Оценка влияния твердой смазки на трибохарактеристики узлов скользящего токосъема Фоминых Антон Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Узлы скользящего токосъема 16

1.1 Область применения 16

1.2 Физические процессы, протекающие в электрических контактах 22

1.3 Трение и износ в электрических контактах 25

1.4 Нестабильность распределения тока по параллельно работающим щеткам 28

1.5 Электроконтактная диагностика и мониторинг работы узлов токосъёма 32

1.6 Снижение износов и повышение стабильности работы контактных пар за счет использования поверхностных пленок в узлах скользящего токосъема 35

1.7 Выводы 39

ГЛАВА 2. Оценка влияния материала щеток, контактных колец и смазывающих щеток на износ электрических при отсутствии токовой нагрузки 41

2.1 Оценка влияния материала электрических щеток, контактных колец на их износ 41

2.2 Характеристика объекта испытаний 44

2.3 Оценка влияния ряда материалов (сталь, чугун, латунь, бронза) контактных колец на износы щеток МГС-7 и сопротивление политурной пленки 48

2.4 Оценка влияния установки смазывающих щеток на износ и сопротивление щеток МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 2А в случае использования стальных и бронзовых контактных колец 52

2.5 Влияние смазывающих щеток на стабильность износов электрических щеток 57

2.6 Модели износов электрических щеток марок ЭГ – 61А и МГС – 7 в сочетании со смазывающими и без них 58

2.7 Выводы 70

ГЛАВА 3. Оценка эффективности применения смазывающих щеток при нагрузке электрощеток постоянным током 72

3.1 Оценка эффективности применения смазывающих щеток при нагрузке электрощеток постоянным током 72

3.2 Модели износов электрических щеток МГС – 7 в сочетании со смазывающими щетками и без них для случая нагрузки контактных колец постоянным током

3.3 Исследование температурного поля узла скользящего токосъема при помощи программных комплексов 84

3.4 Расчет микротемпературы в зоне контакта электрическая щетка – контактное кольцо 88

3.5 Выводы 95

ГЛАВА 4. Вопросы технологии изготовления смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена 96

4.1 Оборудование, необходимое для изготовления смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена 96

4.2 Материалы, используемые в процессе производства 104

4.3. Основные этапы изготовления 107

4.4 Проверка технических параметров смазывающих щеток 110

4.5 Влияние отклонения некоторых факторов на эффективность работы смазывающих щеток 112

4.6 Выводы 116

ГЛАВА 5. Промышленные испытания по оценке влияния смазывающих щеток на работу щеточно – контактного аппарата турбогенератора мощностью 320 МВА 117

5.1 Методика проведения испытаний 124

5.2 Результаты испытаний 126

5.3 Результаты обследования токораспределения щеточно – контактного аппарата 128

5.4 Исследование влияния установки смазывающих щеток на тепловое состояние щеточно – контактного аппарата 142

5.5 Оценка эффективности применения смазывающих щеток при номинальной нагрузке турбогенератора ТВВ – 320 – 2У3 144

5.6 Выводы 155

Заключение 156

Список литературы: 159

• Электроконтактная диагностика и мониторинг работы узлов токосъёма
• Оценка влияния установки смазывающих щеток на износ и сопротивление щеток МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 2А в случае использования стальных и бронзовых контактных колец
• Модели износов электрических щеток МГС – 7 в сочетании со смазывающими щетками и без них для случая нагрузки контактных колец постоянным током
• Результаты обследования токораспределения щеточно – контактного аппарата

Введение к работе

Актуальность темы. Во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства широкое распространение нашли узлы скользящего токосъема, состоящие из вращающихся контактных поверхностей и скользящих по ним электрических щеток. Это турбо- и гидрогенераторы, электровозы, тепловозы, электроподвижной состав метрополитена, электропоезда постоянного и переменного тока, двигатели привода ручного электроинструмента и т.д. Основная функция узлов токосъема – отвод или подача рабочих токов, отвод токов статического электричества, «паразитных» токов.

Работа этих узлов сопровождается износом пар трения, что приводит к расходу контактных материалов, требует периодического контроля и ремонта, ухудшает экологические условия работы. По данным Международной Ассоциации «Интерэлектромаш» доля отказов турбогенераторов по причине выхода из строя щеточно – контактного аппарата составляет 26 % и занимает первое место среди прочих неисправностей.

Поэтому в настоящее время ряд научных и промышленных коллективов проводят свои исследования в направлении повышения надежности, стабильности и долговечности работы узлов скользящего токосъема. Одним из прогрессивных способов является метод нанесения на поверхность коллектора, контактного кольца смазочного наноразмерного покрытия на основе дисульфида молибдена, позволяющего улучшить трибохарактеристики пар трения щетка - кольцо или коллектор в виде снижения их износов и повышения стабильности работы электрического контакта.

Благодарю научного консультанта Виктора Яковлевича Беспалова за полезные рекомендации и поддержку при выполнении диссертационной работы.

