Содержание к диссертации
Введение
.1 Условия и режимы работы твердощеточных систем токосъемаэлектрических машин различного назначения 9
1.2 Основные требования, предъявляемые к твердощеточным систе-мам токосъема электрических машин 14
1.3 Краткий обзор и анализ опубликованных в печати работ, посвя-щенных расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям электрических, тепловых и механических характеристик сильноточного скользящего электрического контакта 15
1.4 Цель и основные задачи диссертационной работы 19
2 STRONG Физические процессы и явления в элементахсильноточного скользящего электрического
контакта тст электрических машин STRONG 22
2.1 Общие замечания и положения .. 22
2.2 Электрические процессы и электродинамические взаимодействияскользящем электрическом контакте 23
2.2.1 Анализ трехмерного стационарного электрического поля вщетке и зависимости ее сопротивления стягивания от размера,формы и расположения пятна проводимости 23
2.2.2 Оценка контактных давлений, числа и размеров пятенпроводимости на расчетной поверхности контактированиящетки Аа 39
2.2.3 Электродинамические взаимодействия между элементами конструкции скользящего электрического контакта 44
2.3 Тепловые процессы и явления в элементах скользящегоэлектрического контакта 51
2.3.1 Анализ распределения и количественная оценка максимального значения температуры внутри объема щетки 51
2.3.2 Определение максимальной температуры &тах и температурыконтактной поверхности &а в различных электрическихконтактах 61
2.3.3 Определение превышений температур поверхностей охлаж-дения щетки А&ащ и контактного кольца А&ак над температурой окружающей среды 0о 78
2.3.4 Тепловые схемы замещения скользящего электрического контакта для определения максимальной температуры внутриобъема щетки 0тах и температуры поверхности контактиро
вания &а 91
2.4 Физико-химические и триботехнические процессы в скользящемэлектрическом контакте105
2.4.1 Химические процессы на рабочих поверхностях элементов контактной пары 105
2.4.2 Виды проводимости скользящего электрического контакта 109
2.4.3 Триботехнические и динамические процессы в скользящемэлектрическом контакте120
2.5 Выводы 130
3 Экспериментальные исследования электрических, тепловых и механических характеристик систем токосъема электрическихмашин 144
3.1 Общие замечания и положения 144
3.2 Цели и задачи экспериментальных исследований 145
3.3 Описание физических моделей, лабораторных установоки устройств для комплексных исследований характеристикскользящего электрического контакта и систем токосъема
электрических машин 147
3.4 Методики проведения исследований и способы измерений 156
3.4.1 Методика определения электрических характеристик скользящего контакта и систем токосъема 156
3.4.2 Способы измерения интенсивности износа и коэффициентатрения элементов скользящего электрического контакта 158
3.5 Исследование падения напряжения в скользящем электрическомконтакте и в системах параллельно работающих щеток 159
3.5.1 Вольтамперные характеристики электрографитированных,металлографитных и металлических щеток в обычной воздушной среде 159
3.5.2 Однофакторные зависимости AUm от 5^, Fm и VK при 1Щ =const 165
3.5.3 Исследование влияния химического состава, температурыи влажности окружающей газовой среды на электрическиехарактеристики скользящего контакта 171
3.5.4 Оценка влияния числа параллельно работающих щеток натокораспределение и величину падения напряжения в систе-ме токосъема 180
3.6 Исследования интенсивности износа элементов сильноточ-ного скользящего контакта 191
3.6.1 Исследование влияния факторов воздействия на коэффициент трения ц различных контактных пар 191
3.6.2 Исследования влияния различных факторов воздействия на интенсивности износа элементов скользящего электрического контакта 197
3.7 Выводы 205
4 Методология трехфакторного мультипликативного математического моделированияэлектрических и механических характеристиксистем токосъема электрических машин
4.1 Общие замечания и положения 217
4.2 Планирование трехфакторного физического эксперимента 218
4.2.1 Выбор вида математической модели и анализ критериев оптимальности планов эксперимента для ее определения 218
4.2.2 Анализ традиционных трехфакторных планов эксперимента
первого порядка 223
4.2.3 Разработка нормированных многоуровневых ортогонально-
ротатабельных планов эксперимента 229
4.2.4 Методика и результаты реализации многоуровневых орто-
гонально-ротатабельных несимметричных планов эксперимента.. 235
% 4.3 Особенности определения и оценки адекватности и точности
мультипликативных математических моделей Дм и A/z 238
4.3.1 Определение коэффициентов и статистический анализ уравнения линейной регрессии238
4.3.2 Статистическая оценка точности мультипликативногоматематического моделирования 241
4.4 Выводы 244
5 Методологические основы практическогоиспользования математических моделейпадения напряжения в системе токосъема искорости износа ее элементов 247
5.1 Общие замечания и положения 247
5.2 Методология расчета и оптимизации параметров систем
токосъема электрических машин 248
5.3 Методология оценки технического состояния и прогнозированиянадежности работы систем токосъема электрических машин вразличных режимах их эксплуатации 254
5.3.1 Общие замечания и положения 254
5.3.2 Анализ существующих методов расчета и прогнозирования надежности элементов систем токосъема электрических машин... 256
5.3.3 Новый метод оценки вероятности безотказной работы щетки,учитывающий принципиальную множественность режимов ееэксплуатации в системе токосъема 268
5.3.4 Количественная оценка вероятности безотказной работысистемы токосъема по известным показателям надежности ееэлементов 273
5.4 Выводы280
Заключение 282
Литература 284
Приложение 1
- Краткий обзор и анализ опубликованных в печати работ, посвя-щенных расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям электрических, тепловых и механических характеристик сильноточного скользящего электрического контакта
- Электрические процессы и электродинамические взаимодействияскользящем электрическом контакте
- Цели и задачи экспериментальных исследований
- Планирование трехфакторного физического эксперимента
Введение к работе
1.1 Условия и режимы работы твердощеточных систем токосъема электрических машин различного назначения.
Настоящая диссертационная работа обобщает результаты многолетней деятельности группы сотрудников кафедры «Электрические машины» СПбГГТУ (ЛПИ им. М.И.Калинина) под руководством и непосредственном участии автора в области исследования, расчета и проектирования сильноточных многощеточных систем токосъема с контактными кольцами для электрических машин различного назначения, включая турбо- и гидрогенераторы, а также ферромагнитные и сверхпроводниковые униполярные генераторы и двигатели для питания электрофизической и технологической аппаратуры, систем электродвижения судов и других транспортных средств.
