Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Узлы скользящего токосъема электрических машин. физика процессов, конструкции, диагностика 19
1.1. Механика скользящего контакта 19
1.1.1. Устройства и методы исследования устойчивости контактирования 23
1.1.2. Способы и устройства повышения стабильности токопередачи 24
1.2. Физика токопередачи через скользящий контакт 26
1.3. Конструкции и условия работы узлов скользящего токосъема с контактными кольцами 30
1.4. Диагностика и прогнозирование технического состояния узлов скользящего токосъема 32
1.5. Выводы 36
Глава 2. Моделирование динамики физических процессов в узлах скользящего токосъема 38
2.1. Устойчивость контактирования скользящих электрических контактов 39
2.1.1. Коэффициент относительной неустойчивости 39
2.1.2. Динамика и топология неустойчивости контактирования 43
2.1.3. Основные механические характеристики скользящего контакта 46
2.2. Динамическая модель механики электрофрикционного взаимодействия 51
2.3. Резонансные электромагнитные процессы при неустойчивой работе узлов скользящего токосъема 59
2.3.1. Моделирование динамического токораспределения 61
2.3.2. Режим PAT как причина кругового огня на контактных кольцах 67
2.3.3. Способ уменьшения искрения на контактных кольцах и исключения режима PAT 73
2.4. Системный подход к моделированию динамики токопередачи через переходный слой скользящего контакта 75
2.4.1. Синергетическая модель электрофрикционного взаимодействия 78
2.4.2. Анализ компонент вектора состояния 83
2.4.2.1. Механический класс компонент 84
2.4.2.2. Электрический класс компонент 87
2.4.2.3. Тепловой класс компонент 97
2.4.2.4. Химический класс компонент 99
2.4.3. Структура и алгоритмы модели 99
2.4.3.1. Задание начальных значений компонент векторов состояния контактных элементов 101
2.4.3.2. Формирование и приложение силового вектора управляющих и возмущающих воздействий 102
2.4.3.3. Модификация компонент векторов состояния контактных элементов 103
2.4.3.4. Вычисление и представление интегральных характеристик 108
2.4.3.5. Обобщенная блок-схема программы 109
2.4.4. Теоретическое исследование динамических процессов электрофрикционного взаимодействия 111
2.5. Итоги и выводы 123
Глава 3. Комплексная диагностика и прогнозирование технического состояния узлов скользящего токосъема 125
3.1. Устройства оперативной диагностики узлов скользящего токосъема 126
3.1.1. Приборы для измерения неустойчивости контактирования и токопередачи 127
3.1.2. Приборы для оперативного измерения токов отдельных щеток 134
3.1.3. Диагностический прибор для наблюдения динамического профиля контактной поверхности 137
3.1.4. Способ и устройство для дистанционного измерения распределения температуры по периметру вращающегося токосъемника 139
3.2. Способы и устройства постоянной диагностики технического состояния узлов скользящего токосъема 141
3.2.1. Мультисенсорная микропроцессорная система постоянной диагностики токораспределения 141
3.2.1.1. Способ и устройство 144
3.2.1.2. Исследование и оптимизация характеристик 155
3.2.1.3. Точность измерения и настройка 158
3.2.1.4. Алгоритмы и программное обеспечение 168
3.2.1.5. Подсистема дистанционного мониторинга токораспределения 174
3.2.2. Система постоянной диагностики узла скользящего токосъема по вольт-амперным характеристикам 178
3.2.2.1. Способ и устройство 179
3.2.2.2. Методика настройки основных параметров 182
3.2.2.3. Трактовка показаний диагностической системы 184
3.2.3. Прибор постоянного контроля уровня искрения 186
3.2.4. Система постоянного контроля состояния контактной поверхности токосъемника 188
3.3. Системный подход к диагностике, прогнозированию и техническому обслуживанию 192
3.3.1. Комплексная диагностика и прогнозирование при управлении техническим состоянием 197
3.4. Итоги и выводы 210
Глава 4. Экспериментальные исследования узлов скользящего токосъема и диагностических систем 212
4.1. Экспериментальные исследования неустойчивости контактирования электрощеток 212
4.1.1. Исследования статистических закономерностей процесса контактирования 217
4.1.2. Экспериментальное определение неустойчивости различных соединений скользящих контактов 219
4.2. Длительные промышленные испытания микропроцессорной системы постоянного контроля токораспределения 223
4.3. Исследование способа уменьшения искрения 240
4.4. Верификация формулы для сопротивления стягивания фрактального кластера 244
4.5. Экспериментальное исследование динамических процессов электрофрикционного взаимодействия 250
4.6. Итоги и выводы 252
Заключение 255
Список литературы 258
Авторские публикации 267
Приложения 272
- Физика токопередачи через скользящий контакт
- Динамическая модель механики электрофрикционного взаимодействия
- Способы и устройства постоянной диагностики технического состояния узлов скользящего токосъема
- Длительные промышленные испытания микропроцессорной системы постоянного контроля токораспределения
Введение к работе
Повышение надежности электрических машин непосредственно связано с развитием фундаментальных и прикладных исследований в области диагностики и прогнозирования их технического состояния. В настоящее время данное направление интенсивно развивается. Все большее распространение получают автоматические устройства непрерывного мониторинга физических процессов и управления техническим состоянием отдельных функциональных частей электрических машин, а также системы комплексной диагностики и прогнозирования. Развиваются методы математического компьютерного моделирования динамических процессов в электрических машинах, имеющие целью повышение эффективности инженерного проектирования функциональных узлов и конструкций.