Цель работы: проведение экспериментальных и теоретических исследований процессов, протекающих в узлах скользящего токосъема при различной токовой нагрузке, с оценкой эффективности применения твердой смазки, выполненной на основе дисульфида молибдена.

Решаемые задачи:

1. Исследование работы узлов скользящего токосъема при отсутствии токовой нагрузки (заземляющие устройства, устройства отвода статического электричества):

– исследование влияния материла контактных пар (электрических щеток марок МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 2 А, ЭГ – 4 и контактных колец из стали 12Х18Н10Т, чугуна СЧ – 18, латуни Л 63 и бронзы БрХ08) на износы щеток;

– оценка эффективности применения смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, на снижение износов электрических щеток разных марок в сочетании со стальными контактными кольцами на лабораторных и промышленных установках;

– оценка эффективности влияния смазывающих щеток на стабильность из-носов электрических щеток во времени;

– создание двух математических моделей первого порядка при использовании контактных пар сталь – щетка МГС – 7, ЭГ – 61 А для прогнозирования износа щеток на стадии проектирования и эксплуатации контактных узлов;

– опытная проверка влияния толщины смазывающей пленки на износ электрических щеток марок МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 4 при работе на стальных контактных кольцах;

– создание двух математических моделей первого порядка для контактных пар сталь – щетка МГС – 7, ЭГ – 61 А в случае использования смазывающих щеток для определения оптимальной толщины смазывающей пленки, обеспечивающей минимальный износ электрических щеток;

– повышение стабильности работы электрических щеток заземляющих устройств электроподвижного состава железнодорожного транспорта за счет устранения сколов штатных электрических щеток и снижения их износа;

2. Исследование работы узлов скользящего токосъема для случая прохож
дения по стальным контактным кольцам постоянного тока:

– исследование нестабильности токораспределения и износов во времени параллельно работающих щеток МГС – 7;

– оценка эффективности повышения удельного давления на электрические щетки и установки смазывающих щеток на снижение нестабильности токорас-пределения и износов параллельно работающих щеток МГС – 7;

– разработка двух математических моделей первого порядка для прогнозирования износа щеток МГС – 7 на стадии проектирования и эксплуатации (для колец положительной и отрицательной полярности тока);

– исследование влияния толщины смазывающей пленки на износ электрических щеток МГС – 7 при различной полярности тока;

– разработка двух математических моделей первого порядка в случае использования смазывающих щеток для определения оптимальной толщины смазывающей пленки, обеспечивающей минимальный износ электрических щеток МГС – 7 (для колец положительной и отрицательной полярности тока);

1. Оценка возможности использования программного комплекса ELCUT для определения установившейся температуры узла скользящего токосъема с целью последующего расчета микротемператур зоны непосредственного контакта щетка – кольцо.

2. Разработка промышленной технологии изготовления смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, при использовании метода горячей прессовки.

3. Разработка технических условий на поставку смазывающих щеток потребителю.

4. Оценка влияния некоторых факторов на характеристики смазывающих щеток (дисперсность частиц дисульфида молибдена, процент содержания связующего вещества, массовая доля кремния и железа).

5. Проведение промышленных испытаний на турбогенераторе мощностью 320 МВА с целью оценки влияния установки смазывающих щеток на снижение

износов, токораспределение параллельно работающих щеток ЭГ – 2А^+М и 611 ОМ^+М, а также на температурный режим щеточно – контактного аппарата при различной токовой нагрузке (60, 80, 100 %).

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Исследована работа узлов скользящего токосъема при отсутствии токо
вой нагрузки:

– проведена оценка эффективности применения смазывающих щеток по снижению износов электрических щеток марок МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 2 А, ЭГ – 4 на стальных контактных кольцах с получением двух актов промышленных испытаний;

– исследовано влияние толщины смазывающей пленки на износы электрических щеток марок ЭГ – 61 А, ЭГ – 4, МГС – 7 на стальных контактных кольцах, найдено ее оптимальное значение, обеспечивающее минимальный износ;

– созданы две математические модели первого порядка для контактных пар сталь – щетка МГС – 7, ЭГ – 61 А, позволяющие прогнозировать их износ на стадии проектирования и эксплуатации, а также созданы аналогичные модели в случае использования смазывающих щеток для определения оптимальной толщины смазывающей пленки, обеспечивающей минимальный износ электрических щеток;

2. Исследована работа узлов скользящего токосъема для случая прохожде
ния по стальным контактным кольцам постоянного тока:

– исследовано влияние величины подачи твердой смазки на износ электрических щеток МГС – 7 при различной полярности тока;

– разработаны две математические модели износа первого порядка в случае использования щеток МГС – 7 для прогнозирования их износов на стадии проектирования и эксплуатации;

– разработаны две математические модели щеток МГС – 7 первого порядка в случае использования смазывающих щеток, позволяющие определить оптимальную толщину смазывающей пленки, которой соответствует минимальный износ электрических щеток.

