Содержание к диссертации
Введение
1. Скользящий контакт в электрических машинах 11
1.1. Физические процессы в электрическом контакте 11
1.2. Показатели работоспособности скользящих контактов 17
1.3. Способы улучшения скользящего контакта за счет образования поверхностных пленок 24
1.4. Выводы 40
2. Оценка эффективности применения смазывающих щеток в коллекторных электрических машинах переменного тока 41
2.1. Исследование влияния твердой смазки и механики контакта на характеристики машин 41
2.2. Влияние величины подачи смазки в зону контакта электрощетка -коллектор на износ смазывающих щеток 50
2.3. Влияние режимов работы на эффективность применения дисульфида молибдена 55
2.4. Ресурсные испытания электрощеток марок ЭГ-84М, ЭГ-84УМК и Г-ЗЗМ в случае применения смазывающих щеток 58
2.5. Выводы 67
3. Оценка эффективности применения смазывающих щеток на коллекторах машин постоянного тока и на контактных кольцах синхронных машин 69
3.1. Характеристика объекта испытаний 69
3.2. Эффективность применения смазывающих щеток 70
3.3 Выводы 91
4. Метод подбора контактных пар 93
4.1. Исследования температурного поля щеточно-коллекторного узла 93
4.1.1. Расчет программным комплексом ELCUT 93
4.1.2 Расчет температурных полей обобщенного щеточно-коллекторного узла 97
4.1.3. Расчет средней температуры коллектора путем создания тепловых моделей 107
4.2 Расчет микротемператур в зоне контакта электрощетка-коллектор 112
4.2.1 Описание модели теплового состояния контакта 112
4.2.2 Математическое моделирование теплового состояния контакта электрощетка-коллектор 115
4.3. Модели износов электрощеток марок Г-ЗЗМ и ЭГ-84 УМК в сочетании со смазывающими щетками и без них 128
4.4 Выводы 137
Заключение 139
Список литературы: 141
Приложения 154
- Показатели работоспособности скользящих контактов
- Влияние величины подачи смазки в зону контакта электрощетка -коллектор на износ смазывающих щеток
- Эффективность применения смазывающих щеток
- Расчет температурных полей обобщенного щеточно-коллекторного узла
Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на то, что существует тенденция к переходу на бесконтактные машины, одними из наиболее распространенных электромеханических преобразователей энергии до сих пор остаются машины, оснащенные системами скользящего токосъема (ССТ) - коллекторные машины постоянного и переменного тока, синхронные и др. Связано это с имеющимися у них некоторыми преимуществами перед бесконтактными машинами, например с их дешевизной и изученностью конструкций как самих машин, так и электрических щеток (ЭЩ). Еще в 1899 г. Е. Арнольд опубликовал в «Электротехническом журнале» результаты опытных исследований электрических и тепловых характеристик угольных и металлических ЭЩ. Именно непрерывно изнашивающиеся ЭЩ определяют ресурс работы электрической машины, т.к. являются наименее долговечным узлом.
Например, по данным ОАО Электромашиностроительный завод «Лепсе» г. Киров, до 60 % отказов коллекторных машин связано с неудовлетворительной работой ССТ, из которых примерно 15-30 % отказов связано с высоким износом ЭЩ. В результате значительное количество выпускаемых агрегатов требует технологических доработок. Кроме того, некоторые изделия оснащаются дополнительно 3 — 5 комплектами ЭЩ, особенно это касается электромеханических преобразователей энергии, работающих в повторно-кратковременных режимах с большими бросками пусковых токов, и агрегатов, имеющих длительные паузы без прохождения электрического тока (авиационные стартер-генераторы).
В связи с высокой заинтересованностью в увеличении надежности электрических машин до сих пор разрабатываются методы уменьшения износов ЭЩ [4, 5, 37, 74, 75, 83, 97, 99, 114]. Одним из наиболее
эффективных методов является введение в щеточный контакт различного рода смазок. Наиболее перспективны твердые смазки.