К одним из наиболее распространенных узлов электрических машин относятся узлы скользящего токосъема (УСТ). Они находят широкое применение в электромашиностроении, несмотря на то, что существует тенденция к переходу на бесконтактные способы передачи электрического тока. Так, например, в ряде случаев применение щеточно-контактных аппаратов является целесообразным в связи с их дешевизной и непрерывностью процесса функционирования. При бесконтактном способе токопередачи выход из строя вентилей может приводить к внезапной остановке и ремонтным работам, что для крупных энергетических машин непрерывного действия означает остановку всего производственного цикла и значительные экономические потери. Кроме того, для турбогенераторов атомных электростанций подобные отказы опасны, т.к. могут привести к потере устойчивости реактора. В подобных случаях щеточно-контактные системы имеют преимущество, особенно, если они оснащены средствами диагностики [1, 2, 3]. Ведущие производители электрических машин широко применяют оба рассмотренных варианта в зависимости от специфики производства и пожеланий заказчика. В особо ответственных случаях находят применение оба способа одновременно с целью осуществления системного резервирования.
Эксплуатационная надежность - весьма важный параметр для крупных электрических машин, т.к. ущерб от вынужденного простоя агрегата в течение 2-3 месяцев соизмерим с его первоначальной стоимостью. Внедрение технической диагностики в практику энергетического производства существенно повышает качество эксплуатации. Результатом обнаружения развивающихся дефектов на ранних стадиях является сокращение числа и длительности вынужденных простоев, экономия средств.
До недавнего времени на производстве практически отсутствовали средства объективной оценки технического состояния щеточно-контактных аппаратов (ЩКА) крупных электрических машин. Не было даже простейших приборов для измерения токов щеток, не говоря уже об устройствах постоянной диагностики с возможностью системного мониторинга и прогноза. Как свидетельствуют отзывы специалистов производственников, внедрение подобных диагностических средств существенно повышает эксплуатационную надежность щеточно-контактных аппаратов, снижает затраты на обслуживание и ремонт, практически исключает потери от аварийных внеплановых простоев, увеличивает срок службы. Таким образом, проблема разработки методов и устройств технической диагностики УСТ и их широкого внедрения в производство является весьма актуальной.
Кроме того, до настоящего времени нет единого мнения в отношении адекватного моделирования основных свойств и характеристик скользящего электрического контакта (СК), что связано с большим разнообразием и сложностью физических процессов электрофрикционного взаимодействия. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования в данной области, расширяющие круг научных представлений об электрических контактах и предлагающие новые методы их моделирования, являются актуальными. Особое внимание должно быть уделено имитационному компьютерному мо делированию, преследующему цель получения интегральных характеристик УСТ по параметрам элементов контактных пар и внешних воздействий. Подобный подход позволяет существенно снизить долю дорогостоящих практических экспериментов при исследовании характеристик различных контактных пар.
Необходимо также подчеркнуть важность вопросов, связанных с улучшением эксплуатационных характеристик путем применения новых вспомогательных технологий и устройств, непосредственного воздействующих на динамику электромеханических процессов в УСТ. Это касается, прежде всего, поиска способов и устройств уменьшения искрения на контактных кольцах, позволяющих снизить электроэрозионный износ, блокировать электромагнитные причины возникновения кругового огня, повысить плотность тока под щетками.
Цель работы и задачи исследования. Основной целью работы является разработка комплекса расчетных моделей и устройств, решающих проблему системной диагностики и прогнозирования технического состояния узлов скользящего токосъема турбогенераторов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. 1. Разработан комплекс новых способов и устройств для измерения характеристик и параметров УСТ турбогенераторов. В его состав входит следующее.
1.1. Способ непрерывной диагностики токораспределения по щеткам УСТ и устройство для его осуществления - микропроцессорная система постоянной диагностики токораспределения «Обзор».
1.2. Система дистанционного мониторинга токораспределения, дополняющая диагностическую систему «Обзор» удаленным компьютером верхнего уровня, выполняющим функции сбора, анализа, прогнозирования, отображения и др.
1.3. Способ постоянной диагностики УСТ по вольт-амперным характеристикам и устройство для его осуществления «Сигнал».
1.4. Способ постоянной диагностики качества контактной поверхности УСТ и устройство для его реализации «Рельеф».
1.5. Прибор для постоянного контроля уровня искрения щеток «Искра».
1.6. Приборы оперативного контроля: - для цифрового измерения коэффициента относительной неустойчивости контактирования щеток (ПИКОН); - для бесконтактного и контактного измерения токов щеток («Контроль», «КИТ»); - для измерения профиля вращающегося токосъемника в динамике («Профиль»); - для стробоскопического осмотра контактной поверхности «Квант»; - для измерения распределения температуры по периметру вращающегося токосъемника («ТЕРМИКС»).
2. Разработана методика и алгоритмы непрерывной четырехфакторной системной диагностики и прогнозирования технического состояния УСТ. Факторами являются показатели качества токораспределения, динамического профиля контактной поверхности, уровня искрения и отклонения вольт-амперных характеристик, определяемые системами постоянной диагностики (СПД): «Обзор», «Рельеф», «Искра», «Сигнал».
3. Проведен длительный промышленный эксперимент по исследованию влияния постоянной диагностики токораспределения на качество функционирования УСТ. Произведен анализ результатов эксперимента.
4. Разработана система имитационного компьютерного моделирования физических процессов в УСТ турбогенераторов, позволяющая при разработке новых конструкций определять их основные характеристики без дорогостоящих экспериментов. В ее состав входят следующие взаимосвязанные вычислительные модели.
4.1. Трехкоординатная нелинейная динамическая модель механики скользящего контакта (СК) с распределенными параметрами переходного слоя.
4.2. Синергетическая имитационная модель электрофрикционного взаимодействия, учитывающая основные типы проводимости в переходном слое.