Необходимость в проведении соответствующего цикла работ была предусмотрена целевой комплексной программой «Электрооборудование» (п.01.05 и п. 02.03) и программой 0.14.02 «Создать новые виды электротехнического оборудования с использованием явления сверхпроводимости» (приказ Минэлек-тротехпрома СССР и Минвуза РСФСР №726/671 от 17.11.83) [113, 127, 129, 130], направлением 8.2 научно-технической программы «Повышение надёжности, экономичности и экологичности электроэнергетической системы России» (1993-1995) [91, 117], грантами Минобразования РФ (1995-2001) [118-121], заказами научно-исследовательских и промышленных предприятий (1980 -1997) - ВНИИ Электромашиностроения, АО «Электросила», «Ленэнергоремонт» и др.[113, 115,122-136].
Основной целью всех отмеченных работ цикла был поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь разрабатываемых твердощеточных систем токосъема (ТСТ). Актуальность и практическая значимость такого поиска обусловлены, прежде всего, тем, что ТСТ, явля ясь одним из важнейших элементов конструкции электрических машин, определяют не только их эксплуатационную надежность в целом, но даже и возможность создания некоторых из них, например, униполярных. В частности, по данным ВНИИ Электромашиностроения на долю щеточно-контактного аппарата (ЩКА) более 250 турбогенераторов мощностью от 200 до 800 МВт в 1984-1985 гг. приходилось, в среднем, до 20 % от общего числа отказов турбогенераторов и до 20% времени их простоя на ремонт. Несмотря на некоторое снижение этих показателей за последние годы [32, 294], проблема обеспечения высокой эффективности и надежности работы систем токосъема в электроэнергетических машинах по-прежнему остается весьма актуальной и важной. Сложность ее решения вызвана чрезвычайно жесткими и напряженными условиями и режимами эксплуатации ТСТ в мощных турбогенераторах (ТГ) и, особенно, в сверхпроводниковых униполярных электрических машинах (СПУЭМ) [279, 159, 139].
В сильноточных и многощеточных ТСТ электрических машин на контактных кольцах диаметром от 300 до 1000 мм, изготовленных, как правило, из турбогенераторной нержавеющей стали или из меди со специальными легирующими добавками редкоземельных металлов [131], параллельно работают от нескольких десятков в ТГ до несколько сотен в СПУЭМ электрографитирован-ных или металлографитных электрощеток при суммарном токе в системе /s от 3-8 кА в ТГ до 100 и более кА в СПУЭМ при скорости перемещения контактных пар VK до 90-150 м/с. Соответствующая расчетная плотность тока в сколь-зящем контакте (СК) составляет 8-10 (15-30) А/см в ТГ и 100-300 А/см в СПУЭМ. Большие токовые и тепловые нагрузки, работа в различных квазиу-становившихся и переходных режимах по 1 и VK в условиях значительной влажности и высокой температуры окружающей среды, неравномерного токо-распределения по щеткам и наличия вибраций и биений контактных колец, угольной и медной пыли, сильных магнитных полей способствуют возникновению отказов в ТСТ электрических машин [95, 96, 113, 122- 124, 128, 130, 131, 133]. Наиболее характерными из них являются отказы щеток, токоподводящих жгутов, пружин щеткодержателей и контактных колец [144, 145].
Основной причиной отказа многощеточной ТСТ как системы с постепенными отказами является, конечно, линейный износ щеток, непосредственно обусловленный усилием нажатия на них Fm, скоростью скольжения контактных пар, неравномерностью токораспределения по щеткам и нестабильностью их контактирования.
Существенное влияние на равномерность токораспределения по щеткам оказывает конструктивное исполнение щеточного узла. В частности, когда траверса служит одновременно и токоподводом, и местом крепления щеткодержателей [3], то это приводит при больших токовых нагрузках к значительному падению напряжения на траверсе и, как следствие, неравномерному токораспре-делению по щеткам параллельных дорожек. Именно поэтому все современные конструкции щеточного аппарата выполняется с изолированными щеткодержателями [144-146]. В качестве последних в многощеточных системах токосъема турбогенераторов применяются, как правило, щеткодержатели типа ДБ, позволяющие осуществить дискретное регулирование усилия нажатия на щетку и, тем самым, реализовать требования отраслевых инструкций [144-146] и опубликованные в литературе рекомендации [3, 32, 42, 195, 294, 300].
Эффективность регулирования нажатий на щетки с целью улучшения токораспределения по ним зависит от вида профилирования рабочей поверхности контактных колец (КК). При гладкой рабочей поверхности КК, несмотря даже на регулирование щ, возможно «стягивание» тока в некоторые щетки и практическое отсутствие его в ряде других щеток - коэффициент вариации тока по щеткам (относительная величина его среднеквадратичного отклонения) при этом нередко превышает 80-100% [114, 132, 144, 145]. Поэтому на рабочей поверхности КК электроэнергетических машин широко применяется не только винтовая, но и ромбическая нарезка (канавка прямоугольного сечения) [144, 145], предназначенная не только для устранения «воздушного клина» под щет ками, но и для принудительного переключения тока по щеткам. В результате коэффициент вариации тока по щеткам, как показано в работах автора [105, 108, 114, 132], снижается, особенно при наличии коллекторно-винтовой (комбинированной) нарезки, до 10-20%
Интенсивность износа щеток зависит, как уже отмечалось выше, и от величины и характера динамических возмущений, обусловленных консольным расположением узла контактных колец на валу ТГ. В частности, по данным предприятия «Ленэнергоремонт» [144, 145], при амплитуде вибрации вала ТГ порядка 200-300 мкм двойная амплитуда вибрации КК достигает 1000 мкм. Возникающая при этом нестабильность контактирования щеток приводит к существенному искрению под щетками и возрастанию их износа вследствие интенсификации электрофизических и электрохимических процессов в контактной зоне. Причем характер протекания и направленность этих процессов зависят не только от величины и полярности тока в щетках, но и от влажности, температуры и химического состава окружающей газовой среды, особенно в ТСТ СПУЭМ для систем электродвижения судов [107].
