Method of constructing a mathematical model of wear-resistance in potentiometer sensors

Abstract

This article highlights the method of constructing a mathematical model of wear-resistance in potentiometer sensors. Depreciation process of working surfaces is so complex that by this time there are no reliable methods of its forecasting. Tribological processes taking place during potentiometer sensor performance are complicated by electric current influence that flows through the contact surface and accelerates the process of contact surfaces wear. As a result, the mathematical model is offered, that considers the simultaneous action of tribological elastic contact, plastic deformation, microcutting and electrical erosion with constant number of performance cycles. Wear-resistance is represented as the magnitude of change in volume of the worn material depending on the shape and material of contact surfaces, contact pressure and magnitude of electric current. The model is represented in the form of dependence, interpreted by the direct equation, greatly simplifies the forecasting of wear-resistance on the basis of experimental data. Mathematical model, obtained by adding bulk models of mechanical and current wear can be used to predict durability in the design and operation of potentiometer sensors, wire potentiometers and other devices that have a similar structure and work under the current.

У статті розглядається метод побудови математичної моделі зносостійкості потенціометричних датчиків. Фізичні процеси, які відбуваються при роботі потенціометричних датчиків, мають дві основні складові – механічний рух контактуючих поверхонь ковзання одна відносно іншої та проходження струму через ці поверхні. Виходячи з цього, математична модель може бути представлена як сума моделей, які враховують ці властивості. В основу механічної складової моделі покладено вплив трибологічних процесів пружного контактування, пластичної деформації та мікрорізання. Вплив цих процесів подано через зміну об’єму зношеного матеріалу залежно від величини контактного тиску, виду деформаційних процесів у матеріалі контактів, пов’язаних з рухом, швидкістю переміщення струмознімача, коефіцієнта тертя та інших механічних факторів. Об’єм механічно зношеного матеріалу при пружному контактуванні буде пропорційним енергії тертя, а при мікрорізанні матеріалу – енергії сил зрізу. Таким чином, для оцінювання механічного зносу використано енергетичну модель, запропоновану Герцем. При проходженні струму через контактуючі поверхні виникають процеси нагрівання, розплавлення і перенесення металу з одного контакту на інший, що зумовлює прискорення процесу зносу контактуючих поверхонь. Комутація контактами малопотужних ланцюгів з активним навантаженням супроводжується ерозійними явищами, що викликаються утворенням розплавлених містків у зоні контактування в певні моменти руху контактів. Електрична ерозія контактів залежить від великої кількості різних електричних і термічних явищ, які відбуваються на поверхні контактів і в контактному проміжку, що визначають не тільки характер перенесення, але й його величину і напрямок. Незважаючи на складність залежності ерозії від параметрів електричного кола, матеріалу контактів і властивостей середовища, визначальний вплив на величину і знак ерозійного перенесення має величина комутуючого струму. Контакти, які комутують струми в потенціометричних датчиках, є малопотужними. В цьому випадку ерозія контактів відбувається в результаті утворення містків та імпульсних низьковольтних розрядів. Основним фактором впливу на об’єм зносу малопотужних ковзних контактів потенціометричних датчиків під струмом при постійній кількості циклів напрацювання є місткова ерозія. Об’єм зношеного матеріалу при містковій ерозії представлений через величину струму та коефіцієнти, які залежить від матеріалу контактів і показника ступеня впливу струму. Математична модель, отримана шляхом додавання об’ємних моделей механічного та струмового зносу та спрощена шляхом об’єднання подібних параметрів, може бути використана для прогнозування зносостійкості при проектуванні й експлуатації потенціометричних датчиків, дротяних потенціометрів та інших приладів, які мають схожу структуру та працюють під струмом