4.3. Имитационная вычислительная модель группового СК для исследования динамики токораспределения.
5. Определены статистические закономерности процессов контактного взаимодействия щеток и произведена их экспериментальная проверка с помощью разработанных приборов. Эксперименты проводились как в лаборатории, так и на производстве.
6. В процессе имитационного моделирования выявлены и исследованы резонансные электромагнитные процессы при неустойчивой работе щеток. Определены электромагнитные причины искрения и кругового огня на контактных кольцах. Теоретические выводы подтверждены экспериментально.
7. Разработан способ блокирования электромагнитных причин искрения и кругового огня. Осуществлена экспериментальная проверка.
Методы исследования. При решении описанных задач использовались методы теории вероятностей, математической статистики, системного анализа, синергетики, теории фракталов, теории теплопередачи, теоретической механики, теории сопротивления материалов, физики газового разряда, теории автоматического управления, теории нелинейных колебаний, общей теории сопротивления стягивания, триботехники, численного программирования, теории надежности, теории планирования эксперимента, алгебры логики, радиоэлектроники и микропроцессорного управления.
Научная новизна. 1. Разработан комплекс способов и устройств, предназначенных для измерения характеристик и параметров узлов скользящего токосъема электрических машин. Ряд технических решений запатентован [3-6]. Указан ный комплекс позволяет производить всестороннюю диагностику УСТ, как в оперативном порядке, так и в непрерывном режиме работы.
2. Разработана методика и алгоритмы четырехфакторной диагностики и прогнозирования технического состояния УСТ, обеспечивающая обобщенную оценку качества работы узла, а также автоматическую выдачу текущих и прогностических рекомендаций.
3. Теоретически определены и экспериментально подтверждены с помощью патентованного прибора «ПИКОН» статистические закономерности процесса контактирования электрощеток.
4. Разработана система имитационного компьютерного моделирования физических процессов в УСТ турбогенераторов, которая содержит следующие взаимосвязанные теоретические модели.
4.1. Трехкоординатная нелинейная динамическая модель СК с распределенными параметрами и расчетная программа для персонального компьютера (ПК), позволяющая исследовать во взаимосвязи радиальные, тангенциальные и угловые колебания электрощетки в процессе контактного взаимодействия, а также среднестатистические распределения контактной жесткости, контактного давления и коэффициента относительной неустойчивости в области переходного слоя.
4.2. Синергетическая имитационная модель электрофрикционного взаимодействия (ЭФВ), в рамках которой разработаны алгоритмы вычисления основных динамических процессов, протекающих в области контактного слоя.
4.3. Имитационная вычислительная модель группового СК для исследования динамики токораспределения при неустойчивой работе УСТ.
5. Определены формы среднестатистических распределений для различных задающих воздействий и проанализированы взаимосвязанные трехкоор- динатные колебания щетки при взаимодействии с характерными дефектами контактной поверхности.
6. Исследования модели ЭФВ показали, что процессы образования и развития проводящих кластеров в переходном слое контакта носят эволюционный характер. Показано влияние различных условий и параметров на портреты проводимости и температурного поля в контактном слое. Получены расчетные вольт-амперные фазовые траектории.
7. Исследования модели динамического токораспределения выявили электромагнитные резонансные режимы высокой амплитуды. Как показала экспериментальная проверка, указанные режимы являются основной электромагнитной причиной искрения на контактных кольцах.
8. С помощью вышеуказанной модели выяснили, что при определенных условиях может возникать расходящийся автоколебательный режим (PAT), который может являться основной электромагнитной причиной возникновения кругового огня на контактных кольцах.
9. Разработан способ блокирования электромагнитных причин искрения и кругового огня на контактных кольцах. Осуществлена экспериментальная проверка его эффективности.
Практическая ценность. 1. Внедрение комплекса новых способов и устройств измерения характеристик и параметров узлов скользящего токосъема турбогенераторов позволяет улучшить функциональный контроль УСТ, ускоряет и упрощает настройку, предоставляет возможность принятия своевременных научно обоснованных профилактических действий, существенно повышает эксплуатационную надежность УСТ, что подтверждается актами внедрения и протоколами промышленных испытаний (см. приложение 1). 1.1. Микропроцессорная система постоянной диагностики «Обзор» производит непрерывный контроль, визуальное отображение и запись картины токораспределения по щеткам УСТ (см. раздел 3.2.1.). Результатом работы системы является существенное улучшение показателя качества токораспределения, уменьшение дисперсии токов щеток (см. раздел 4.2).
1.2. Система постоянной диагностики УСТ по вольт-амперным характеристикам «Сигнал» позволяет выявлять неудовлетворительные и опасные режимы работы узла и предупреждать о необходимости профилактических действий, локализовать группу факторов, содержащую причины неудовлетворительного функционирования (см. раздел 3.2.2).
1.3. Система постоянной диагностики «Рельеф» позволяет непрерывно контролировать динамический профиль контактной поверхности и анализировать его качественные показатели (см. раздел 3.2.4).
1.4. Прибор постоянного контроля «Искра» позволяет непрерывно контролировать уровень искрения щеток УСТ (см. раздел 3.2.3).
1.5. Приборы оперативного контроля УСТ позволяют производить всестороннее обследование технического состояния УСТ и принимать обоснованные решения о проведении ремонтных и профилактических работ (см. раздел 3.1).
2. Логико-аналитическая система четырехфакторной диагностики и прогнозирования «КЛАС» дает обобщенную оценку качества функционирования УСТ по показателям систем постоянной диагностики «Обзор», «Рельеф», «Искра», «Сигнал». Система формирует комплексный прогноз работоспособности и генерирует рекомендации, избавляя технический персонал от сложных логических обобщений и связанных с ними ошибок. Это существенно повышает достоверность диагностики (см. раздел 3.3).