Режимы работы систем токосъема ТГ и СПУЭМ по h, Fm и VK являются, по существу, квазиустановившимися, так как, например, в турбогенераторе ТВВ-320-2, установленном на ТЭЦ-22 «Ленэнерго», текущий ток в системе характеризуется циклическим изменением в течение 1-2 мин. на ± 400-450 А по отношению к номинальному току в 2400 А при частоте циклов до 25-30 в час. Возможен также и другой циклический режим работы медленно нарастающего и спадающего в течение 5 мин. тока общей длительностью 15-20 мин. и с частотой от 20 до 1 цикла за сутки [144]. Каждый из указанных режимов сопровождался непропорциональным перераспределением тока по щеткам и интенсивным искрением под некоторыми из них. В СПУЭМ при переходе от форсированного режима работы к крейсерскому изменяется не только суммарный ток в системе, но и скорость скольжения контактных пар [107]. Кроме того, каждый из возможных режимов работы ТСТ СПУЭМ характеризуется чрезвычайно вы соким уровнем суммарных электрических и механических потерь в системе (от 40 до 100 и более кВт), неизбежно предопределяющим необходимость водяного охлаждения щеткодержателей [107]. Высокая тепловая напряженность элементов контактной пары, воздействие на них существенных электродинамических усилий (от 10 до 100 и более Н на щетку) при наличии магнитного поля в зоне токосъема могут вызывать «залипание» или (и) дополнительную тангенциальную вибрацию щеток, размягчение их материала и, как следствие, увеличение износа щеток и искрения под ними [100, 102].
Принципиальной важной особенностью условий работы щеток в системах токосъема является различие в шероховатости рабочей поверхности контактных колец противоположной полярности, что предопределяет применение в полярных группах не только различных марок, но и типов электрических щеток для получения соизмеримых, а лучше одинаковых скоростей их износа. Именно поэтому в системах токосъема ТГ мощностью свыше 150 МВт для КК отрицательной полярности используют специально разработанные электрографитированные щетки ЭГ2АФ, а для КК положительной полярности - металлографитные щетки 61 ЮМ [144,145]. Благодаря легирующим добавкам и различным связующим эти турбогенераторные щетки имеют практически одинаковые антифрикционные свойства (и « 0.25) и интенсивность износа (порядка 4 мм/1000 ч) при скорости скольжения 90 (!) м/с [193]. К сожалению, эти щетки нельзя использовать в системах токосъема униполярных электрических машин из-за соответствующего большого падения напряжения в контактной паре порядка 2 В. Поэтому в таких системах могут применяться исключительно щетки металлографитного класса с большим содержанием меди и, как следствие, низким падением напряжения ( 0.2-0.3 В). Из щеток, изготавливаемых в нашей стране, этим качеством обладают только щетки марки МГСО и, отчасти, МГ. Однако меднографитные щетки с Си 75% при работе на контактных кольцах из нержавеющей стали имеют очень большой износ, и соответствующая контактная пара считается несовместной [130, 131]. Вместе с тем, жесткое требование вы соких скоростей скольжения контактных пар ( 100 м/с) в ТСТ униполярных машин предопределяет использование в них именно стальных КК. Поэтому совершенствование традиционных и поиск принципиально новых контактных пар, в полной мере удовлетворяющих современным техническим и эксплуатационным требованиям к много щеточным и сильноточным системам токосъема различных электрических машин, является весьма важной научно-практической задачей. Анализ опубликованных в литературе данных [16, 139, 253, 279, 290] и результаты собственных расчетных и экспериментальных исследований автора [95, 96, 107, 115] позволили сформулировать указанные требования, которые в обобщенном виде представлены в следующем подразделе введения.
1.2 Основные требования, предъявляемые к твердо щеточным системам токосъема электрических машин.
Вновь проектируемые много щеточные и сильноточные системы токосъема электроэнергетических и униполярных электрических машин, учитывая современные тенденции их развития [107, 115, 118], должны удовлетворять следующим обобщенным техническим и эксплуатационным требованиям:
• суммарный ток в системе - 100-120 кА;
• малые переходные падения напряжения в полярной группе системы -0.1-0.2 В;
• среднее значение тока в щетке - до 1000 А (расчетная плотность тока в щетке - 150-300 А/см ;
• коэффициент трения контактных пар - 0,1- 0,25;
• скорость скольжения контактных элементов - 100-150 м/с;
• средний или гамма процентный ресурс системы - 5000-8000 часов без замены щеток и остановок на планово-предупредительный ремонт; • высокие энергетические показатели - малые электрические и механические потери в системе по условиям теплоотдачи с поверхностей элементов ее конструкции;
• надежная и стабильная работа без искрения в режимах и условиях эксплуатации, предусмотренных техническим заданием при наличии сильного магнитного поля;
• безопасность эксплуатации, простота обслуживания и ремонта;
• высокие массогабаритные показатели;
• низкая стоимость.
Удовлетворение всем этим жестким и во многом противоречивым требованиям представляет собой весьма сложную научно-техническую проблему, связанную с необходимостью комплексного решения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских и проектно-конструкторских задач. Оценке современного состояния указанной проблемы и анализу степени решения ее задач посвящен следующий подраздел введения.
1.3 Краткий обзор и анализ опубликованных в печати работ, посвященных расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям электрических, тепловых и механических характеристик сильноточного скользящего электрического контакта.
Общая теория скользящего электрического контакта, в основе которой лежат результаты глубоких экспериментальных исследований его видов проводимости и соответствующие гипотезы Р. Мейера [205, 214], И. Нейкирхена [218, 219, 222] и Р. Хольма [291], успешно и динамично развивается до настоящего времени. Ее важнейшие положения и понятия были в концентрированном и обобщающем виде изложены в фундаментальной монографии Р. Хольма «Электрические контакты», опубликованной на русском языке в 1961г. [291]. Работы последующих исследователей велись, как правило, в целях подтверждения и уточнения отдельных теоретических положений Р. Хольма, а также в направлениях, не нашедших отражения в его монографии, что способствовало, конечно, становлению и развитию современной теории скользящего контакта. В значительной мере это относится к работам отечественных ученых Белого В.А. [23, 175], Брона О.Б. [33-35], Глускина Б.А. [213], Давидовича Я.Г. [71], Дридзо М.Л. [79-81], Зиннера Л.Я. [138, 172], КарасеваМ.Ф. [162, 163], Козлова А.А. [170-173], КончицаВ.В. [23, 175, 176], Лифшица П.С. [190-195], Мешкова В.В. [175], Мышкина Н.К. [175], Нелина В.И. [223-225], Плохова И. В. [230, 233, 234], Савкина В.Г. [176], Скороспешкина А.И. [138, 172, 173], Туктаева И.И. [260-268], Филиппова Ю.А. [278], Хлыстова М.Ф. [285-289] и др., посвященным исследованиям электрических, тепловых и механических процессов в скользящем электрическом контакте (СК), видов его проводимости, его полярных и полупроводниковых свойств, а также триботехники, динамики и стабильности контактирования элементов СК.
