для уменьшения себестоимости комплектных распределительных устройств (КРУ). Перечень научных и научно-технических результатов, подлежащих получению при выполнении ПНИ: 1. Промежуточные и заключительный отчёты по результатам работ, выполненных в рамках ПНИ. 2. Отчёт о патентных исследованиях, в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 по направлению: методы нанесения многослойных покрытий на контактные элементы, входящие в конструкции токопроводов (период проведения патентного поиска с 2009 по 2014 год). 3. Методика нанесения многослойных покрытий газотермическим методом на контактные элементы. 4. Методика нанесения многослойных покрытий методом электрохимического осаждения на контактные элементы. 5. Рекомендации по применению метода газотермического нанесения многослойных покрытий на контактные элементы. 6. Рекомендации по применению метода электрохимического осаждения многослойных покрытий на контактные элементы. 7. Рекомендации по внедрению, разработанных многослойных покрытий на контактные элементы. 8. Лабораторный регламент технологии нанесения многослойных электропроводящих покрытий на контактные элементы. 9. Программа и методика предварительных испытаний на износостойкость и электропроводность опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием. 10. Программа и методика приемочных испытаний на износостойкость и электропроводность опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием. 11. Опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием. 12. Рабочая -конструкторская документация на опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием. 13. Бизнес-план по внедрению технологий нанесения многослойных электропроводных покрытий, позволяющих заменить медные контактные элементы и на алюминиевые. 14. Маркетинговые исследования возможности коммерциализации разработанных технологий нанесения многослойных электропроводных покрытий, позволяющих заменить медные контактные элементы и на алюминиевые.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ:
1. Должны быть выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 на глубину не менее 5 лет по направлению: методы нанесения многослойных покрытий на контактные элементы, входящие в конструкции токопроводов (период проведения патентного поиска с 2009 по 2014 год).
2. Должен быть выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе, обзор научных информационных источников за последние пять лет, результатом которого должен являться перечень технологий, обеспечивающих получение контактного элемента с многослойным покрытием, входящих в конструкцию КРУ и токопроводов, в частности, алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие, и их предварительное сравнение по критериям функциональности, эксплуатационным показателям и стоимости. Должны быть использованы статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 гг.
3. Должны быть разработаны основы технологии изготовления контактного элемента с многослойным покрытием со структурой алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие, входящих в конструкцию КРУ и токопроводов.
4. Должны быть разработаны предложения и рекомендации по применению метода газотермического напыления при изготовлении контактного элемента с многослойным покрытием.
5. Должны быть разработаны предложения и рекомендации по применению метода электрохимического осаждения при изготовлении контактного элемента с многослойным покрытием.
6. Должны быть представлены рекомендации по внедрению, разработанных контактных элементов с многослойным покрытием, для объектов энергетики.
7. Должна быть выполнена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
8. Должны быть разработаны программа и методика предварительных испытаний на износостойкость и электропроводность опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием.
3.9. Должны быть разработаны программа и методика приемочных испытаний на износостойкость и электропроводность опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием в лабораториях СамГТУ.
10. Должен быть изготовлен опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием со структурой алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие.
11. Должны быть проведены предварительные испытания опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием на износостойкость и электропроводность в лабораториях СамГТУ.
12. Должны быть проведены приемочные испытания опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием на износостойкость и электропроводность в лабораториях СамГТУ.
13. Должна быть разработана рабочая конструкторская документация на опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием, включающая схему установки его в комплектное распределительное устройство.
14. Должен быть разработан бизнес-план по внедрению технологий нанесения многослойных электропроводных покрытий, позволяющих заменить медные контактные элементы на алюминиевые.