3. Диагностические приборы и системы комплекса применяются в экспериментальных исследованиях УСТ, при оптимальном подборе контактных пар, при испытаниях новых конструкций УСТ и щеткодержателей.
4. Устройство блокирования электромагнитных причин искрения позволяет получить системный эффект улучшения технических показателей УСТ. При этом снижается вероятность возникновения аварийных ситуаций, и увеличивается срок службы узла, может быть повышена плотность тока (см. разделы 2.3, 4.3).
5. Разработанная система имитационного компьютерного моделирования физических процессов в УСТ турбогенераторов может использоваться для анализа качества работы щеточно-контактных аппаратов на стадии проектирования с целью оптимизации конструктивных признаков и параметров.
- Динамическая модель механики скользящего контакта позволяет анализировать взаимосвязанные динамические колебательные процессы и контактные распределения в УСТ (см. раздел 2.2). Это дает возможность целенаправленного совершенствования конструкций и материалов по критерию механической устойчивости контактирования щеток.
- Синергетическая имитационная модель ЭФВ позволяет анализировать во взаимосвязи процессы токопередачи, тепловыделения и трения для различных контактных пар (см. раздел 2.4.1). Это дает возможность заменить часть дорогостоящих экспериментальных исследований скользящих электрических контактов вычислительными экспериментами.
- Вычислительная имитационная модель динамического токораспределения позволяет определять условия возникновения высокоамплитудных электромагнитных резонансных процессов при неустойчивой работе УСТ с контактными кольцами. Это делает возможным поиск конструкторских решений по уменьшению искрения щеток (см. разделы 2.3, 2.4).
6. Статистические закономерности процесса контактирования электрощеток используются при проведении диагностики узлов скользящего токосъема, позволяют определять показатели неустойчивости контактирования при минимальном количестве измерений (см. разделы 2.1.2, 4.1).
Реализация работы. Основные способы и устройства, выводы и рекомендации нашли применение на предприятиях (см. приложение 1):
1. Шатурская ГРЭС АО «Мосэнерго»;
2. Нижневартовская ГРЭС АО «Тюменьэнерго»;
3. Волгоградский металлургический завод «Красный октябрь»;
4. Черепетская ГРЭС;
5. НИИ АО «Электросила»;
6. Кольская АЭС;
7. С.-Петербургский завод «Ижорасталь» производственного объединения «Ижорский завод»;
8. Смоленская АЭС;
9. ЦНИИ «Гидроприбор»;
10. Тобольская ТЭЦ.
11. Харьковская ТЭЦ-5;
12. ГРЭС-24 АО «Мосэнерго».
13. АО «Оренбургэнерго».
14. Магнитогорский металлургический комбинат;
15. Тюменская ТЭЦ-2;
На перечисленных предприятиях проводились промышленные испытания и внедрение диагностических приборов и систем. Это позволило улучшить контроль функционирования УСТ, ускорило и упростило настройку, предоставило возможность принятия своевременных научно обоснованных профилактических действий, повысило эксплуатационную надежность УСТ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах.
1. Научный совет РАН по комплексной проблеме «Электрофизика, электроэнергетика и электротехника». С.-Петербург, СПбГТУ, 21-22.06.2000 г.
2. 4th international conference on UNCONVENTIONAL ELECTROMECHANICAL AND ELECTRICAL SUSTEMS. St. Petersburg, Russia. 1999.
3. XXVII международный симпозиум по электрическим машинам «Коммутация и физические явления в щеточном контакте электрических машин». Польская республика. Сопот. 1991.
4. Первая международная конференция по мехатронике и робототехнике. С.-Петербург, ЦНИИРТК, 29 мая - 2 июня 2000 года.
5. VII республиканская научно-техническая конференция «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных машин постоянного тока». Омск. 1993.
6. III всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования в технических университетах». С.-Петербург. СПбГТУ. 1999.
7. Всесоюзная научно-техническая конференция «Коммутация электрических машин». Харьков. УЗПИ. 1984.
8. Семинар-совещание РАО «ЕЭС России», Департамент науки и техники, АО «ГВЦ Энергетики», АО «ЛЕНЭНЕРГО» «Разработка и внедрение новых нетрадиционных способов контроля состояния турбо- и гидрогенераторов». С.-Петербург. 23-26 апреля 1996 г.
9. Научно-техническая и методическая конференция «Электросбережение, электроснабжение, электрооборудование». Новомосковск Тульский. 21-22 ноября 1996 г.
10.Всероссийская научно-методическая конференция «Актуальные вопросы образования, науки и техники». С.-Петербург. -СПбГТУ. 1995.
11. Областные научно-технические конференции. Псков: 1985, 1987, 1988. Публикации. Автор имеет 75 печатных и три рукописные работы. Основные результаты диссертации изложены в 62 печатных и 3-х рукописных трудах. Получено 20 авторских свидетельств на изобретение и 1 патент РФ.
Физика токопередачи через скользящий контакт
Вопрос о физике токопередачи через скользящий контакт занимает важное место в теории электрических машин. Первым допущением было предположение о непрерывности площади контактирования щетки с рабочей поверхностью. Данная аксиома используется при объяснении начал теории коммутации [90]. Однако эта теория даже приближенно не могла объяснить важнейшие характеристики СК. Поэтому, рядом исследователей: И. Нейкир-хеном, Р. Мейером и Р. Хольмом [91-93] были выдвинуты гипотезы, расширяющие круг научных представлений о процессах токопередачи через электрический скользящий контакт.
