Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Критический анализ исследований коммутации и скользящих контактов коллекторных электрических машин 13
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования коммутации машин постоянного тока и способы ее улучшения. 13
1.2. Исследования электрофизических свойств скользящего контакта на установках и реальных машинах . 30
1.3. Математические и физические модели коллекторно-щеточного узла. 38
1.4. Выводы. 47
Глава 2. Новая модель механизмов токопрохождения в контактном слое коллекторных машин постоянного тока на основе теории протекания 49
2.1. Краткое описание основных положений теории протекания. 49
2.2. Модель механического контактирования щетка-коллектор . 55
2.3. Механизмы токопрохождения локально однородных фаз контактного слоя. 82
2.4. Механизмы токопрохождения сильно неоднородных фаз контактного слоя. 96
2.5. Общая модель и схема замещения скользящего контакта коллекторных электрических машин. 115
2.6. Выводы. 121
Глава 3. Экспериментальные исследования электрофизических свойств скользящего контакта 122
3.1. Установки и методы исследования скользящего контакта. 122
3.2. Статические вольтамперные характеристики. 129
3.3. Исследования динамических свойств скользящего контакта. 145
3.4. Выводы. 156
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования процесса коммутации коллекторных электрических машин 158
4.1. Математическая модель процесса коммутации машин постоянного тока. 158
4.2. Геометрические особенности обмоток машин постоянного тока и автоматизация процесса построения математической модели коммутации на ЭВМ . 166
4.3. Математическое моделирование процесса коммутации коллекторных электрических машин и выработка рекомендаций по повышению их коммутационной устойчивости. 180
4.4. Выводы. 193
Заключение
Библиографический список
- Исследования электрофизических свойств скользящего контакта на установках и реальных машинах
- Модель механического контактирования щетка-коллектор
- Статические вольтамперные характеристики.
- Геометрические особенности обмоток машин постоянного тока и автоматизация процесса построения математической модели коммутации на ЭВМ
Введение к работе
Актуальность темы В настоящее время в нашей стране большое внимание уделяется повышению уровня качества и надежности электромеханических систем, производимых промышленностью Наряду с необходимостью повышения эффективности производства остро стоит проблема обеспечения требуемых эксплуатационных свойств производимых изделий уже на стадии их проектирования
Одним из направлений современного электромашиностроения является разработка и производство машин постоянного тока (МПТ) Несмотря на присущие им недостатки, коллекторные МПТ обладают хорошими регулировочными свойствами как по якорю, так и по возбуждению и поэтому широко используются современной промышленностью Можно утверждать что в тех областях применения, где требуется регулирование частоты вращения и большая перегрузочная способность, трудно найти замену МПТ
Главной проблемой, с которой приходится сталкиваться как разработчикам, так и производителям МПТ, является проблема обеспечения коммутационной устойчивости во всех режимах работы С увеличением электромагнитных нагрузок, диапазона регулирования угловой скорости вращения решение проблемы коммутационной устойчивости МПТ становится все более затруднительным Это связано прежде всего с тем, что процесс коммуіации характеризуется большим числом взаимосвязанных факторов, многие из которых трудно поддаются математическому описанню Поэтому до настоящего времени разработка МПТ с заданными коммутационными свойствами требует последующего экспериментального уточнения и настройки коммутационных параметров
В настоящее время при разработке и проектировании МПТ расчеты коммутации осуществляются по инженерным методикам, учитывающим среднюю реактивную ЭДС Материалы контактной пары выбираются на основании субъективной информации о коммутирующей способности щеток В условиях ужесточения требований к повышению коммутационной устойчивости МПТ такой подход не приемлем Необходимо искать другие пути решения указанной проблемы Так уже при разработке МПТ требуется полное моделирование процесса коммутации с учетом как можно большего количества факторов, включая процессы контактною слоя Для этого необходимы модели коммутационных процессов МПТ, которые включают в себя как можно более полное описание явлений скользящего контакта