15. Должны быть проведены маркетинговые исследования возможности коммерциализации разработанных технологий нанесения многослойных электропроводных покрытий, позволяющих заменить медные контактные элементы на алюминиевые.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Требования по назначению и к техническим характеристикам научно-технических результатов:
1. Опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием токопровода со структурой алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие должен использоваться в качестве стержневой части втычного соединения ячеек комплектных распределительных устройств (КРУ);
2. Опытный образец контактного элемента с многослойным покрытием со структурой: алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие, входящий в конструкцию комплектного распределительного устройства, в качестве стержневой части втычного соединения, должен обеспечивать поступление потребителю тока со следующими эксплуатационные характеристиками:
- Номинальный ток, А = 1600 – 2500;
- Стойкость, кА = 51 – 128;
- Термическая, трёх секундная, кА = 20 – 67;
- Потери мощности 1 м.п. ток-да, кВт/м, не более 0,38 – 069;
3. Износостойкость опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием должна составлять не менее 500 циклов включения – отключения;
4. Внедрение опытного образца контактного элемента с многослойным покрытием со структурой алюминиевая основа – медный подслой – серебряное покрытие в составе КРУ должно обеспечить двукратное снижение себестоимости токопровода за счет замены медных шин на алюминиевые при сохранении эксплуатационных параметров;

Текущие результаты проекта:
Работы выполненные за отчетный период:
1. Проведен аналитический обзор научно-технической, литературы, результатом которого являться перечень технологий, обеспечивающих возможность получение функциональных покрытий и их сравнительный анализ по критериям качественных показателей;
2. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96 (с 2009 по 2012 гг.) по направлению: способы изготовления контактного элемента с многослойным покрытием, входящего в конструкцию токопроводов;
3. Выполнены экспериментальные исследования, связанные с определением рационального значения коэффициента заполнения ствола, обеспечивающего формирование поверхностного слоя электрических контактов. Определены зависимости пористости формируемого материала рабочей части контактного элемента от коэффициента заполнения ствола;
4. Приведен анализ литературных источников по перспективным направлениям совершенствования серебряных покрытий, выявлены недостатки существующих технологических процессов и технологического оборудования для электрохимического осаждения антифрикционных серебряных покрытий. Установлены закономерности влияния состава, структуры и технологических режимов электроосаждения серебряных покрытий на их физико-механические и триботехнические свойства.
Основные результаты, полученные в отчетный период.
Анализ научно-технической литературы показал, что замена медных электрических контактных элементов (ЭКЭ), использующихся в комплектно-распределительных устройствах (КРУ) на алюминиевые при сохранении функциональности имеет значительный технико-экономический эффект. Для изготовления медного подслоя перед серебрением необходима оптимизация технологических параметров формирования медного слоя на рабочей части контакта. Исследования выявили, что в настоящее время для формирования покрытий с высокими прочностными связями с основой применяют газотермические способы, в том числе, газопламенный, плазменный и детонационный способы нанесения покрытий. В основном эти способы заключаются в напылении функциональных порошковых материалов (ПМ) в установках за счет электрического нагрева ПМ или сгорания дизельного топлива с одновременным ускорением в струе сжатого воздуха. При этом, наилучшие технические характеристики покрытий (максимальные прочность и адгезия к подложкам, минимальные пористость и газопроницаемость) обеспечивает детонационный способ. Для изготовления медного подслоя детонационным способом перед серебрением необходима оптимизация технологических параметров формирования медного слоя детонационным способом на рабочей части контакта. Для контроля качества покрытий на образцах и изделиях (триботехнических испытаний, оценки прочности сцепления покрытия с основой, а также степени газонасыщения основного материала) использованы новые приборы и методики, в лаборатории наноструктурированных покрытий СамГТУ. В итоге, экспериментально исследовано влияния факторов на скорость детонационного метания частиц порошкового материала на основе меди и пористость рабочей поверхности комбинированного контакта КРУ. Получена экспериментальная зависимость средней скорости движения частиц порошка от коэффициента заполнения ствола детонационной установки газовой смесью. Установлено, что при коэффициенте заполнения ствола детонационной установки газовой смесью, равном 60 % пористость материала КО составляет 0,2 %. Установлено, что оптимальными показателями прочности сцепления с основой обладают покрытия, сформированные детонационным методом при заполнении ствола 60 % и более. Для установки с диаметром ствола 22 мм и длиной ствола 1200 мм данный коэффициент соответствует массе газовой смеси 150…200 мг.