Данные работы во многом способствовали развитию современных представлений о механизме прохождения тока через электрический скользящий контакт, согласно которым токопередача через СК осуществляется одновременно через точки непосредственного механического контакта, через продукты износа, а также путем фриттинга, электролиза и газового разряда.
В настоящее время подробно рассмотрен широкий круг моделей три-бологических систем (трение без токопередачи) и разработана система показателей контактного взаимодействия, а также методов их определения. Введены геометрические характеристики поверхностей - макроотклонения, волнистость, шероховатость, субмикрошероховатость; характеристики площадей касания - видимая, контурная, фактическая; типы контактов - упругий, упруго-пластический, пластический и т.д. [94-96, 56].
Выделю ряд основных аспектов моделирования электрофрикционного взаимодействия (ЭФВ).
Исследования по тепловым расчетам электрических контактов, начало которым было положено Р.Хольмом, были продолжены рядом исследователей [97-101], в которых рассмотрены частные случаи граничных задач теплопроводности в СК. В 70-е-90-е годы появился ряд научных работ, посвященных углубленным исследованиям физических закономерностей электрофрикционного взаимодействия [102, 105]. В них впервые сделаны попытки математического описания нестационарных динамических режимов ЭФВ. Остановимся на основных подходах к современному объяснению физических процессов в скользящем электрическом контакте.
В контакте двух шероховатых тел общая поверхность раздела распадается на множество отдельных пятен. В связи с этим при прохождении потока энергии через такую поверхность преодолевается дополнительное сопротивление, вносимое нарушением однородности линий потока - сопротивление стягивания. К нему в общем случае добавляется сопротивление пленок, которые имеют следующие разновидности [102, 106].
Адгезионные пленки (9-30А) образуются на любой чистой поверхности металла под влиянием воздуха, слабо противостоят трению, обладают туннельной проводимостью. Пассивирующие пленки (10-15А) появляются на металлах с валентностью 2 и более (цинк, нержавеющая сталь), обладают туннельным эффектом, являются начальной стадией образования окисных пленок. Пленки потускнения подразделяются на окисные и сульфидные. Окисные пленки возникают в результате поверхностной реакции металла с кислородом, причем скорость процесса имеет сильную зависимость от температуры. Сульфидные пленки на контактных кольцах практически не образуются. Водяные пленки (до ЮОА). Образуются при соприкосновении металла с влажным воздухом, легко устраняются при сжатии контактов и практически отсутствуют в переходном слое скольжения.
Кроме того, дополнительно, на поверхностях контактов остаются пленки из продуктов износа, не вступающих в химические реакции с мате риалом контакта. На рабочих поверхностях, изготовляемых из меди или ее сплавов, образуются пленки потускнения состоящие, главным образом, из закиси меди, которые совместно с продуктами износа образуют так называемую "политуру". Рабочие поверхности стальных контактных колец имеют слой потускнения, состоящий, в основном, из смеси нескольких оксидов железа и продуктов износа.
Каждому масштабу неоднородности контактной зоны соответствует компонента общего сопротивления стягивания [104]. Хольмом предложено учитывать две компоненты, соответствующие стягиванию к группе пятен и стягиванию в пределах границы данной группы. Для тел с одинаковым удельным сопротивлением р, содержащих одну группу круглых, равномерно распределенных пятен получено выражение: где п - общее число пятен контакта; а - радиус пятна; ак - радиус круга, внутри которого размещаются пятна контакта; Rj, R2 - компоненты сопротивления, соответствующие стягиванию к пятнам и их группам.
Гринвудом [107] был уточнен второй член выражения, и показано, что его величина практически одинакова для любого расположения контактных пятен в общей группе.
Формула Гринвуда была расширена членами, которые учитывали асимметрию распределения групп пятен (кластеров) друг на друга, а так же асимметрию распределения групп на номинальной площади [108-110].
Теория ЭФВ в настоящее время находится на переломном этапе, который характеризуется большим количеством накопленных эмпирических данных, гипотез и различного рода моделей, которые не могут в достаточной мере претендовать на адекватность представления изучаемых явлений. Для преодоления указанных противоречий необходимо привлечение в данную прикладную область знаний новых физических взглядов и представлений.
В настоящее время быстро развивается теория самоорганизующихся систем - синергетика и теория фракталов - самоподобных эволюционных структур, которые не могут быть описаны в рамках евклидовой геометрии.
Синергетика изучает процессы самоорганизации, устойчивости и распада структур различной природы, формирующихся в открытых системах, упорядоченное состояние которых связано с согласованным поведением подсистем. Это приводит к формированию организованных структур в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой, когда устанавливается определенное равновесие между производством и сокращением энтропии [111-115]. Эволюцию системы [116] рассматривают как переход через ряд термодинамических квазиравновесных состояний. Теория фракталов [117-120], явилась базой для количественного описания самоорганизующихся структур с помощью параметра фрактальной размерности.
Процессы электрофрикционного взаимодействия будем рассматривать с позиций синергетики и теории фракталов, поскольку скользящий электрический контакт является открытой системой, а в переходном слое происходят эволюционные процессы возникновения и распада проводящих кластеров, которые можно интерпретировать в тангенциальном направлении как фрактальные, а в радиальном - как перколяционные кластеры [119-123].
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что по проблеме объяснения механизма токопередачи через скользящий контакт до сих пор не сложилась единая точка зрения. Существуют различные толкования процессов, протекающих в переходном слое. Это приводит к тому, что наиболее достоверным и часто используемым средством изучения свойств и характеристик СК до настоящего времени остается эксперимент. Подобное положение обусловлено также отсутствием моделирующих программных продуктов для
Динамическая модель механики электрофрикционного взаимодействия
Моделирование динамики контактирования с учетом нелинейных распределенных параметров позволяет прогнозировать поведение электрощеток в различных режимах работы и осуществлять поиск оптимальных конструкторских решений на стадии проектирования.