3. Разработана промышленная технология изготовления смазывающих ще
ток при использовании метода горячей прессовки.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Для узлов скользящего токосъема, работающих при отсутствии токовой нагрузки:

– проведенные испытания различных контактных пар, позволившие оценить влияние материала щеток и контактных колец на износы электрических щеток и их стабильность во времени, а также на сопротивление политурной (окисной) пленки, могут быть использованы при проектировании и подборе контактных пар узлов заземления турбогенераторов, систем снятия потенциала электроподвижного состава железнодорожного транспорта и т.д.;

– разработанные мероприятия по стабилизации величины износов электрических щеток во времени за счет повышения удельного давления и применения смазывающих щеток позволяют проектировать узлы токосъема с равномерным, увеличенным ресурсом электрических щеток;

– использование математических моделей износов первого порядка для щеток МГС – 7 и ЭГ – 61 А в сочетании со стальными контактными кольцами для случая отсутствия, а также установки смазывающих щеток позволяют на стадии проектирования и эксплуатации осуществлять подбор материала контактных пар, обеспечивающих повышенный ресурс щеток;

– применение смазывающих щеток в узлах заземления электровозов Чс4т в сочетании с повышенным давлением на электрические щетки позволило уменьшить сколы штатных щеток при относительно низком их износе (результаты подтверждены двумя актами эксплуатационных испытаний).

2. Для узлов скользящего токосъема, работающих в случае прохождения по
стальным контактным кольцам постоянного тока:

– разработанные мероприятия по стабилизации токораспределения щеток МГС – 7 и их износов во времени за счет повышения удельного давления и применения смазывающих щеток, могут быть использованы в процессе проектирования и эксплуатации щеточно – контактных узлов синхронных машин;

– использование математических моделей износов первого порядка для щеток МГС – 7 в сочетании со стальными контактными кольцами для случая отсутствия, а также установки смазывающих щеток позволит на стадии проектирования и эксплуатации осуществлять подбор материала контактных пар, обеспечивающих пониженный износ электрических щеток.

6. Экспериментально подтверждена возможность использования программы ELCUT для определения установившейся температуры узла скользящего токосъема с целью оценки микротемпературы зоны непосредственного контакта, превышение которой выше критического (400^оС) делает невозможным применение смазывающих щеток.

7. Разработана промышленная технология производства смазывающих щеток, а также составлены и утверждены АО «Электромашиностроительный завод «ЛЕПСЕ» (г. Киров) технические условия на их поставку конечному потребителю.

8. Проведенные испытания щеточно – контактного аппарата турбогенератора мощностью 320 МВА в случае установки смазывающих щеток, позволили подтвердить их эффективность по стабилизации токораспределения параллельно работающих щеток (ЭГ – 2А^+М и 611 ОМ^+М), снижению их износов, уменьшению температуры щеточно – контактного аппарата при различной токовой нагрузке (60, 80, 100 % от номинала) с получением двух актов промышленных испытаний.

Методы исследования. В процессе решения поставленных задач в диссертационной работе широко использовались экспериментальные и математические методы исследований, традиционные методы трибологии и электромеха-

ники, информационные компьютерные технологии, а также программные пакеты. Математические методы, применяемые в данной работе: методы конечных элементов, теория вероятностей, математическая статистика. В процессе выполнения работы использовались теория щеточного контакта и теплопроводности. В ходе решения вычислительных задач применялись инженерные программные комплексы Scilab, Microsoft Excel, ELCUT, CONTACT, КОМПАС.

Основные положения, выносимые на защиту:

– основные причины нестабильности износов во времени, неравномерности токораспределения параллельно работающих электрических щеток, а также способы их снижения;

– эффективность применения смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, по снижению износов электрических щеток и стабилизации токораспределения по параллельно работающим щетка на контактных кольцах при различных условиях эксплуатации;

– факторы, активно влияющие на эффективность применения твердой смазки на основе дисульфида молибдена при работе электрических щеток на контактных кольцах;

– математические модели износов для щеток МГС – 7, ЭГ – 61 А в сочетании со стальными контактными кольцами при отсутствии и установке смазывающих щеток применительно к узлам скользящего токосъема, работающих без токовой нагрузки;

– математические модели износов для щеток МГС – 7 в сочетании со стальными контактными кольцами при отсутствии и установке смазывающих щеток в узлах токосъема, работающих под токовой нагрузкой;

– промышленная технология изготовления смазывающих щеток, влияние некоторых факторов на их характеристики, технические условия на поставку смазывающих щеток потребителю;

– результаты промышленных испытаний узлов заземления электровозов Чс4т, щеточно – контактного аппарата турбогенератора мощностью 320 МВА.