Диссертация выполнена в рамках хоздоговорных работ с ОАО Электромашиностроительный завод «Лепсе», г. Киров.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является изучение и оценка эффективности способа улучшения свойств щеточного контакта электрических машин за счет установки на коллектор дополнительной нетокопроводящей смазывающей щетки (СЩ). Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:
анализ физических процессов, происходящих в щеточном контакте;
в анализ различных способов снижения износов ЭЩ;
и разработка технологии производства СЩ;
н проведение экспериментальных, исследований эффективности применения СЩ на коллекторных машинах переменного и постоянного тока, а также на синхронной машине;
п исследование влияния различных факторов на эффективность применения СЩ;
п разработка метода подбора контактных пар ЭЩ-коллектор, обеспечивающих оптимальное применение твердой смазки;
п создание и апробация методики составления математических моделей износа ЭЩ, работающих в сочетании со СЩ, позволяющих на стадии проектирования и эксплуатации прогнозировать ресурс работы ЭЩ и управлять им.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Доказана высокая эффективность применения СЩ, выполненных на основе дисульфида молибдена (ДМ), для снижения износов ЭЩ в коллекторных машинах переменного и постоянного тока и снижения уровня радиопомех в коллекторных машинах переменного тока.
Открыто явление нестабильности радиопомех'во времени, дано объяснение ее причин.
Доказано, что одной из основных причин радиопомех в коллекторных машинах переменного тока являются процессы прохождения тока между ЭЩ и коллектором, которые в свою очередь определяются состоянием механики контакта ЭЩ-коллектор.
Выявлены факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность применения твердой смазки: температура в зоне контакта и величина подачи смазки.
Разработан метод подбора контактных пар, обеспечивающих оптимальное применение твердой смазки.*
Разработана методика создания математических моделей износов ЭЩ, работающих в сочетании со СЩ, которая позволяет на стадии проектирования прогнозировать ожидаемый работы ЭЩ.
Практическая ценность. Разработана технология производства СЩ. На основании ресурсных испытаний четырех марок ЭЩ с использованием коллекторов из кадмиевой меди и хромовой бронзы доказана возможность значительного снижения износов ЭЩ (до 5 раз), причем эффективность использования СЩ зависит от температуры контакта ЭЩ-коллектор и величины подачи смазки. Исследованы причины радиопомех в коллекторных машинах переменного тока. Установлено, что одним из основным фактором, влияющим на уровень радиопомех, является состояние механики перехода ЭЩ-коллектор. Показано, что за счет установки СЩ в коллекторных машинах переменного тока уровень сетевых и полевых радиопомех снижается. Выявлены причины нестабильности радиопомех во времени в коллекторных машинах переменного.тока, и даны рекомендации по ее снижению. Созданы модели износов ЭЩ марок Г-ЗЗМ и ЭГ-84УМК, позволяющие прогнозировать износы ЭЩ в случае применения СЩ как
на стадии проектирования, так и эксплуатации. Разработаны тепловые модели ЭЩ марок Г-ЗЗМ и ЭГ-84УМК, использование которых при проектировании новой машины (МШУ-2-23-П) позволило внедрить в серийное производство нетрадиционную марку ЭЩ ЭГ-84УМК вместо ЭЩ марки Г-ЗЗМ, имеющей недопустимо большой износ.
Методы исследований. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались математические и экспериментальные методы исследований, методы теории электротехники, трибологии и электромеханики, информационные компьютерные технологии и программные пакеты. Из методов математики в работе применялись методы конечных элементов, теории вероятности и математической статистики. Использовались теории щеточного контакта и теплопроводности. При решении вычислительных задач использовались пакеты программ MathCAD,, Microsoft Excel, Elcut, Contact. Опытные исследования проводились с помощью методов планирования эксперимента и по стандартным методикам.