Весом вклад отечественных исследователей и в решение практических задач повышения надежности и эффективности систем токосъема электроэнергетических машин. Здесь, прежде всего, следует отметить результаты работ Ав-руха В.Ю. [3.4], Бекишева Р.Ф. [22], Брауде Л.И. [32], Глускина А.Я. [4, 42, 43, 213, 255], Григорьева А.В. [57, 58], Егорова В.Е. [232, 233], Еремина А.А. [137], Зайчикова В.Г. [3, 4, 42, 43, 137, 276], Ковалева И.Ф. [137], Кожевниковой Т.Н. [37, 57], Лирина В.Н. [196, 197], Лириной Г.П. [196], Маслова В.В [32, 212], Платова B.C. [276], Плохова И.В. [8, 232, 233, 234, 293], Родионова Ю.А. [233, 293], Ростика Г.В. [25], Савраева И.Е. [8, 232], Соколова Н.А. [252], Фиалкова А.С. [275, 276], Хуторецкого Г.М. [293], Цветкова В.А. [25, 294], Шабаева Р.К. [293], Юкова Э.М. [19, 174, 197, 300], Ямпольского Д.А. [57] и др. по созданию новых контактных пар, приборов и средств контроля, мониторинга и диагностики технического состояния элементов щеточно-контактного аппарата различных турбогенераторов. Среди немногочисленных, к сожалению, публикаций [27, 36, 137, 177-179, 181-183, 190, 191, 195, 281], посвященных решению важнейшей научно - практической задачи математического моделирования характеристик систем токосъема различных электрических машин, наибольший интерес представляют работы Кузнецова Н.Л. [178, 179,181-183], Копылова И.П. [178, 179] и Токарева Б.Ф. [183] по математическому моделированию показателей надежности систем токосъема коллекторных электрических машин.
С начала 80-х годов прошлого века во всех промышленно развитых странах (Англии, США, Франции, Японии, СССР) начались работы по созданию сверхпроводниковых униполярных электрических машин и соответствующих сильноточных (до 100 и более кА) и высокоскоростных (до 100 4- 150 м/с) много щеточных систем токосъема. Основными направлениями этих работ в части повышения эффективности и надежности как традиционных, так и принципиально новых систем токосъема являлись исследования возможности эксплуатации различных контактных пар в экстремальных режимах их работы по току и скорости скольжения, совершенствование технологии изготовления щеток, исследование возможности применения угле- и медно-волокнистых щеток, поиск новых контактных пар, комплексные исследования влияние влажности, температуры и химического состава окружающей среды на электрические и механические характеристики скользящего контакта [12, 14-16, 18, 68-70, 83, 85, 86, 147-153, 158, 159, 185-189, 203, 204, 206-209, 236-238, 247, 248, 250, 276, 282]. Наиболее значительными и глубокими работами в перечисленных направлениях, несомненно, следует считать исследования McNab I.R. [153, 206-209], Johnson J.L.[68-70, 206], Bryant M.D [15, 18, 187], Everett J.E. [85, 86], Castevens J.M.[149, 150], Lee P.K [185, 186], , Reichner P [236-238], а также работы отечественных исследователей Фиалкова А.С., Зайчикова В.Г., Платова B.C. [276] и Калашникова В.К. Круглина В.А. Понамаревой А.А. Рубинраута A.M. Фридмана Г.Н. [159]. Подробный анализ результатов большинства из указанных выше работ будет дан в соответствующих разделах диссертации. Здесь же необходимо только отметить, что общим недостатком многих из них является отсутствие системного подхода к проводимым исследованиям без какого-либо теоретического обоснования или, хотя бы, статистической оценки значимости новых, часто противоречивых результатов. К сожалению, практически не решаются задачи расчета и оптимизации параметров сильноточных и много щеточных систем токосъема, математического моделирования их характеристик, прогнозирования технического состояния и надежности. Расчет систем токосъема, как не парадоксально, по-прежнему ведется лишь на основе использования среднестатистических значений падения напряжения в контакте и скорости износа его элементов. Некоторые общепринятые теоретические положения нуждаются в уточнении и даже пересмотре. Поэтому поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь создаваемых систем токосъема по-прежнему является актуальным и представляет собой сложную научно-техническую проблему, требующую комплексного решения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских, проектно-конструкторских и диагностических задач. Решению наиболее важной части этой проблемы, связанной с расчетом и проектированием новых систем токосъема, а также с модернизацией уже существующих систем и посвящена диссертационная работа. Ее цель и основные задачи, определяющие укрупненную структуру диссертации в качестве законченной научной работы, решающей важную научно-практическую проблему, сформулированы и изложены в последнем подразделе введения.
1.4 Цель и основные задачи диссертационной работы.
Целью диссертации является разработка научно-методологических основ расчета и проектирования сильноточных и много щеточных систем токосъема электрических машин различного назначения на базе использования многофакторных мультипликативных математических моделей падения напряжения в системах и скорости износа их элементов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные самостоятельные и логически связанные задачи:
1. На основе расчета трехмерного стационарного электрического поля в проводящем параллелепипеде (щетке) с геометрическими размерами axtxh получить общее аналитическое выражение для определения сопротивления стягивания тока в нем с учетом размеров, формы и вероятностного характера значений координат а-пятна проводимости на его расчетной («кажущейся») контактной поверхности Аа площадью Зщ =axt.
2. Оценить характер механических взаимодействий между микро выступами на контактных поверхностях элементов скользящего электрического контакта (СК), число и размеры соответствующих а-пятен проводимости на этих поверхностях.