Реализация результатов работы. Разработанные в данной диссертации рекомендации и методы по повышению ресурса узлов скользящего токосъема за счет установки смазывающих щеток, выполненных на основе дисульфида молибдена, прошли промышленные и эксплуатационные испытания на электроподвижном составе железнодорожного транспорта, на кольцах турбогенератора мощностью 320 МВА. На АО "Электромашиностроительный завод «ЛЕП-СЕ» проведены паспортные работы и ресурсные испытания на кольцах одноя-корных преобразователей ПО – 250 А, подтвердившие высокую эффективность применения смазывающих щеток (до 3 раз). Достоверность полученных результатов подтверждают семь актов промышленных испытаний, технические условия на поставку смазывающих щеток, утвержденные заказчиком. Получен патент на полезную модель МПК H 01 R 39//00, №2011120198/07.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: IX международная научно – техническая кон-

ференция «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии», г. Омск, 2013 г., международная научно – практическая конференция «Наука и образование в современном мире», г. Москва, 2013 г., XIV-й международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», г. Алушта, 2012 г., XIII-й международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», г. Алушта, 2010 г., симпозиум ЭЛМАШ – 2009 «Энергетика и электроника», г. Москва, 2009 г., ежегодные научно – практические конференции ВятГУ «Наука – производство – технология – экология», г. Киров, 2007, 2009 – 2015 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 печатные работы (из них 8 в рецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК РФ, 2 издания входят в базу данных Scopus) и один патент МПК H 01 R 39//00, №2011120198/07. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит:

[9, – обзор литературы, оценка влияния материала контактных пар на износы электрических щеток, их стабильность во времени, экспериментальные исследования эффективности применения смазывающих щеток;

] – обзор литературных источников, разработка изменений в конструкции узлов токосъема, проведение опытов, обработка и систематизация полученных данных;

– постановка опытов по испытанию щеточно – контактного аппарата турбогенератора, разработка конструкций под установку смазывающих щеток, проведение промышленных испытаний, обработка и систематизация полученных данных;

] – обзор литературы, создание математических моделей, проведения испытаний по оценке эффективности применения смазывающих щеток на снижение износов в коллекторных машинах постоянного и переменного тока;

23, ] – анализ литературных источников, определение способа замера сопротивления политурной (окисной) пленки на поверхности коллектора, экспериментальные исследования;

– разработка конструкции под установку смазывающих щеток в узлы токосъема электроподвижного состава железнодорожного транспорта, проведение, систематизация и обработка исследований по повышению стабильности работы электрических щеток.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемых источников из 103 наименований, 10 приложений. Полный объем диссертации составляет 233 страницы, 73 иллюстраций, 53 таблицы.

Электроконтактная диагностика и мониторинг работы узлов токосъёма

УСТ – быстро изнашивающийся элемент конструкции электрической машины, который требует систематического контроля и регулировки. Согласно закону Кулона-Амонтона [7] между двумя контактирующими телами существует конечная, неравная нулю сила покоя, которая на практике характеризуется силой трения. Существуют три фундаментальных понятия, на которых базируется описание механизма трения скольжения: фактическая площадь контакта, поверхностные пленки и износ. Фактическая площадь вследствие шероховатости реальных поверхностей контактирования составляет от 2100 до 1 010 0 расчетной поверхности, зависит от наличия на поверхности пленок и изменяется прямо пропорционально величине нажатия [8].

Поверхностные пленки образуются на плоскости любого электрического контакта, что объясняется наличием на его поверхности избыточной энергии. Эта поверхностная энергия порождает процесс адгезии с окружающей средой и приводит к формированию граничных слоев. Поэтому в процессе сближения двух поверхностей между атомами и молекулами действуют силы притяжения и отталкивания, которые уравновешиваются на определенном равновесном расстоянии. Наличие адсорбированных пленок (включая естественные окислы), влаги и других веществ на поверхности контакта значительно снижают поверхностную энергию, а следовательно, вероятность образования прочного соединения. В случае перемещения контактирующих поверхностей происходит постоянный процесс истирания и наведения адгезионных пленок, которые позволяют снизить коэффициент трения взаимно перемещающихся тел.

Износ трущихся деталей объясняется моделью трения Боудена – Тей-бора, согласно которой в процессе работы скользящего контакта происходит срез мягких неровностей более твердыми поверхностями с образованием дорожки трения [9]. Качественно износ описывается соотношением K-P m I = \ч н где Р - нагрузка на контакт; Н - твердость материала; К -коэффициент износа, позволяет сравнить интенсивность протекания процессов изнашивания в различных узлах трения. Коэффициент К безразмерен, всегда меньше 1 и измеряется в широком диапазоне, охватывающим около шести порядков (рисунок 9).

Наряду с механическим факторами износа УСТ особую роль в процессе их работы играет род и величина токовой нагрузки.

Согласно исследованиям Е. Арнольда [10], все точки поверхности щетки должны образовывать одинаковый контакт. На основании испытаний, проведенных на угольных и металлических щетках, автор выдвинул идею, на основании которой плотность тока равномерно распределяется по всей поверхности контактирования щетки с коллектором (кольцом), что обеспечивает постоянство удельного сопротивления щеточного контакта. Однако, существуют множество подтверждений о непостоянстве контакта в течение времени. Так W.E. Stine [11] доказал, что кривая падения напряжения не изменяется при уменьшении площади щетки до десятой доли прежнего размера, не изменяя при этом давления. Однако, и эта теория не в полной мере описывает явления, наблюдаемые в скользящем контакте.