До настоящего времени как в нашей стране, так и за рубежом проводятся исследования коммутации Основополагающими в этой области являются труды В Д Авилова, М Ф Карасева, В В Прусс-Жуковского, А И Скороспешкина, В П Толкунова, В В Фетисова и др Одной из важнейших составляющих общей задачи проблемы исследования и моделирования
коммутации является описание всего многообразия электрофизических свойств скользящего контакта В этой области автором использовались работы Р Ф Бекишева, П С Лившица, М Ф Карасева, А И Скороспешкина
Однако многие вопросы в области повышения коммутационной устойчивости коллекторных машин постоянного тока остались нерешенными В частности, большое количество разработанных критериев, как коммутационной напряженности МПТ, так и искрообразования подчас противоречат друг другу При моделировании процесса коммутации используются вольтампер-ные характеристики скользящего контакта не в полной мере отражающие его электрофизические свойства Именно этим объясняются трудности применения теоретических результатов исследования коммутации при производстве МПТ
В этой связи очевидна необходимость проведения дальнейших исследований процесса коммутации В частности разработка математических моделей процесса коммутации, уточняющих описание коммутационных циклов МПТ за счет учета электрофизических свойств скользящего контакта позволит осуществлять правильный выбор контактной пары и режимов ее работы уже на стадии проектирования
Таким образом задача повышения коммутационной устойчивости МПТ за счет использования при проектировании уточненных моделей коммутации актуальна и является основной задачей диссертационной работы
Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в 1984 -2004 г г плановых НИР и договоров о творческом сотрудничестве между СамГТУ и ОАО «Псковэлектромаш» ОАО «Завод им AM Тарасова», проводившихся при непосредственном участии автора
Цель работы Целью работы является повышение коммутационной устойчивости коллекторных машин постоянного тока на базе разработки математических моделей процесса коммутации, учитывающих электрофизические свойства скользящего контакта, позволяющих уже на стадии проектирования МПТ осуществлять обоснованный выбор параметров коммутирующего контура с учетом электрофизических процессов контакшого слоя
Задачи исследования В работе поставлены и решены следующие основные задачи
Разработать физическую и математическую модели процессов контактного слоя, отражающие все многообразие его электрофизических свойств и позволяющие рассчитать вольтамперные характеристики скользящего контакта с учетом его квазидипамических свойств,
Провести экспериментальные исследования скользящих контактов на установках и в реальных машинах постоянного тока с целью определения параметров математических модетей и проверки их адекватности
Разработать алгоритмы формирования структуры математической модели процесса коммутации для различных типов машин на основе систем дифференциальных уравнений, учитывающих реальные электрофизические процессы контактного слоя,
Провести экспериментальные и аналитические исследования адекватности предлагаемой модели процесса коммутации,
Провести численные исследования модели процесса коммутации с целью выявления влияния конструкционных параметров скользящего контакта на коммутационную напряженность коллекторных, электрических машин
Методы исследования Поставленные задачи решались с использованием основных положений теории электрических машин, методов компьютерного моделирования и экспериментальных методов исследования на макетных и опытных образцах
При разработке математических моделей для анализа статических и динамических процессов скользящеі о контакта использована теория перколя-ции. а для моделирования процесса коммутации применен математический аппарат дифференциального исчисления
Адекватность разработанных моделей оценивалась экспериментальной проверкой с привлечением методов идентификации и сопоставительного анализа
Научная новизна Научная новизна работы представлена теоретическими и экспериментальными исследованиями, основное содержание которых отражено в следующих рассмотренных и решенных задачах
Разработаны физическая и математическая модели скользящего контакта, позволяющие на основе электрофизических свойств контактных материалов определить электрические свойства конкретной скользящей контактной пары
Разработана методика экспериментального определения параметров модели скользящего контакта для конкретных пар