3. Провести расчетно-теоретический анализ и экспериментальные исследования электродинамических сил, действующих на элементы СК в магнитном поле, получить выражения для расчета максимальных значений составляющих этих сил и дать практические рекомендации по их уменьшению.
4. На основе расчета и совместного анализ взаимосвязанных трех- и двухмерных электрических и тепловых полей, а также дифференциальных уравнений теплового баланса в элементах СК получить обобщающие выражения для оценки тепловой напряженности элементов неоднородного по электрическим и теплофизическим параметрам электрического контакта, позволяющие рассчитать максимальную температуру Smax внутри элемента с меньшей теплопроводностью и температуру его контактной поверхности Sa с учетом соотношения суммарных электрических Q3Ji и механических QMex потерь в контакте. 5. Выполнить расчетно-теоретические и экспериментальные исследования коэффициентов теплоотдачи с поверхностей контактных элементов СК с учетом скорости их перемещения и вида профилирования («нарезки») рабочей поверхности контактных колец.
6. Разработать тепловые схемы замещения СК для оценки на стадии проектирования систем токосъема тепловой напряженности элементов контактной пары при любом характере распределения в них тепловых источников и различных граничных условиях на соответствующих поверхностях охлаждения.
7. Выполнить анализ развития взглядов на природу и сущность физико-химических и триботехнических процессов в скользящем электрическом контакте, дать объективную оценку научных гипотез о видах проводимости СК и характере фрикционных взаимодействий между его элементами на основе соответствующих расчетно-теоретических и экспериментальных исследований.
8. Качественно оценить вид и степень влияния различных факторов воздействия на интегральные характеристики СК - величину падения напряжения в нем At/и интенсивность износа его элементов. А/г, обосновать необходимость их многофакторного математического моделирования, сформулировать цель и задачи соответствующих однофакторных экспериментальных исследований и А/г.
9. На специально созданных стендах и лабораторных установках провес ти однофакторные экспериментальные исследования электрических, тепловых и механических характеристик СК и систем токосъема в экстремальных режимах их эксплуатации по току и скорости скольжения в условиях регулируемых влажности, температуры и химического состава окружающей газовой среды.
Выполнить дисперсионный анализ статистической значимости влияния различных факторов воздействия на At/и А/г, выбрать основные из них для разработки соответствующих линейных математических моделей.
10. Разработать методологию трехфакторного мультипликативного моделирования At/ и А/г на основе использования ортогонально-рототабельных нор мированных несимметричных и симметричных матриц планирования эксперимента по точкам на сферической поверхности факторного пространства независимых переменных. Определить мультипликативные математические модели вида AU(Ah)-С-Іщ-F -V для различных контактных пар, применяемых в сильноточных и много щеточных ТСТ электрических машин.
11.Разработать методологические основы практического использования мультипликативных математических моделей At/и А/г для расчета и оптимизации параметров много щеточных и сильноточных систем токосъема по минимуму суммарных потерь или (и) требуемому ресурсу их эксплуатации, для прогнозирования технического состояния и надежности систем с учетом принципиальной множественности сменяющих друг друга режимов и условий их работы, а также для статистической оценки значимости различных нерегулируемых факторов воздействия на А/и А/г.
Результатам решения всех указанных задач и посвящены последующие разделы диссертационной работы.
Краткий обзор и анализ опубликованных в печати работ, посвя-щенных расчетно-теоретическим и экспериментальным исследованиям электрических, тепловых и механических характеристик сильноточного скользящего электрического контакта
Общая теория скользящего электрического контакта, в основе которой лежат результаты глубоких экспериментальных исследований его видов проводимости и соответствующие гипотезы Р. Мейера [205, 214], И. Нейкирхена [218, 219, 222] и Р. Хольма [291], успешно и динамично развивается до настоящего времени. Ее важнейшие положения и понятия были в концентрированном и обобщающем виде изложены в фундаментальной монографии Р. Хольма «Электрические контакты», опубликованной на русском языке в 1961г. [291].
Работы последующих исследователей велись, как правило, в целях подтверждения и уточнения отдельных теоретических положений Р. Хольма, а также в направлениях, не нашедших отражения в его монографии, что способствовало, конечно, становлению и развитию современной теории скользящего контакта. В значительной мере это относится к работам отечественных ученых Белого В.А. [23, 175], Брона О.Б. [33-35], Глускина Б.А. [213], Давидовича Я.Г. [71], Дридзо М.Л. [79-81], Зиннера Л.Я. [138, 172], КарасеваМ.Ф. [162, 163], Козлова А.А. [170-173], КончицаВ.В. [23, 175, 176], Лифшица П.С. [190-195], Мешкова В.В. [175], Мышкина Н.К. [175], Нелина В.И. [223-225], Плохова И. В. [230, 233, 234], Савкина В.Г. [176], Скороспешкина А.И. [138, 172, 173], Туктаева И.И. [260-268], Филиппова Ю.А. [278], Хлыстова М.Ф. [285-289] и др., посвященным исследованиям электрических, тепловых и механических процессов в скользящем электрическом контакте (СК), видов его проводимости, его полярных и полупроводниковых свойств, а также триботехники, динамики и стабильности контактирования элементов СК.
Весом вклад отечественных исследователей и в решение практических задач повышения надежности и эффективности систем токосъема электроэнергетических машин. Здесь, прежде всего, следует отметить результаты работ Ав-руха В.Ю. [3.4], Бекишева Р.Ф. [22], Брауде Л.И. [32], Глускина А.Я. [4, 42, 43, 213, 255], Григорьева А.В. [57, 58], Егорова В.Е. [232, 233], Еремина А.А. [137], Зайчикова В.Г. [3, 4, 42, 43, 137, 276], Ковалева И.Ф. [137], Кожевниковой Т.Н. [37, 57], Лирина В.Н. [196, 197], Лириной Г.П. [196], Маслова В.В [32, 212], Платова B.C. [276], Плохова И.В. [8, 232, 233, 234, 293], Родионова Ю.А. [233, 293], Ростика Г.В. [25], Савраева И.Е. [8, 232], Соколова Н.А. [252], Фиалкова А.С. [275, 276], Хуторецкого Г.М. [293], Цветкова В.А. [25, 294], Шабаева Р.К. [293], Юкова Э.М. [19, 174, 197, 300], Ямпольского Д.А. [57] и др. по созданию новых контактных пар, приборов и средств контроля, мониторинга и диагностики технического состояния элементов щеточно-контактного аппарата различных турбогенераторов.