В настоящее время наибольшее распространение имеет теория процессов и явлений, возникающих при прохождении электрического тока через скользящий контакт, описанная в монографии Хольма [12], который ввел понятия пятен непосредственного контакта ( пятен), сопротивления стягивания, а также рассмотрел физику процессов прохождения тока от щетки к коллектору. В соответствии с [12] проводящие -пятна обеспечивают проводимость скользящего контакта путем пробоя поверхности пленки, которой покрыты контактные кольца. Дело в том, что вследствие воздействия кислорода воздуха на поверхности коллектора (КК) имеется слой непроводящей пленки, которую автор называет пленкой окиси меди. При нормальных условиях величина сопротивления данной пленки настолько велико, что протекание через нее тока возможно лишь благодаря электрическому пробою (фриттингу). Величина напряжения пробоя находится в прямой зависимости от толщины пленки окиси меди. Исследования, проведенные Хольмом показали, что именно пробой является причиной образования проводящих -пятен, чье электрическое сопротивление по сравнению с сопротивлением самой пленки равно нулю.

В процессе работы скользящего контакта происходит постоянное образование и окисление проводящих пятен, скорость этого процесса зависит от доступа кислорода воздуха, а также от величины микротемпературы в зоне контакта. Недостатком данной теории можно отметить тот факт, что она не объясняет специфику образования проводящих пятен на электрических щетках разной полярности.

Наряду с -пятнами, участвующими в процессе переноса электрического тока через скользящий контакт, между щеткой и коллектором существует клиновидное пространство, которое называется пылевой зоной. Установлено, что при определенных значениях напряжения между щеткой и коллектором данная зона также проводит ток [13].

Дополняют описанную выше теорию работы УСТ работы Р. Мейера, М. Карасева [14], Лившица П.С. [15], Авилова В.Д. [19], Забоина В.Н. [33], Плохова И.В. [38], Харламова В.В., Кончица В.В. [7].

В настоящее время продолжаются работы по описанию токопередачи в узлах скользящего токосъема, публикуется большое количество изданий, отражающих результаты теоретических и натурных исследований. Тем не менее, создаваемые узлы характеризуются относительно низким ресурсом и малой надежностью щеточно-контактных аппаратов. В частности, более 25% от общего числа отказов крупных электрических машин (турбогенераторы, гидрогенераторы) происходит по причине неисправности щеточно – контактного аппарата (рисунок 10) [16].

Оценка влияния установки смазывающих щеток на износ и сопротивление щеток МГС – 7, ЭГ – 61 А, ЭГ – 2А в случае использования стальных и бронзовых контактных колец

Проведенные нами исследования при работе УСТ в обесточенном состоянии свидетельствуют о наличии нестабильности износов штатных щеток во времени при одинаковых условиях их эксплуатации.

Применение СЩ наряду со снижением износов ШЩ привело к значительному увеличению равномерности их износов. В таблице 14 представлены результаты исследования нестабильности износов ШЩ ЭГ – 61 А, работающих на стальном кольце во времени и их зависимости от использования СЩ, выполненных на основе ДМ. Опыты проводились в течение 210 часов, замеры делались каждые 30 часов.

Как следует из табличных данных, в случае отсутствия СЩ износы ШЩ носят нестабильный характер на протяжении всего эксперимента (максимальное отклонение от среднего значения износов ШЩ составляет 36 %. Наблюдаемое явление, по всей вероятности, обусловлено нестабильностью дуги контактирования щетка-кольцо, которая по данным [23] может значительно отличаться от кажущейся ( 10-2 …10-4). Установка СЩ (рисунок 25) приводит к снижению неравномерности износов ШЩ. Максимальное отклонение от среднего значения износов ШЩ в случае использования СЩ составило 12,5 %. Наблюдаемый эффект можно объяснить влиянием смазки на стабильность дуги контактирования.

Как показали результаты исследования, приведенные в параграфе 2.4, установка СЩ на контактные кольца, выполненные из различных проводниковых материалов, эффективно влияет на снижение износов ШЩ марок МГС – 7, ЭГ – 2А, ЭГ – 4, ЭГ – 61 А (таблицы 7 – 11). В дальнейшем нами были проведены исследования по оценке влияния толщины смазывающей пленки на эффективность снижения износов ШЩ. В опытах использовалась преобразователи ПО-250 А (рисунок 19) с контактными кольцами из стали в сочетании с ШЩ разных марок: МГС – 7, ЭГ – 4 и ЭГ – 61 А.

Опытные установки работали в соответствии с исследовательским режимом: 30 часов работы при частоте вращения 6000 об/мин, после чего проводились замеры износов штатных и СЩ. Сначала опыты проводились без СЩ, затем устанавливались СЩ, на которых в процессе исследований изменялась величина подачи смазки за счет варьирования давления на СЩ от 111 до 444 гр/см2.