Разработаны алгоритмы формирования структуры математической модели процесса коммутации для различных типов МПТ на основе системы дифференциальных уравнений, учитывающей электрофизические процессы контактного слоя
Разработан интегральный критерий, базирующийся на функции чувствительности решения системы дифференциальных уравнений СДУ коммутации к малым приращениям величины коммутирующего поля, позволяющий оценивать коммутационную напряженность различных МПТ и осуществлять
обоснованный выбор контактных пар, обеспечивающих наилучшие условия коммутации для конкретной МПТ
Практическая ценность
Использование разработанных физической и математической моделей скоіьзящего контакта позволяет обеспечить определение электрофизических свойств конкретных контактных пар на стадии проектирования МПТ за счет учета основных механизмов токопрохождения Разработанная численная модель позволяет учесть как свойства материалов контакта, так и условия его работы при определении статических и динамических вольтамперных характеристик На основе проведенных исследований получены параметры контактных пар, широко используемых при производстве МПТ средней мощности
Использование модели механизма токопрохождения контактного слоя, учитывающей условия дугообразования в скользящем контакте, позволяет определить момент возникновения искрения при расчетах зон безыскровой работы
Разработанная система моделирования позволяет формировать и исследовать коммутационные процессы конкретной МПТ с учетом геометрических параметров магнитной системы, коллекторно-щеточного узла, обмоточных данных и электрофизических свойств применяемых контактных пар
На основе теоретических и экспериментальных исследований электрофизических свойств скользящего контакта и процесса коммутации разработаны рекомендации по выбору контактных пар с повышенными коммутационными свойствами для конкретных МПТ
Исследования электрофизических свойств скользящего контакта на установках и реальных машинах
В работах /13,14/ была выдвинута оригинальная энергетическая теория коммутации, которая основана на рассмотрении взаимообмена энергией между коммутируемыми секциями. На основании этой теории Курбасов пришел к выводу об оптимальности прямолинейной коммутации. Однако, в рассмотренной теории не учтены нестабильность работы контакта и то, что действительный период коммутации существенно меньше расчетного.
Большое количество исследований в области коммутации было проведено Карасевым. В работе /15/ приведены схемы экспериментальных установок, которые позволяют моделировать процесс коммутации. В ходе исследований на указанных установках определялось влияние на коммутацию различных параметров. Однако, моделирующие установки не учитывали действие дополнительных полюсов, что привело к значительным отклонениям кривых токов коммутируемых секций, получаемых на установке, от аналогичных кривых реальных машин. Дальнейшие работы Карасева и его сотрудников /16,17,18/ посвящены созданию приборов объективной оценки искрения. С использованием указанных приборов было проведено большое количество исследований коммутации коллекторных машин.
Теоретические исследования коммутации, приведенные в/19,20/, в основном ограничивались единичным щеточным перекрытием. Однако, в /35/ приведен анализ коммутации при щеточных перекрытиях, больших единицы. Качественный скачок в исследованиях коммутации был связан с появлением ЭВМ. Это привело к возможности моделирования коммутационных циклов системой дифференциальных уравнений коммутации. Появилась возможность вычислять и сравнивать различные варианты без грубых допущений, искажающих результат.
Первой попыткой расчета коммутации на ЭВМ была работа И.Алджера и Д.Бьюлея /21/. В ней авторы определяли напряжение между коллекторными пластинами. Поля главных и добавочных полюсов принимались соответственно распределенными по законам гиперболического и кругового синуса. Дальнейшим развитием теории явилась работа /22/. В ней был изложен алгоритм решения систем дифференциальных уравнений коммутации. Основные допущения были следующие: ширина щетки меньше двух коллекторных делений, поле добавочных полюсов в зоне коммутации постоянно. Работы /23,24/ были посвящены аналитическому расчету области безыскровой работы. Критерием искрообразования считалось переходное напряжение между сбегающим краем щетки и ламелью в конце периода коммутации. Аналогичная работа /25/, появившаяся в СССР, отличалась тем, что при решении системы дифференциальных уравнений ВАХ скользящего контакта принималась нелинейной.