Наиболее рациональными основными параметрами технологического процесса являются:
- применяемая взрывчатая смесь – ацетилен-кислород в соотношении 50:50
- коэффициент заполнения ствола газовой смесью – 60 %.
- расстояние от среза ствола до поверхности контактного элемента – 15 см;
- дисперсность частиц порошкового материала 20-40 мкм;
- масса единичного выстрела 3 г;
- частота выстрелов – 2 выстрела в секунду.
Одним из требований к поверхности электрических контактных элементов (ЭКЭ) с серебряным покрытием является стойкость к изнашиванию. В качестве технологии нанесения серебряного слоя использовался электрохимический метод серебрения на бесцианистом электролите с применением асимметричного тока синусоидальной формы Это позволяет получать покрытия с градиентом прочности и обеспечивает требуемые показатели износостойкости. Анализ различных работ в этом направлении, позволяет констатировать следующие преимущества электроосаждения металлов на асимметричном переменном токе: возможность нанесения покрытий при пониженных температурах; увеличение скорости электролиза и, соответственно, производительности процесса; возможность в широком интервале изменять физико-химические свойства гальванических покрытий; получение более плотных и мелкозернистых покрытий; повышение верхнего предела рабочей плотности тока; снижение внутренних напряжений в покрытии и др.
В связи с этим для нанесения серебряно-алмазных покрытий разработана автоматизированная установка для исследования процессов осаждения электрохимических покрытий на асимметричном переменном токе, позволяющая создавать покрытия с положительным градиентом механических свойств. Исследования влияния параметров асимметричного переменного тока (плотности, частоты и коэффициента асимметрии тока) на качество получаемых покрытий показали, что с повышением плотности тока происходит пропорциональное увеличение скорости осаждения покрытия и некоторое увеличение размеров зерен и снижение твердости осаждаемого покрытия. Показана возможность получения качественных осадков серебра в бесцианистом электролите на асимметричном переменном токе со скоростью осаждения до 1 мкм/мин при повышении плотности тока до 11А/дм2. Подобное влияние на свойства серебряного покрытия оказывает коэффициент асимметрии тока. Это позволяет наносить покрытия на высокой плотности тока с возможностью управления твердостью покрытия за счет изменения коэффициента асимметрии.
Одним из перспективных путей повышения качества защитных покрытий является совместное осаждение ультрадисперсных алмазов (УДА) с металлами при их химическом или электрохимическом восстановлении из водных растворов. Сравнительный анализ влияния ультрадисперсных частиц алмазов детонационного синтеза, диоксида циркония и оксида алюминия на микротвердость и скорость изнашивания серебряных покрытий показал (рис. 6), что максимальный эффект обеспечивается применением УДА. Исследования свойств серебряных покрытий, получаемых по новой разрабатываемой технологии, с покрытиями сплавами «серебро-сурьма (2%)» и «серебро-никель (5%)», показал, что серебряно-алмазное покрытие при меньшей твердости (HV 60…80 кгс/мм2) в 1,5…2 раза превышает износостойкость традиционных серебряных покрытий с сурьмой и имеет меньший коэффициент трения. Склерометрические испытания показали, что разрабатываемые покрытия имеют более высокий запас пластичности – накопленная энергия при разрушении превышает традиционные покрытия на 53%. Это указывает на то, что функциональные свойства антифрикционных антизадирных покрытий более определяются пластичностью, чем твердостью.
Установлено, что применение покрытий, наносимых по разрабатываемой технологии позволяет уменьшить трудоемкость и затраты на производство электрических контактов, сохраняя при этом противоизносные и электрические свойства электрических аппаратов, работающих в условиях высоких механических и токовых нагрузок.