Результаты исследований показали (таблица 15), что каждой марке щетки соответствует определенная теоретическая толщина смазывающей пленки, обеспечивающая минимум износа ШЩ. Избыточная подача (рисунок 26) вызывает увеличение износов, что совпадает с результатами, приведенными в работе Сентюрихиной Л.Н. [50], которые показали, что увеличение толщины пленки относительного оптимального значения в 6 раз приводит к повышению коэффициента трения в 3,3 раза (таблица 16). Более толстые пленки недостаточно прочно удерживаются на поверхности металла. Таблица 15 – Оценка влияния величины подачи смазки на износ ШЩ раз ных марок

Для оценки оптимальной толщины смазывающей пленки, обеспечивающей минимальный износ контактных пар, функционирующих в обесточенном состоянии, как в случае их эксплуатации, так и при проектировании, мною созданы математические модели износов ШЩ марок МГС - 7 и ЭГ - 61 А при работе на стальных КК для случая отсутствия и установки СЩ, выполненных на основе ДМ. Модели создавались при помощи пакета прикладных математических программ Scilab и Microsoft Excel с использованием метода планирования эксперимента.

Для режима отсутствия СЩ в качестве варьируемых параметров были выбраны: частота вращения n, давление на ШЩ qШЩ, ширина ЭЩ aШЩ. В ходе опытов частота вращения поддерживалась в диапазоне 6000 – 8000 об/мин, которой соответствовала температура в зоне контакта ШЩ – КК не более 400оС. Это позволило создать модели износов ШЩ для аналогичных условий в случае оборудования УСТ СЩ. Среднее значение температуры КК также поддерживалось постоянным за счет либо принудительного охлаждения, либо уменьшения потока охлаждающего воздуха.

Исследования проводились в следующем режиме: машина работала без остановки в течение 30 часов с постоянной частотой вращения, соответствующей заданному уровню варьирования. По окончанию цикла замерялись износы щеток на инструментальном микроскопе при одновременном контроле их путем взвешивания на аналитических весах в соответствии с методикой, описанной в [34]. Все опыты дублировались 2 раза.

В таблице 18 приведена матрица планирования полного факторного эксперимента с количеством опытов равным 8, на основании которой по методике [35] были проведены эксперименты и составлены полиномы величин износов ШЩ марок МГС–7 и ЭГ–61 А (таблицы 19 – 20), работающих в сочетании со стальными контактными кольцами.

Величины износов, рассчитанных по представленным полиномам, отличаются от данных, полученных на основании экспериментов, менее чем на 10% по всем диапазонам варьирования, что подтверждает адекватность созданной математической модели и верность выбранных факторов варьирования. Рассчитанный для вышеуказанных полиномов (4) и (5) критерий Фишера F составил соответственно 0,93 и 0,61 при критическом FКР=3,8, что подтверждает их адекватность. Критическое значение критерия Кохрена для описываемых полиномов составляет GКР=0,68 при расчетных 0,29 (4) и 0,174 (5). Так как полученные значения меньше критического (G GКР), факторное пространство считается однородным. Различие в коэффициентах полиномов, как нам кажется, связано с различной структурой и материалом щеток.

В дальнейшем была составлена новая матрица планирования, описывающая эффективность применения СЩ, выполненных на основе ДМ. В качестве варьируемых факторов использовались те же величины, что и в предыдущем случае: частота вращения, давление на ШЩ, ширина ШЩ. В качестве четвертого фактора, позволяющего учитывать влияние СЩ вводится величина подачи смазки в зону контакта щетка – КК. В таблице 21 представлена матрица планирования полного факторного эксперимента с количеством опытов, равным 16.

Модели износов электрических щеток МГС – 7 в сочетании со смазывающими щетками и без них для случая нагрузки контактных колец постоянным током

Работы по оценке возможности применения СЩ, выполненных на основе ДМ, для случая прохождения по стальным контактным кольцам постоянного тока проводились на исследовательской установке (рисунок 20). Питание через ЭЩ подается на контактные кольца от автотрансформатора Т через блок выпрямителей U3. На каждом кольце были установлены по 2 ЭЩ МГС – 7 размером 4,56 мм. В процессе экспериментов также проводился контроль токораспределения по параллельно работающим щеткам при помощи осциллографа ADS – 2031, предназначенного для исследования электрических сигналов путем их визуального наблюдения. Длительность опытов, а также особенности замеров износов ЭЩ соответствует методике, описанной во 2 главе.

В ходе исследований ЭЩ работали при штатном давлении 60 кПа в течение 30 часов, по окончанию проводился замер износов. Опыты дублировались трижды. В дальнейшем давление на ЭЩ было повышено до 73 кПа и проведена серия повторных экспериментов. После этого стеклянной шкуркой была снята окисная (политурная) пленка, на каждое КК в дополнительный щеткодержатель установлена СЩ и проведены серия опытов при различной подаче смазки в зону контакта ЭЩ – КК при давлении на ЭЩ 73 кПа.