Среди немногочисленных, к сожалению, публикаций [27, 36, 137, 177-179, 181-183, 190, 191, 195, 281], посвященных решению важнейшей научно - практической задачи математического моделирования характеристик систем токосъема различных электрических машин, наибольший интерес представляют работы Кузнецова Н.Л. [178, 179,181-183], Копылова И.П. [178, 179] и Токарева Б.Ф. [183] по математическому моделированию показателей надежности систем токосъема коллекторных электрических машин.
С начала 80-х годов прошлого века во всех промышленно развитых странах (Англии, США, Франции, Японии, СССР) начались работы по созданию сверхпроводниковых униполярных электрических машин и соответствующих сильноточных (до 100 и более кА) и высокоскоростных (до 100 4- 150 м/с) многощеточных систем токосъема. Основными направлениями этих работ в части повышения эффективности и надежности как традиционных, так и принципиально новых систем токосъема являлись исследования возможности эксплуатации различных контактных пар в экстремальных режимах их работы по току и скорости скольжения, совершенствование технологии изготовления щеток, исследование возможности применения угле- и медно-волокнистых щеток, поиск новых контактных пар, комплексные исследования влияние влажности, температуры и химического состава окружающей среды на электрические и механические характеристики скользящего контакта [12, 14-16, 18, 68-70, 83, 85, 86, 147-153, 158, 159, 185-189, 203, 204, 206-209, 236-238, 247, 248, 250, 276, 282]. Наиболее значительными и глубокими работами в перечисленных направлениях, несомненно, следует считать исследования McNab I.R. [153, 206-209], Johnson J.L.[68-70, 206], Bryant M.D [15, 18, 187], Everett J.E. [85, 86], Castevens J.M.[149, 150], Lee P.K [185, 186], , Reichner P [236-238], а также работы отечественных исследователей Фиалкова А.С., Зайчикова В.Г., Платова B.C. [276] и Калашникова В.К. Круглина В.А. Понамаревой А.А. Рубинраута A.M. Фридмана Г.Н. [159].
Подробный анализ результатов большинства из указанных выше работ будет дан в соответствующих разделах диссертации. Здесь же необходимо только отметить, что общим недостатком многих из них является отсутствие системного подхода к проводимым исследованиям без какого-либо теоретического обоснования или, хотя бы, статистической оценки значимости новых, часто противоречивых результатов. К сожалению, практически не решаются задачи расчета и оптимизации параметров сильноточных и многощеточных систем токосъема, математического моделирования их характеристик, прогнозирования технического состояния и надежности. Расчет систем токосъема, как не парадоксально, по-прежнему ведется лишь на основе использования среднестатистических значений падения напряжения в контакте и скорости износа его элементов. Некоторые общепринятые теоретические положения нуждаются в уточнении и даже пересмотре. Поэтому поиск путей повышения эффективности и надежности как существующих, так и вновь создаваемых систем токосъема по-прежнему является актуальным и представляет собой сложную научно-техническую проблему, требующую комплексного решения целого ряда расчетно-теоретических, исследовательских, проектно-конструкторских и диагностических задач. Решению наиболее важной части этой проблемы, связанной с расчетом и проектированием новых систем токосъема, а также с модернизацией уже существующих систем и посвящена диссертационная работа. Ее цель и основные задачи, определяющие укрупненную структуру диссертации в качестве законченной научной работы, решающей важную научно-практическую проблему, сформулированы и изложены в последнем подразделе введения.
Электрические процессы и электродинамические взаимодействияскользящем электрическом контакте
В общей теории электрического контакта Р.Хольма [291] под сопротивлением стягивания понимается добавочное сопротивление Rc, обусловленное искривлением (стягиванием) линий тока в элементах контактной пары к пятнам проводимости (а-пятнам) на поверхности непосредственного механического контакта (поверхности Аь, воспринимающей механическое усилие нажатия Р на контакты). Площадь этой поверхность в сотни и даже тысячи раз меньше расчетной (по терминологии Р. Хольма - «кажущейся») площади контактирова ния Аа, равной площади поперечного сечения («зеркала») щетки 8Щ =axt, гдеа и t ее аксиальный и тангенциальный геометрические размеры. В случае теоретически равномерного распределения плотности тока j по высоте щетки h,включая и ее «зеркало», сопротивление между двумя, отстоящими на h эквипотенциальными поверхностями - торцевой гранью щетки At и Аа -R0 =p-h/(a). В условиях реального контактирования сопротивление между At и поверхностью а - пятна (а-пятен) Ra превышает RQ на величину Rc.
Используя математическую аналогию между дифференциальными и интегральными характеристиками электростатических и стационарных электрических полей, а также результаты решения F. Kottler [156] и W Smythe [249] классических задач электростатики, в частности задач определения емкости между двумя поверхностями произвольной формы, Р. Хольм получил простое и изящное выражение для расчета сопротивления длинной области стягивания (R0 - О) в одном из двух симметричных, полубесконечных контактных элементов—где а- радиус круглого а - пятна проводимости на бесконечной поверхности контактирования Аа. Именно благодаря своей исключительной простоте, выражение (2.1) нашло самое широкое применение в практике инженерных расчетов соответствующих электрических потерь и тепловой напряженности различных контактных пар [254]. Однако, даже в случае идеально чистого контакта, когда воспринимающая усилие нажатия поверхность Ah равна поверхности ос-пятен (поверхности стягивания Ас), реальное значение сопротивления стягивания Rc может значительно отличаться от рассчитанного по (2.1) значения. Так, в частности, еще сам Р.Хольм установил существенное влияние на Rc формы эллиптического пятна проводимости при неизменной его поверхности, получивзависимости коэффициента уменьшения Rc - коэффициента формы Ду) от соотношения большой и малой полуосей эллипса у. Кроме того, Р.Хольм указал на очевидную ошибочность применения (2.1) для оценки Rc в случае короткого стягивания, когда длина или объем области стягивания соизмеримы с размерами радиуса пятна проводимости а или объемом контактного элемента.