На рис.2.4 изображена динамическая модель скользящего контакта с тремя степенями свободы, неудерживающими механическими связями и распределенными нелинейными параметрами контактного слоя [145].
Щетка массой тщ может совершать радиальные колебания Y(t) вдоль оси Y, тангенциальные X(t) вдоль оси X и поворотные колебания (p(t) по углу ф. Тело щетки считаем абсолютно жестким, а массу - распределенной равномерно. Центр масс щетки находится в точке А, которая в динамике перемещается относительно неподвижной системы координат XOY. Модель позволяет исследовать колебания в плоскости XOY. Для аксиальных составляющих модель аналогична.
Эксперименты показывают, что амплитуда аксиальных колебаний мала и слабо влияет на качество контактного взаимодействия. Поэтому в дальнейшем аксиальные колебания не рассматриваются.
Нажимная пружина имеет жесткость Ср, коэффициент демпфирования Кр и воздействует на щетку с усилием FH, которое может быть приложено под углом а к радиальной оси щетки, на расстоянии Lp. Контактный слой "щетка - коллектор" представлен распределенной системой в соответствии с методом граничных элементов. Каждый граничный элемент (ГЭ) задан реологической моделью Кельвина-Фохта [46] в радиальном направлении и моделью Кулона-Амонтона - в тангенциальном. Параметры данных моделей: СКІ -контактная жесткость і-го ГЭ; ККІ - коэффициент контактного демпфирования ГЭ; КТКІ - коэффициент граничного трения ГЭ. Аналогично моделируется контактное взаимодействие с направляющими, которые заданы четырьмя ГЭ такого же типа со следующими параметрами: Сі,..С4, КЬ..К4 - коэффициенты жесткости и контактного демпфирования данных элементов. Механические связи ГЭ неудерживающие, а щетка имеет в направляющих тангенциальный люфт А. Математически это задается нелинейностью параметров ГЭ. В соответствии с квазистатическим принципом Даламбера [59, 60] составим дифференциальные уравнения движения электрощетки под влиянием кинематических возмущающих воздействий YKi(t). где h - высота щетки; Y(t), X(t), ф (t) - радиальное, тангенциальное и угловое перемещения щетки в заданной системе координат; 1, , hj - плечи граничных элементов контактного слоя и направляющих; FY,- , Fx,- - силы трения в граничных элементах контактного слоя и направляющих: AY; , ДХІ - радиальное и тангенциальное сближение взаимодействующих участков контактных микрорельефов в і-м граничном элементе:
Осуществив переход к операторной форме после ряда преобразований и группировок, получим для динамической модели следующую систему уравнений движения: По данным уравнениям движения построим обобщенную структурную схему динамической модели (рис. 2.5). В соответствии с данной схемой была разработана программа, позволившая изучить влияние различных факторов на трехкоординатные колебания щетки. Кроме того, была реализована возможность исследования тангенциальной топографии контактной неустойчивости, контактного давления и удельной контактной жесткости.
Каркас возмущающего кинематического воздействия задаем по динамической профилограмме, измеренной приборами «Профиль», «Рельеф», либо в форме фрактального микрорельефа [118-122] с наложенной на него полигармонической функцией, моделирующей волнистость и эксцентриситет [94, 25]. Для коллектора аналогично вводим микрорельеф и выступание каждой ламели [145]. Профиль зеркала приработанной щетки задаем по результатам измерений, либо автоматически путем генерации фрактального микрорельефа с заданными параметрами.
При автоматической генерации возмущающего кинематического воз действия используем псевдослучайную числовую последовательность где 5 - минимальный перепад профиля; ie[l,N] - порядковый номер шага; ,; - i-e генерированное псевдослучайное число; Z - эксцентриситет; со - циклическая частота вращения; At - время одного шага.
Каркас Y id служит базой для получения числового массива, задающего возмущающее воздействие Yki, используемое в основной расчетной процедуре. Для задания данного массива применим следующие рекуррентные выражения: Ykj = Y ki, при je[l, М]; і = l+int(j I N3), где N3 - количество элементарных шагов расчета на интервал Y ki; М = N N3 - полное число расчетных шагов. При этом для внесения в массив координат межламельных пазов глубиной Yn (для коллектора) принимаем Ykj = Yn при і N3-j N3 (1-1п I tk), где 1п - ширина коллекторной пластины. И окончательно, возмущение для s-ro граничного элемента контактного слоя YkS; р зададим следующими рекуррентными формулами
Способы и устройства постоянной диагностики технического состояния узлов скользящего токосъема
В разделе описаны новые способы и устройства, позволяющие производить непрерывный контроль основных характеристик щеточно-контактных аппаратов электрических машин. Приведены математические выкладки, показывающие взаимосвязь параметров, необходимых для реализации описанных способов и устройств. Рассмотрены вопросы обеспечения необходимой точности. Представлены основные технические характеристики и способы настройки устройств.
Неравномерное распределение тока по щеткам и щеточным бракетам УСТ вызывает повышенное искрение и износ контактирующих поверхностей. На рис.3.17, в качестве примера, показано распределение токов по бракетам полюса «Г» УСТ турбогенератора ТВВ-800 Нижневартовской ГРЭС. Измерения проводились приборами «Контроль» и «КИТ».