Дальнейшие работы в области решения систем дифференциальных уравнений были посвящены уменьшению количества допущений и уточнению определения параметров модели. Так в /26/ было учтено различие ВАХ щеток анодной и катодной полярностей, в /27,28/ используется более точное описание распределения магнитных полей в зоне коммутации, в /29/ учитывается межламельный промежуток. В работах /30,31/ была предложена модель коммутации, позволяющая учесть вихревые токи. Вместе с уточнением методики расчета коммутации, усложнялась система дифференциальных уравнений, что приводило к увеличению объема программ и, следовательно, к увеличению времени решения. Поэтому появились работы, в которых авторы упрощают уравнения, прибегая к ряду допущений.
В /32/ производится замена всех секций в пазу одним фиктивным коммутируемым контуром. В /33/ определяется пазовый ток коммутации решением одного уравнения, который затем разделяется на токи секций путем решения алгебраических уравнений. В работе /34/ система уравнений, построенная с учетом числа секций в пазу, укорочения обмотки, щеточного перекрытия и распределения поля дополнительных полюсов, сводится к одному дифференциальному уравнению, которое затем численно интегрируется.
В работах /39, 40/ авторы вообще уходят от решения системы дифференциальных уравнений коммутации. Однако ими дается методика расчета приближенных зон безыскровой работы уже на стадии проектирования. Основным допущением рассматриваемой методики является приближенный учет условий возникновения искрения.
Большим шагом вперед были работы /36, 37, 38/, в которых была поставлена задача определения оптимальных коммутационных параметров машин постоянного тока путем анализа решений дифференциальных уравнений. Причем, авторами указанных работ была разработана методика автоматизации построения систем уравнений, что позволило свести все варьируемые варианты в модель, реализуемую одной программой. Такая постановка задачи позволила использовать современный математический аппарат по оптимизации функций при исследованиях влияния на коммутацию целого ряда параметров, отражающих как распределение магнитных полей в зоне коммутации, так и тип якорной обмотки. Основным недостатком рассматриваемых работ является то, что при решении дифференциальных уравнений коммутации учет электрофизических свойств скользящего контакта осуществляется статическими вольтамперными характеристиками.
Модель механического контактирования щетка-коллектор
Анализ исследований скользящего контакта, проведенный в первой главе, показал, что в настоящее время не существует общего и единого подхода к описанию его электрических свойств. Расходятся мнения также и по вопросам учета его влияния на качество коммутационного процесса. Все это связано прежде всего со сложностью и многообразием механизмов токопрохожде-ния в скользящем контакте. Так можно отметить, по крайней мере пять путей, по которым может осуществляться токопрохождение: по местам непосредственного соприкосновения, по материалам износа, за счет электронов, через полупроводниковую пленку и за счет ионов. Все приведенные механизмы (кроме ионной проводимости) обладают двумя важнейшими общими свойствами, позволяющими описать их одной математической моделью. Во-первых, форма и длина пути тока в контакте не зависимо от его природы носит случайный характер, что связано со случайностью расположения микронеровностей как коллектора, так и щетки. Кроме того, в контактном слое имеется большое количество частичек износа, местоположение которых хаотически изменяется при движении трущейся поверхности щетки относительно коллектора. Сказанное позволяет сделать вывод о том, что общая проводимость любого рассмотренного пути тока в контакте носит случайный характер. Во-вторых, сечение участков тока для проводимости по местам непосредственного соприкосновения и материалам износа достаточно мало /71/, что приво-дит к большим плотностям тока через них -10 А/мм и постоянному их разрушению. Кроме того, в отдельных макрообластях контактного слоя вследствие механических причин эти участки могут и не образоваться. Следовательно, указанные механизмы токопрохождения при одних условиях работы скользящего контакта могут давать вклад в общую проводимость, при других же нет. Проводимости за счет электронов и через полупроводниковую пленку существенно зависят от длины участка протекания тока, а так как вследствие неровностей контактирующих поверхностей длина таких участков в различных местах контактного слоя изменяется в широких пределах, то и вклад указанных механизмов в общую проводимость будет различным. Кроме того, указанные механизмы токопрохождения могут иметь место только при величине напряженности поля на участке, больше некоторого значения. А так как величины напряженностей обратно пропорциональны длинам участков и прямо пропорциональны приложенному напряжению к этому участку, то в зависимости от условий работы контакта и местоположения макрообласти механизмы токопрохождения за счет электронов и через пленку могут иметь место, а могут и не иметь. Сказанное позволяет сделать вывод о том, что все рассмотренные механизмы обладают свойством критичности, заключающемся в возможности существования того или иного типа проводимости в зависимости от условий работы скользящего контакта и расположения той его макрообласти, электрические свойства которой моделируются. Если представить механизмы токопрохождения в виде отдельных проводящих фаз, то скользящий контакт можно описать многофазной системой, обладающей двумя важнейшими свойствами: стохастичностью и критичностью. В /90,91/ показано, что системы с указанными свойствами описываются математическим аппаратом теории протекания (перколяции), который позволяет определить проводимость системы в зависимости от процентного содержания проводящей фазы в ней.