В исследованиях, результаты которых представлены в таблице 24, показано влияние величины давления на стабильность износов ЭЩ МГС – 7 во времени для случая отсутствия и установки СЩ Работа при номинальном давлении в случае отсутствия СЩ (пункты 1 - 3) характеризуется неравномерными износами ЭЩ во времени, что можно объяснить нестабильностью дуги контакта ЭЩ с КК. При этом, среднее квадратичное отклонение износов ЭЩ колец положительной (ah+) и отрицательной (ah_) полярности тока составляет соответственно 0,028 и 0,022.

В пунктах 4 - 6 отображаются износы ЭЩ для случая повышения удельного давления на них в 1,2 раза (740 гр/см2), СЩ также отсутствуют. Увеличение давления на ЭЩ привело к значительному снижению неравномерности износов по параллельно работающим щеткам за счет стабилизации дуги контактирования щетка-кольцо (ah+ = 0,004, oh_ = 0,001). Повышение давления привело к увеличению износов ЭЩ за счет истирания окисной пленки для ЭЩ положительного кольца в 1,1 раза, а для отрицательного -в 1,2. Поэтому для снижения износов ЭЩ во времени нами были проведены мероприятия, направленные на снижение коэффициента трения.

В пунктах 7 - 9 отображены износы ЭЩ при удельном давлении 740 гр/см2 в случае установки СЩ (рсщ=150 гр/см2). Установка СЩ приводит к снижению износов ЭЩ положительного и отрицательного кольца приблизительно в 1,3 раза по сравнению с аналогичным давлением без СЩ. Среднее квадратичное отклонение износов oh ЭЩ кольца положительной и отрицательной полярности тока стало составлять соответственно 0,003 и 0,001.

Дальнейшее повышение подачи смазки в зону контакта до 450 гр/см2 (пункты 10 - 12) привело к снижению износов ЭЩ положительного кольца в 3 раза, отрицательного - до 2 раз. При этом среднее квадратичное откло нение составило всего = 0,001 для колец обеих полярностей. Такой эффект может быть объяснен снижением коэффициента трения ЭЩ - КК за счет установки ДМ.

В таблице 25 представлены результаты осциллографирования тока ЭЩ положительного и отрицательного кольца. По результатам испытаний картина токораспределения при номинальном давлении на ЭЩ (пункты 1 - 3) характеризуется значительной неравномерностью, при этом средне квадратичное отклонение составляет 0,233 и 0,183 соответственно для положительного и отрицательного кольца. Повышение удельного давления до 740 гр/см2 на ЭЩ позволяет выровнять токи по параллельно работающим ЭЩ, при этом = 0,04 для кольца положительной и 0,033 для кольца отрицательной полярностей.

Установка СЩ (пункты 11 - 12) привело к дальнейшей стабилизации токораспределения по параллельно работающим ЭЩ, что подтверждается снижением до 0,007 и 0,003 для положительного и отрицательного колец.

Таким образом, за счет проведенных мероприятий стабилизируется дуга контакта ЭЩ - КК, обеспечивающая равномерное распределения тока по параллельно работающим щеткам. В некоторых случаях повышение давления без применения СЩ может привести к истиранию окисной (политур-ной) пленки, которая (при ее наличии) управляет распределением тока по параллельно работающим ЭЩ. При отсутствии на поверхности КК окисной пленки токораспределение будет зависеть от переходного сопротивления между клеммой и поводком ЭЩ, сопротивления контакта между клеммой щетки и траверсой щеткодержателя, сопротивления между поводком и материалом щетки, а также от сопротивления тела самой щетки.

Средн ие значения токов 0,607 0,593 0,597 0,603 i 0,007 0,003 Аналогичные исследования по влиянию величины удельного давления на ЭЩ марки МГС – 7 были проведены на специальном авиационном генераторе ГС12 – ТОК [51]. Увеличение удельного давления в 2 раза относительно номинального позволило получить равномерный износ всего комплекта ЭЩ (18 штук), работающих на трех дорожках коллектора при отсутствии перегрузки отдельных щеток. Результаты испытаний подтвердили, что активное влияние на токораспределение оказывает величина нажатия на ЭЩ.

Результаты обследования токораспределения щеточно – контактного аппарата

Оценка износов проводилась по следующим основным параметрам: – по изменению веса щеточного материала, определяемого на электронных весах класса точности F2, ГОСТ OIML R111-1-2009; – по изменению высоты щетки, измеряемой электронным штангенциркулем ШЩ-125-0,01.

По результатам этих замеров определялась величина износа щеток для случая работы ЩКА в штатном режиме (без СЩ). Затем после установки и ввода в работу СЩ, выполненных на основе ДМ, повторно определялся износ рабочих щеток.