Отмеченные факторы вызывают уменьшение Rc (теоретически до нуля), и, на первый взгляд, могут не учитываться, как это и делается, в инженерных расчетах точечных (торцевых или линейных) контактов, обеспечивая тем самым их определенный «запас прочности» наряду с обычно вводимым в рассмотрение коэффициентом чистоты контактных поверхностей (3 = 0.02-1 [254]. Однако, в случае чистого (Р = 1) или самоочищающегося плоского несимметричного контакта необходимо считаться с факторами, неизбежно вызывающими увеличение Rc. К ним, в первую очередь, необходимо отнести расположение (координаты) пятна проводимости на расчетной поверхности контактирования Аа.
Действительно, при неизменной величине площади а-пятна, перемещение его из центра прямоугольной поверхности Аа в ее угол, очевидно, должно вызывать резкое (почти в 2 раза) увеличение Rc. Строго говоря, в несимметричных контактах (щетка - контактное кольцо) при определении Rc нужно также учитывать поправку Максвелла - Релея, хотя она и невелика [210, 291]. Таким образом, при учете реальной геометрии контактных пар, формы и расположения пятна проводимости на расчетной поверхности контактирования Аа, физически реальное значение Rc принципиально отличается от рассчитанного по широко применяемой на практике формуле Р. Хольма (2.1) значения.
Физически корректное аналитическое значение Rc может быть найдено только в результате расчета трехмерного электрического поля в объеме контактной пары. Получаемые при этом выражения для определения Rc являются, как будет показано ниже, весьма громоздкими и, как следствие, мало пригод ными для практических инженерных расчетов. Однако расчетно-теоретический анализ этих выражений позволяет дать научно обоснованные рекомендации по выбору поправочных коэффициентов в (2.1), либо, что значительно строже, непосредственно в относительную величину Ra, принимая за базисное значение R0
Используя граничные условия К. Неймана на всех гранях проводящего параллелепипеда с геометрическими размерами axtxh и разработанный Ю.Я. Иосселем алгоритм расчета трехмерных потенциальных полей методом разделения переменных [111], можно для определения потенциала U{x,y,z) любой точки тела щетки с геометрическими размерами axtxh (см. рис.2.1) получить следующее выражение где xE и уг — координаты центра прямоугольного пятна проводимости с геометрическими размерами ejx Є2.
Для иллюстрации влияния положения пятна проводимости на величину Raна рис. 2.2 и 2.3 показаны рассчитанные по (2.2) картины эквипотенциальных линий U =/(х, у, z) в диагональной плоскости (у = х) единичного куба (a=t=h=l, р=1, /=1) при расположении квадратного а-пятна (єі=Єі = 0.1) соответственно в центре (хг=уг= 0.5) и в углу (xz=yz- 0.05) его торцевой грани. Изкачественно-количественного сопоставления этих картин следует, что при перемещении пятна проводимости потенциалы одноименных точек на плоскости резко возрастают, и, как следствие, увеличивается Ra. Соответствующее выражение для расчета Ra можно получить, разделив на / разность потенциалов между центром пятна проводимости на рабочей грани Аа и центром торцевой грани щетки At
Цели и задачи экспериментальных исследований
Важнейшей целью однофакторных экспериментальных исследований характеристик скользящего электрического контакта являлся выбор основных факторов воздействия на величину падения напряжения в контакте А [/и интенсивность износа его элементов А/г в результате определения их функциональных зависимостей от различных регулируемых факторов воздействия и статистической оценки значимости влияния на A U и А/г нерегулируемых факторов. Кроме того, для проверки справедливости ряда теоретических допущений и выводов, сделанных в предыдущей главе, а также для выработки практических рекомендаций по повышению эффективности и надежности работы различных систем токосъема необходимо было выполнить исследование электрических и механических характеристик традиционных и принципиально новых контактных пар в экстремальных режимах и условиях их эксплуатации на специально созданных моделях и установках. И, наконец, самостоятельное научно-практическое значение имело определение эмпирических зависимостей коэффициентов теплоотдачи с поверхности контактных элементов от скорости их скольжения с учетом вида профилирования рабочей поверхности контактных колец.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие основные задачи: разработать и создать специальные физические модели, лабораторные установки и устройства для проведения комплексных исследований характеристик скользящего электрического контакта и систем токосъема в различных режимах и условиях их эксплуатации; выбрать методы исследований и способы измерений; провести исследование электрических, тепловых и механических характеристик традиционных и принципиально новых контактных пар при широком варьировании факторов воздействия в различных газовых средах с контролируемыми температурой и влажностью, а также в условиях применения специальной активной смазки; исследовать вольтамперные характеристики и закономерности токорас-пределения в параллельно работающих щетках системы токосъема и оценить значимость соответствующих факторов воздействия; провести определение коэффициентов теплоотдачи с поверхности контактных элементов в широком диапазоне изменения их скорости скольжения при различных видах профилирования рабочей поверхности контактных колец. Краткому изложению нетривиальных результатов решения указанных задач посвящены последующие подразделы данного раздела. Блок управления прдным двигателем Газо-анализаторстью 500 МВт с двумя сменными роторами, на каждом из которых были установлены контактные кольца диаметром 320 мм и 497 мм с различными видами нарезки их рабочих поверхностей (см. рис. 3.3).
Узел контактных колец 1 (УКК) был помещен в газоплотную климатическую камеру 3 (см. рис. 3.1 и рис. 3.2), имеющую съемное смотровое окно 4, через которое проводились замены щеток 2 и их коммутация. В камеру 3 под не большим избыточным давлением подавался азот или углекислый газ от баллонов высокого давления 12 через газовые редукторы 9 с соответствующими манометрами 10 НД и ВД. Регулирование влажности ф газовой среды в камере 3 от 30 до 100% и ее температуры от 20 до 80 С осуществлялось с помощью газоувлажнителя 13 и нагревательных элементов 5. Для измерения состава газовой среды, ее температуры и влажности применялись термомагнитный газоанализатор кислорода 16 непрерывного действия МН5130-1 с насосом, фильтром и расходомером УР, инфракрасный пирометр ИМП-3, термопары, термометры и психрометры. Погрешность определения кислорода в газовой смеси не превышала 2%, а максимальная продолжительность испытаний (без замены баллонов 12) в 99% среде азота или углекислого газа составляла 8 часов.