Системы, моделируемые аппаратом теории протекания, рассматриваются ей как бесконечные решетки с проводящими и непроводящими ребрами с размерностью, соответствующей размерности моделирующей системы. Причем микрогеометрия таких решеток не влияет на закономерности определения их макропараметров: решетки могут быть как упорядоченными, так и неупорядоченными. Исследуется возможность токопрохождения и величина проводимости (не обязательно электрической) между противоположными гранями таких решеток в зависимости от отношения количества элементарных проводящих участков к их полному числу. В дальнейшем эту величину будем обозначать как X с различными индексами. В зависимости от типа элементарных проводящих участков теория рассматривает четыре вида задач: задача узлов, задача связей (ребра), задача перекрывающихся сфер и задача твердых сфер (рис. 2.1). В /87/ показано, что выделение систем с элементарными проводящими участками более сложной формы, чем сфера нецелесообразно, так как такие задачи с позиций теории протекания почти идентичны задачам со сферами.
Статические вольтамперные характеристики.
Таким образом, полученные выражения позволяют определить относительное содержание материалов износа щетки в контактной зоне и удельное нажатие в функции расстояния между поверхностью щетки и максимальным выступом шероховатостей коллектора. Этими выражениями можно воспользоваться при определении проводимости контактного слоя при постоянном расстоянии между базовой линией профиля и поверхностью щетки. На рис. 2.3, рис. 2.4 приведены зависимости удельного нажатия и относительного содержания материалов износа в контактной зоне, когда все неровности покрыты пленкой. Зависимости рассчитаны для трех значений твердости материалов износа 7Н=4»10 Па, ?и =20 10 Па и т„=30»10 Па, что соответствует щеткам ЭГ-4, ЭГ-14 и ЭГ-74 соответственно, по данным /95/.
Анализ приведенных кривых показывает, что толщина коллекторной пленки практически не влияет на их форму. Различаются кривые только тем, что они сдвинуты друг относительно друга по оси расстояния между щеткой и коллектором. Причем величина сдвига практически пропорциональна приращению толщины пленки, коэффициент пропорциональности лежит в пределах 4...5. Отмеченную особенность можно объяснить тем, что толщина пленки прямо пропорционально зависит от объема частиц износа в контактной зоне, который в свою очередь определяет объем контактной зоны при перемещении щетки относительно коллектора, а значит и величину расстояния между ними h. Неизменность же крутизны рассматриваемых кривых можно объяснить тем, что в случае полного заполнения шероховатостей материалами износа увеличение толщины пленки ведет к незначительному увеличению объема частиц по сравнению с их полным объемом, т.к. реальное количество частиц износа между шероховатостями существенно больше, чем в той части пленки, которая находится выше самого верхнего выступа неровностей коллектора. В отличие от толщины пленки шероховатость коллектора и твердость щеток оказывают существенное влияние на наклон кривых. Кроме того, изменение
Удельное нажатие п функции толшипы контактного слоя шероховатости приводит к сдвигу кривых по оси h. Это объясняется тем, ЧТО изменение шероховатости приводит к изменению объема частиц износа, который, как указано выше, определяет расстояние между щеткой и коллектором при прочих равных условиях. Причем увеличение объема в этом случае значительно. Следовательно, для одинаковых изменений относительного содержания материалов износа в контактной зоне в случае большей шероховатости необходимо большее изменение расстояния между щеткой и коллектором.