Был принят следующий прядок испытаний. Сначала, в течение 18 часов, генератор работал со стандартным комплектом щеток (по 24 на положительном и отрицательном кольце) с 100 % нагрузкой (Iв=2900 А). По завершении режима была проведена оценка износа двух ЭЩ за этот промежуток времени (по одному с каждого КК). Затем был проведен сброс нагрузки до 80% (Iв=2800 А) и на одну из дорожек каждого кольца, где стояли контрольные ЭЩ, были установлены СЩ – на 2 токовые одна смазывающая (рисунок 54), и проведены 2 режима работы в течение 7 часов (3 ч. – режим 80%, 1 ч. – сброс нагрузки до 60%, 3 ч. – режим 60% (Iв=2500 А). В дальнейшем СЩ были сняты и проведен замер контрольных ЭЩ. В процессе испытаний на всех режимах работы, а также спустя 1 час после снятия СЩ проводился контроль токораспределения всех ЭЩ ЩКА. Необходимо отметить, что из-за расположения ЭЩ на КК в шахматном порядке, смазка наносилась незначительно и на соседние дорожки.

СЩ были установлены и работали в течение 7 часов в соответствии с режимом: 3 ч. – 80%, 1 ч. – сброс нагрузки до 60%, 3 ч. – 60%. По окончанию режима повторно был проведен замер износов контрольных ЭЩ. По результатам измерений было установлено, что оценка износа щеток по высоте приводит к большей погрешности за счет неравномерного износа щеток по поверхности фактического контакта, поэтому в дальнейшем из-носы определялись путем взвешивания на электронных весах. Проанализировав итоговые данные, можно сделать следующие заключения: – скорость износа щеток в присутствии смазывающих снижается в 1,2–2,1 раза; – эффективность применения ДМ более значительна на кольце отрицательной полярности, работающей с щетками ЭГ – 2 А +М; – поскольку применение СЩ значительно снижает коэффициент трения между щеткой и контактным кольцом, можно предполагать, что снижается не только износ ЭЩ, но также увеличивается и ресурс работы КК (Акт промышленных испытаний, Приложение Е).

В процессе экспериментов на всех режимах работы генератора ТВВ - 320 - 2У3 проводился постоянный контроль распределения тока ротора по ЭЩ ЩКА при помощи универсального измерительного комплекса «ВИККОНТ». В таблице 39 представлена картина распределения тока ротора по ЭЩ при отсутствии СЩ (режим нагрузки - 100%, IP=2900 А). В таблице указаны: - мгновенные значения токов в каждой щетке колец положительной и отрицательной полярностей; - суммарный ток обмотки возбуждения; - средний ток щеток, рассчитанный в соответствии с рекомендациями руководства по эксплуатации ЩКА [56]; - среднее абсолютное отклонение тока всех щеток от среднего зна чения, рассчитанное по формуле: 1р - суммарный ток ротора, А. Анализ табличных данных показывает, что токовая нагрузка ЭЩ имеет значительную неравномерность. В частности, при 80% нагрузки (таблица 40) на положительном кольце максимальная токовая нагрузка достигает 162 А (щетка №27), основная часть щеток работает с токовой нагрузкой 100 А. Три ЭЩ нагружены не более, чем на 65 А (щетки №10, 16, 18). Среднее абсолютное отклонение в случае отсутствия СЩ составляет 23,8 А (кольцо положительной полярности тока) и 21,6 А (кольцо отрицательной полярности тока). Замеры распределения тока ротора по ЭЩ проводились сначала при отсутствии СЩ, а затем через 2 часа после их установки.

Установка СЩ на одну рабочую дорожку каждого КК (рисунок 54) позволила уменьшить неравномерность токораспределения: на положительном кольце максимальная токовая нагрузка достигает 150 А (щетка №1), основная часть щеток работает с токовой нагрузкой 90-95 А. На отрицательном кольце максимальная токовая нагрузка на щетку достигает 168 А (щетка №9), основная часть щеток работает с токовой нагрузкой 90-100 А. Среднее абсолютное отклонение составляет 13,1 А (кольцо положительной полярности) и 17,2 А (кольцо отрицательной полярности).

При 60% нагрузки замеры распределения тока ротора по ЭЩ проводились сначала для случая установки СЩ, а затем спустя 1 час после их поднятия (таблица 41). На положительном кольце максимальная токовая нагрузка достигает 118 А (щетки №1, 22, 27), основная часть щеток работает с токовой нагрузкой 75-90 А. На отрицательном кольце максимальная токовая нагрузка на щетку достигает 126 А (щетки №10, 18), основная часть щеток работает с токовой нагрузкой 80-90 А. Среднее абсолютное отклонение в случае отсутствия СЩ составляет 18,4 А (кольцо положительной полярности) и 19,1 А (кольцо отрицательной полярности). Установка СЩ позволила уменьшить неравномерность токораспределения. На положительном кольце максимальная токовая нагрузка – 146 А имела место на щетке №12, а основная часть щеток работала с токовой нагрузкой 75-80 А.

На отрицательном кольце максимальная токовая нагрузка на щетку достигала 134 А (щетки №1, 13). Основная часть щеток работала с токовой нагрузкой 80-85 А. Среднее абсолютное отклонение составляло 14,1 А (кольцо положительной полярности) и 13,3 А (кольцо отрицательной полярности).