Частота вращения контактных колец в диапазоне от 200 до 3000 об/мин регулировалась двигателем постоянного тока П-82 (максимальная линейная скорость скольжения контактных элементов 75 м/с), а суммарный ток в системе варьировался от 10 до 5000 А путем изменения тока возбуждения низковольтного (12/6 В) генератора постоянного тока 8 НДМ - 2500/5000.
Дистанционное автоматическое управление режимами работы системы токосъема (по цепям возбуждения соответствующих машин постоянного тока и электромагнитного нажатия на щетки), сбор, обработка, хранение и отображение экспериментальных данных осуществлялись микропроцессором (управляющей ЭВМ) по программе САСОИ через аналого-цифровые и цифроанало-говые преобразователи АЦП и ЦАП [103].
На АЭК были внедрены разработанные автором (АС № 1367078, пиальные схемы которых представлены на рис. 3.8 и рис. 3.9. Первое из них ис ределения влияния температуры поверхности контактирования на величину падения напряжения в контакте. Значения температур боковых поверхностей и поверхности контактирования щетки, а также температуры внутри нее на расстоянии около 0.8 - 1 мм от контактной поверхности измерялись с помощью предварительно проградуированных термопар электронными вольтметрами В16иЩ1413.
Планирование трехфакторного физического эксперимента
Нахождение стохастических связей между At/ (А/г) и факторами воздействия является, конечно, эвристической задачей, имеющей, строго говоря, бесконечное число решений, а поэтому выбор вида математической модели (уравнения линейной регрессии) зависит от глубины анализа исследователем априорной информации и результатов однофакторных («классических») экспериментов, а также от его собственных представлений и пристрастий. В то же время модель должна быть простой, наглядной и не содержать, по нашему глубокому убеждению, элементов взаимодействия независимых факторов, что существенно затрудняет интерпретацию получаемых расчетных результатов и неизбежно ухудшает статистические свойства модели - дисперсии линейных оценок ее коэффициентов и точек поверхности отклика в целом [221]. В самом общем виде уравнение линейной регрессии относительно неизвестных коэффициентов Ьь можно записать как у(хи х2,..., хк) = bQ + 6/,(xi, х2,...у хк) +...+ bffau х2,..., хк), (4.1) где Х\, х2,..., хк - независимые переменные (факторы воздействия), а f\(x\, х2,..., X) ),...,fk(x\, х2,..., хк) — известные функции от них. Частными случаями линейной модели (4.1) являются широко применяемые, в том числе и в электромеханике [140, 178, 179,181-183], полиномиальные аддитивные (не содержащие взаимодействий факторов) модели первого порядка [178, 182] неполные квадратичные [ 183] и квадратичные [181] модели второго порядка. Позиномные (мультипликативные) модели [95, 179] приводятся к виду (4.2), естественно, в результате логарифмирования. При матричной форме записи исходной переопределенной системы линейных уравнений в виде задача моделирования сводится к нахождению вектора-столбца В коэффициентов (параметров) модели (4.1) по очевидной формуле совпадающей с линейной оценкой В методом наименьших квадратов, позволяющим минимизировать дисперсии определения В и точек поверхности отклика Y по сравнению с другими возможными методами [140, 198, 221]. Входящая в (4.5) матрица является основой анализа плана эксперимента (матрицы планирования) X, так как позволяет однозначно судить о качестве и точности линейных оценок коэффициентов (параметров) Ь{ разрабатываемой математической модели. Действительно, хорошо известно [72, 78, 88, 140, 221], что диагональные элементы си матрицы С определяют дисперсии Ь{ - а (Ь,) = с,-, т (у), а внедиагональные эле-менты су - их ковариации cov(6„ bj) = eyes (у). Иначе говоря, си показывает, во сколько раз дисперсия (ошибка) определения bt меньше дисперсии опыта, а с у - насколько bi связаны (коррелированы) между собой. Именно поэтому матрица С называется матрицей ошибок или ковариационной матрицей.
Самым замечательным свойством ковариационной матрицы С является, конечно, то, что ее вид зависит только от выбора исследователем плана эксперимента X - координат точек факторного пространства, в которых проводятся измерения значений функции отклика Y. Поэтому, чисто принципиально, исследователь может так расположить указанные точки в факторном пространстве, что ковариационной матрица С=(ХТ-Х)-1 станет диагональной (су = 0) с равными коэффициентами си. При этом все коэффициенты модели bj будут определяться независимо друг от друга и с одинаковой точностью, так как cov(Z „ bj) = 0, а дисперсии а (Ь,) равны между собой. По сути, это идеал, к которому нужно стремиться. Для его достижения план эксперимента X должен быть оптимальным по целому ряду статистических критериев, первым из которых является, конечно, требование ортогональности, обеспечивающее диагональный характер ковариационной матрицы С. В частности, если матрица X записана в кодированном виде, как сочетание уровней (значений) факторов в относительных единицах (+1 и -1), то условия ортогональности будут выполняться [221] при
Выражение (4.7) является математической записью условия ортогональности к столбцу х0 из единиц, добавленному в X для определения Ь0, а (4.7а) - условия взаимной ортогональности столбцов независимых переменных (скалярное произведение двух любых столбцов равно нулю).
Для равенства диагональных коэффициентов са необходимо, как известно [48, 221], выполнение условия нормирования плана Рассмотренные статистические критерии оптимальности планов эксперимента относятся к группе критериев, связанных с точностью оценки коэффициентов bi модели. Всем этим критериям можно дать [221] наглядное геометрическое толкование, связав их со свойствами соответствующих /-мерных эллипсоидов рассеяния / коэффициентов модели, ориентация, форма и объем которых полностью зависят от плана эксперимента. Соответственно план будет D-оптимальным, если он имеет наименьший объем эллипсоида рассеяния - наименьший определитель ковариационной матрицы min det (С). В диагональной С, очевидно, что det (С) просто произведение длин осей эллипсоида (произведение с и). Л-оптимальный план имеет наименьшую сумму квадратов длин осей эллипсоида рассеяния - наименьшую среднюю дисперсию коэффициентов, то есть наименьший след min tr (С), а is-оптимальный план имеет наименьшее максимальное собственное число (С) - min max Сц, ТО есть наименьшую максимальную ось эллипсоида рассеяния