Проведение настройки УСТ с помощью приборов оперативной диагностики является трудоемкой и длительной процедурой. Поэтому была разработана и внедрена диагностическая система «Обзор», позволяющая производить непрерывные измерения и отображение картины токораспределения по щеточным комплектам УСТ турбогенератора. В основу системы положена идея определения токов внутри УСТ по результатам автоматической регистрации падений напряжений на токоведущих шинах с применением микропроцессорной техники. После внедрения системы в 1999 году на Нижневартовской ГРЭС, была произведена ее модернизация с введением рекурсивных баз данных, статистической обработки результатов и тображением информации на центральном щите управления (ЦЩУ) электростанции. На рис. 3.18-3.20 показаны основные блоки микропроцессорной диагностической системы «Обзор» и ее размещение в зоне щеточно-контактного аппарата турбогенератора ТВВ-800. В ноябре 2000 года усовершенствованная модель системы была установлена на щеточно-контактном аппа рате Шатурской ГРЭС «Мосэнерго» (рис. П7.2, П7.3, П7.5).
Основными компонентами системы являются: 1) два измерительно-преобразовательных блока (ИПБ), содержащие аналоговые коммутаторы измерительных цепей, микропроцессоры нижнего уровня и блоки связи с центральным процессором; 2) блок обработки и вывода информации (БОВИ), содержащий центральный процессор, блоки интерфейсов и устройства связи с ИПБ; 3) линии связи БОВИ-ИПБ и комплект измерительных кабелей.
Для оценки качества токораспределения применяем интегральные показатели: средний ток щеток 1ср, дисперсию токов о, среднеквадратичное отклонение тока щеток 8 и коэффициент вариации тока Ку. А ср где I; - ток і-й щетки, или группы щеток, узла токосъема; N = 1.. л - количество щеток, или одинаковых щеточных групп.
Возможно представлению токов щеток в табличной форме, а также в виде гистограмм, с указанием на них интегральных величин и выделением токов, выходящих за рамки граничных значений. Наиболее показательным является представление картины токораспределения в динамике [3, 4, 179, 184]. Динамические зависимости токораспределения и его характеристик позволяют не только контролировать текущее состояние, но и прогнозировать качество работы УСТ. Для подобного представления информации необходимы диагностические средства непрерывного действия.
Общая ориентация при проектировании системы непрерывной диагностики токораспределения была сделана на косвенное измерение токов по величинам падений напряжений на контрольных участках токоведущих шин УСТ. К трудностям, возникшим при создании системы, относятся низкие величины полезных сигналов, несущих информацию о величине токов и высокий уровень электромагнитных помех в зоне измерения. Так на УСТ ТВВ-800 Нижневартовской ГРЭС и ТВВ-500 Кольской АЭС значения постоянной составляющей падения напряжения на контрольных участках при номинальной нагрузке турбогенератора не превышали 1,2 мВ. При этом минимальная величина полезного сигнала составляла около 200 мкВ, а сигнал полигармонической помехи достигал в амплитуде нескольких Вольт.
В 2001 году защищены патентом Российской федерации два объекта изобретения: «Способ постоянного контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины и устройство для его осуществления» [6]. Существо новых технических решений заключается в следующем [1, 181]. Способ
Регистрируем последовательно по замкнутому циклу падения напряжения на контрольных участках токоведущих шин УСТ. При этом, регистрацию производим сначала на контрольном участке между началом токоведу-щей шины и первым комплектом щеток, затем на контрольных участках, расположенных между комплектами щеток, затем на контрольном участке между последним комплектом щеток и концом токоведущей шины. После этого регистрируем напряжение «дальнего нуля» (электромагнитной наводки) посередине токоведущей шины, напряжение «ближнего нуля» (напряжение смещения усилителя) и опорное напряжение. После каждого цикла реги (3.12) где і = 1...П - порядковый номер комплекта щеток на токоведущей шине; п - количество комплектов щеток; Ц , Ui+1 , Gj , Gi+i - зарегистрированные величины падений напряжения на контрольных участках и проводимости участков; иод - зарегистрированное напряжения «дальнего нуля» (уровень помех, наводимых в измерительных проводниках); U06 - зарегистрированное напряжение «ближнего нуля»; Uonop , Uon - опорное напряжение и его зарегистрированная величина.
После завершения каждого цикла регистрации и вычислений, складываем величины токов, потребляемых каждым комплектом щеток от разных токоведущих шин, а результаты визуально отображаем.
Величина локальной помехи неодинакова для различных контрольных участков токоведущей шины, что создает дополнительную погрешность измерений, возрастающую пропорционально уровню искрения щеток. Поэтому, для повышения точности измерения, после каждой регистрации падения напряжения на контрольном участке регистрируем напряжение «дальнего нуля» в зоне данного участка. После этого вычисляем токи щеточных комплектов по выражению: где ІІОДІ - напряжение «дальнего нуля» в зоне і-го контрольного участка; и0ді+і - напряжение «дальнего нуля» в зоне і+1-го участка. Для повышения быстродействия регистрируем падения напряжения только между серединами соседних контрольных участков и, дополнительно, с одного участка. Затем находим величины токов щеточных групп Ik-, из системы уравнений:
Длительные промышленные испытания микропроцессорной системы постоянного контроля токораспределения
Диагностическая микропроцессорная система «Обзор» оснащена устройствами и алгоритмами циклической цифровой записи картины токораспределения по группам щеток. Длительная эксплуатация системы на турбогенераторе Нижневартовской ГРЭС позволила накопить значительный объем экспериментальных данных, провести уникальные исследования динамики токораспределения и влияния непрерывного контроля токораспределения на качество функционирования щеточно-контактного аппарата [205].
Для анализа накопленных экспериментальных данных разработана программа, реализующая статистические алгоритмы и графическое представление информации (язык QuickBASIC 4.50 Copyright Microsoft Corporation). Возможности программы представлены в табл. 4.3.