На рис. 2.5 приведены аналогичные зависимости для случая, когда материалы износа не полностью заполняют неровности коллектора. При этом максимальная толщина пленки была выбрана так, чтобы величина составляющей механического усилия воспринимаемого материалами износа в точке непосредственного соприкосновения неровностей (h — 0) существенно не отличалась от величины рекомендуемого нажатия /98/ на щетки. Вариант, когда эта величина много больше, практически аналогичен рассмотренному выше, т.к. при рекомендуемых нажатиях в этом случае нажатие на щетки будет полностью восприниматься материалами износа.
Форма приведенных кривых в области h 0 (неровности не касаются друг друга) практически не зависит от вида распределения. Однако кривые сдвинуты друг относительно друга по оси h на некоторые величины. Отмеченный сдвиг можно объяснить тем, что толщины пленок для каждого из распределений отличны, различаются также и объемы между шероховатостями, не заполненные материалами износа. В точке h — 0 на всех кривых имеется излом (крутизна кривых возрастает), наиболее заметный для контакта с равномерным распределением. Это объясняется тем, что при h 0 в механическом усилии появляется составляющая, приходящаяся на места непосредственного соприкосновения, определяемая (2.21). Т.к. отношение — h/A « 1 , то около точки h — 0 следует ожидать наибольшие усилия в случае, когда показатель степени в (2.21) наименьший,
Удельное нажатие в функции толщины контактного слоя (неровности коллектора внедрены в поверхность щетки) что и наблюдается на самом деле. Геометрически отмеченный факт объясняется тем, что при равномерном распределении количество самых больших неровностей (которые воспринимают нагрузку) много больше, чем при нормальном и параболическом распределениях.
Случай, когда количество частиц износа в контактном слое столь мало, что их не хватает для обеспечения какого либо механического усилия при h — 0 автором не рассматривается, т.к. при этом резко возрастает износ щеток вследствие непосредственного срезания шероховатостями коллектора материала щетки. Именно такой механизм имеет место при очень больших скоростях вращения коллектора или в вакууме, когда щетки "пылят".
Полученные зависимости не могут быть применены непосредственно к реальному скользящему контакту вследствие того, что в нем макрогеометрия контактного слоя достаточно сложная. Если в аксиальном направлении еще можно принять постоянство зазора между щеткой и коллектором, то в направлении вращения такое допущение не приемлемо.
В 199,100/ рассмотрена поверхность приработанной щетки и показано, что края щеток изношены больше, чем середина. Отмеченная особенность приводит к тому, что на краях щетки расстояние между ее поверхностью и шероховатостями коллектора больше на некоторую величину а в случае, когда щетка расположена строго перпендикулярно касательной к поверхности коллектора. В реально работающей машине это условие не выполняется, и поэтому величина й для противоположных краев щетки различна. Однако, имея зависимости вида f = f(h,a), где а является параметром, можно получить выражение для полного механического усилия, действующего на щетку со стороны контактного слоя.
Геометрические особенности обмоток машин постоянного тока и автоматизация процесса построения математической модели коммутации на ЭВМ
Поэтому, с целью защиты от повреждения измерительных приборов, сигнал предварительно подавался на устройство отсечки, собранное на операционном усилителе DA3, стабилитронах VD1, VD2 и резисторах R9, RIO, R11 /121/. Сигналы, пропорциональные токам коммутируемых секций, подавались на устройство, обеспечивающее их вычитание друг из друга с целью получения сигнала, пропорционального ламельному току. Устройство вычитания собрано на микросхемах DAI, DA2. И ламельный ток, и падение напряжения между ламелью и щеткой подавались на двухлучевой осциллограф, который синхронизировался импульсом один раз за оборот, поступающим со схемы синхронизации. Частота вращения контролировалась цифровым тахогенератором.