Экспериментальные характеристики и данные, не вошедшие в материалы рассматриваемого раздела, помещены в приложение 9. УСТ турбогенератора ТВВ-800 содержит 100 щеток, размещенных в 20-ти съемных щеточных кассетах, по 10 кассет на каждый полюс УСТ. Нумерация кассет начинается с полюса «Генератор» (расположен ближе к турбогенератору) и продолжается на полюсе «Возбудитель» (расположен ближе к возбудителю). Кассеты полюса подразделяются на ряд «А» и ряд «Б», расположенные с разных сторон УСТ под защитными крышками. В каждом ряду по 5 кассет. На рис.4.8, 4.9 приведены графики токов всех кассет УСТ, измеренные за период 900 часов с интервалом 0,5 часа с наложенной линейной аппроксимацией по методу наименьших квадратов.
Визуальная оценка отснятых зависимостей позволяет сделать несколько предварительных оценок и выводов. 1. Процессы дрейфа токовой загрузки щеточных кассет носят стохастический характер, и их подробное изучение требует привлечения статистических методов обработки информации. 2. Большинство графиков содержит интервалы длительностью 0,5-2 часа, в течение которых ток превышает среднее значение более чем в два раза. 3. Имеют место интервалы времени, в течение которых отдельная кассета практически обесточена. 4. Графики токов кассет полюса «Г» отличаются большей хаотичностью. Это связано с тем, что данное кольцо имело в исследуемый период значительную выработку и повышенный уровень вибрации. 5. Линейная аппроксимация графиков позволяет констатировать, что средние токи кассет лежат в диапазоне 200-300 А (40-60А на щетку).
Сравним интегральные показатели отдельных щеточных бракетов и полюсов УСТ, их токовую загрузку за исследуемый период и стабильность токопередачи (табл. 4.4).
Средние значения показателей для полюсов. Дисперсия: 14948 - полюс "Г", 7732 - полюс "В"; стандартное отклонение: 41.4 - полюс "Г", 36.1 - полюс "В"; среднее отклонение: 36.1 - полюс "Г", 29.8 - полюс "В". Как видим, полюс "Генератора" работает почти в два раза менее стабильно, чем полюс "Возбудителя".
Представим токи щеточных кассет в виде гистограмм, где каждый столбец соответствует току определенной кассеты в данный момент времени. На рис.4.10 показаны гистограммы токов за четыре часа работы УСТ отснятые с интервалом в 1 час, с момента t = 300 час от начала непрерывных измерений. По оси абсцисс отложены номера кассет, а по оси ординат - величина тока, потребляемого в рассматриваемый момент времени.
Токи полюса "В" меняются заметно медленнее, чем токи полюса "Г", что подтверждается также изучением графиков первой производной данных динамических процессов, которые выборочно представлены на рис. 4.11. Рис. 4.11. Скорость изменения тока для некоторых кассет разных полюсов УСТ.
Для кассет полюса «Г» (слева) скорость изменения тока составляет 100-150 А/час, а для кассет полюса «В» - не превышает 30-50 А/час, что еще раз подтверждает более высокое качество функционирования «возбудительного» полюса исследуемого УСТ.
Рассмотрим графики изменения токов полюсов (рис. 4.12) вычисленные как суммы токов отдельных кассет. Токи лежат в диапазоне 2000-3000 А. Имеют место суточные отклонения тока возбуждения, которые не превышают 20%, а также отклонения меньшей длительности, не превышающие 10%.
Графики первой производной для токов полюсов (рис. 4.13) позволяют судить о стабильности токопередачи через совокупный скользящий контакт щеточных кассет соответствующих полюсов УСТ.
Наличие систематической погрешности измерения (отклонения настройки системы, тепловой дрейф нуля и др.) определяет возникновение устойчивого неравенства токов полюсов. Из графиков видно, что величина разности колеблется в области 500А, что составляет около 10% суммы токов полюсов. Последняя величина соответствует относительной систематической погрешности измерения системы (см. рис. 4.15).
На каждом полюсе имеется по две группы щеток: "ряд А" и "ряд Б", размещенных с разных сторон УСТ. Между рядами, как и между отдельными бракетами, происходит перераспределение тока (Ід Ів) при условии ІВозб=ІА+Ів- Избыточная токовая нагрузка ряда ухудшает качество функционирования УСТ, вызывая перегрев щеток, увеличение искрения и износа.
Каждая из фазовых траекторий содержит два стохастических аттрактора, вытянутых перпендикулярно биссектрисе первого квадранта. Следовательно, основные перемещения изображающей точки на фазовой плоскости обусловлены процессами перераспределения тока между рядами. Количество аттракторов указывает на два квазиустойчивых режима с различными величинами общей токовой загрузки. Перемещения вдоль биссектрисы определяются колебаниями тока возбуждения турбогенератора.
Зададим два числовых показателя, определяющих отклонение тока возбуждения от номинала и степень неравномерности загрузки рядов. На рис.4.17 изображена точка номинального режима при отсутствии неравномерной загрузки рядов (точка А=(1Ан, 1Вн) при ІАн=Івн) а также точка В, соответствующая неидеальному режиму работы УСТ. Положение Рис. 4.17. К определению рабочих точек характеризуется векторами RA показателя дисбаланса рядов. и RB. Отклонение рабочей точки от номинального положения указывает вектор R, который представлен суммой векторов гв и гд, определяющих отклонение тока возбуждения от номинала и неравномерность загрузки рядов (вектор дисбаланса). Из диаграммы следует: где Дії - скалярный показатель отклонения тока возбуждения от номинала; Дії - показатель дисбаланса рядов. Причем А1А и А1Б определяются через известные текущие значения токов рядов 1А, 1Б и заданные номинальные токи 1АН = 1БН = 1возб/2. Т.е. А1Б = 1Б - 1Бн , А1А = 1А + 1Ан .УСТ.