Большое внимание было уделено градуировке измерительного канала ламельного тока. Для этого разогретая машина останавливалась, к измерительной ламели присоединялся проводник и с помощью источника тока, описанного выше, через ламель пропускался ток, при этом сигнал на выходе устройства вычитания контролировался вольтметром.
Схема силовой части установки приведена на рис 3.4. Якорная цепь исследуемого двигателя подключена к электромашинному усилителю. Таким же усилителем осуществляется подпитка отпитка дополнительных полюсов. Механическая нагрузка осуществляется аналогичной МПТ, которая состыкована с исследуемым двигателем и работает в режиме генератора.
Перед определением динамических вольтамперных характеристик производилась наработка коллекторной пленки в течение 80 часов. Определение самих характеристик осуществлялось следующим образом. Устанавливался режим работы двигателя, который выдерживался в течение часа. После этого снимались осциллограммы ламельного тока и падения напряжения, на основании которых строились динамические ВАХ.
При теоретических исследованиях коммутации коллекторных машин постоянного тока большинство исследователей используют так называемые статические характеристики скользящего контакта. Основной особенностью этих характеристик является то, что время их экспериментального определения существенно больше времени, в течение которого достигаются установившиеся значения площадей на поверхности коллектора или кольца, не покрытых пленкой. Вследствие этого рассматриваемые характеристики однозначны и не имеют гистерезиса. Именно указанная особенность и привлекает исследователей, позволяя моделировать скользящий контакт одномерными аппроксимирующими функциями вида д U — f(J), где J плотность тока в контакте. Данный раздел посвящен экспериментальным исследованиям статических вольтамперных характеристик, определению коэффициента пропорциональности между установившимся значением площади пятен, не покрытых пленкой и напряжением, приложенным к скользящему контакту и его моделированию в виде одномерных полиномов.
Исследователями предложено несколько способов определения статических характеристик. Все они в основном различаются временем, в течение которого должна быть снята характеристика целиком. Как уже было сказано выше, автором была принята методика, предложенная в /119/. Время определения характеристики составляло 1 мин., причем снимались восходящая и нисходящая ветви, которые практически совпали. Указанный факт объяснялся тем, что время снятия было достаточно мало, для того, чтобы скользящий контакт прогрелся до установившегося значения температуры при данной плотности тока, поэтому средняя температура контактного слоя была практически неизменной и соответствовала температуре при наработке пленки с одной стороны, а с другой стороны, время снятия было достаточно велико для того, чтобы величина площадей, не покрытых пленкой, достигла своего установившегося значения.
Для исследования были выбраны две наиболее распространенные в рассматриваемом классе машин марки электрографитированных щеток /111/: ЭГ14 и ЭГ74. Эти щетки скользили по кольцам из меди, алюминия и стали. Удельное нажатие во всех случаях варьировалось. Измерения проводились при нажатиях 15, 25 и 30 кПа (выбранный диапазон полностью перекрывает рекомендации /53,95/ для данных щеток). Алюминий и сталь в качестве контактных материалов выбирались на основании следующих соображений. Сталь не образует на своей поверхности никакой окисной пленки, а пленка, образуемая на поверхности алюминия, является изолирующей. Поэтому сравнение результатов эксперимента позволило определить роль пленки, образуемой на поверхности контактирующих материалов, на формирование проводимости контактного слоя и качественно подтвердить основные положения физической модели скользящего контакта, рассмотренной во второй главе диссертации. Полученные характеристики приведены на рис. 3.5.... 3.8. Анализ результатов эксперимента показал, что наибольшее значение напряжения JJc наблюдается у щетки ЭГ-74, контактирующей со всеми исследуемыми материалами. Это явление можно объяснить тем, что