Основные положения, выносимые йа защиту:
СЩ, выполненные на основе ДМ, эффективны для снижения износов ЭЩ;
одним из основных факторов, определяющих уровень радиопомех в коллекторных машинах переменного тока обусловлены состоянием механики контакта ЭЩ-коллектор;
эффективность применения твердой смазки зависит от температуры в зоне контакта ЭЩ-коллектор и от величины подачи смазки в зону контакта; , л
методика составления математических моделей для прогнозирования ресурса работы ЭЩ, работающих в сочетании со СЩ;
метод подбора параметров щеточно-коллекторного узла, обеспечивающий оптимальное применение смазки.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: на восьмой всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии» г. Омск, 2003 г., на пятой международной ' конференции МКЭЭ-2003 «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение», г. Алушта, 2003г./ на пятой международной конференции «Электротехнические материалы и компоненты» г Алушта, 2004 г., на одиннадцатой Международной конференции ICEEE-2006 «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» г. Алушта, 2006 г., на симпозиуме ЭЛМАШ-2006 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования» г. Москва, 2006 г., на конференции «Электромагнитные процессы в электромеханических преобразователях энергии» г.Омск, 2006г., на ежегодных научно-технических конференциях ВятГУ «Наука-Производство-Технология-Экология», г. Киров, 2002-2007 гг., на « заседании кафедры электромеханики МЭИ /ТУ/ в 2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ [36, 43-65, 90-92], в том числе одна в журнале, рекомендованном ВАК [43] и один патент РФ МКИ Н 01 R 39/04, №2291530, [36]. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит:
[43,58,62,65] - обзор литературы, создание математических моделей, описывающих поведения смазки в наземных условиях, разработка метода подбора параметров щеточно-коллекторного узла, обеспечивающих оптимальное применение твердой смазки, экспериментальные исследования;
[44,45,46,47,48,49,56] - обор литературы, разработка изменений в , конструкции машин, проведение опытов, систематизация полученных
данных;
[50,52,53,54,59,64] -постановка опытов, разработка изменений в конструкции машин постоянного и переменного тока,; обеспечивающих применение смазывающих щеток, систематизация полученных данных;
[51,55,63] - постановка опытов, разработка изменений в конструкции исследуемых машин, подбор марок щеток для исследований, систематизация полученных данных;
[57] - обзор литературы, создание математических моделей, на основании которых рассчитываются температуры в зоне контакта, расчеты тепловых полей с использованием существующих программ постановка опытов, систематизация полученных данных;-
[60,61] - обзор литературы, создание математических моделей, определение математического способа -.учета толщины смазывающей пленки, нанесенной на поверхность коллектора, экспериментальные исследования.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации тепловые модели были использованы при проектировании новой угловой шлифовальной машины мощностью 2 кВт типа МШУ-2-230-П, а также на основании этих моделей была внедрена в серийное производство нетрадиционная для ручного электроинструмента марка ЭЩ-ЭГ-84УМК. На ОАО Электромашиностроительный ; завод «ЛЕПСЕ» проведены паспортные работы и ресурсные испытания, подтвердившие высокую эффективность применения СЩ (до 5 раз). Получен патент РФ МКИ Н 01 R 39/04, №2291530. Проводятся работы по внедрению СЩ в серийное производство коллекторных электрических машин. Разработанные методы расчета температур и методика прогнозирования ресурса работы ЭЩ используются на кафедре «Электрических машин и аппаратов» ВятГУ, г. Киров, при выполнении научно-исследовательских и дипломных работ по тематике, связанной с ССТ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованных источников из 116 наименований и 9 приложений. Она содержит 153 страницы основного текста, 41 таблицу и 35 иллюстраций.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются ее цели и задачи, дается общая характеристика работы.
В первой главе рассмотрены теории прохождения тока через скользящий контакт (СК) и выявлены факторы, определяющие его работоспособность. Проведен обзор способов снижения износов ЭЩ в электрических машинах. Как наиболее перспективный признан способ снижения износа ЭЩ за счет установки на коллектор СЩ, выполненной на основе ДМ.
Во второй главе проводятся исследования различных марок ЭЩ, а также исследования по оценке.эффективности применения СЩ, выполненных на основе ДМ, которые установлены в отдельные щеткодержатели на рабочие дорожки коллекторной машины переменного тока.
В третьей главе работы по оценке эффективности СЩ, выполненных на основе ДМ, проводились на специальном авиационном генераторе постоянного тока ГС-12ТО и на синхронном генераторе авиационного исполнения СГС-40ПУ.
В четвертой главе предлагаются методы подбора элементов щеточно-коллекторного узла и величины подачи смазки в зону контакта, позволяющие на стадии проектирования изделия и его эксплуатации обеспечить оптимальное применение твердой смазки.
Показатели работоспособности скользящих контактов
При проектировании и эксплуатации машин с ССТ важнейшими показателями являются их надежность и долговечность, которые напрямую зависят от величины износов щеток //,. Кроме того, при выборе марки ЭЩ для обеспечения электрических показателей контакта необходимо обращать внимание на величину сопротивления щеточного контакта - Гк[20, 39, 80, 101].
Сопротивление щеточного контакта определяется переходным сопротивлением между ЭЩ и коллектором (или КК) Аг. Так, при сопоставлении сопротивления тел щеток, токовых кабелей, переходного сопротивления ЭЩ-кабель и переходных сопротивлений ЭЩ-коллектор (или ЭЩ-КК) наибольшая величина будет у последнего. Например, у металлографитных, щеток сопротивление тела ЭЩ 10 мОм, сопротивление между ЭЩ и токоведущим кабелем 0,3 мОм, сопротивление токоподводящей арматуры 0,1 мОм, а переходное сопротивление между коллектором (или КК) и ЭЩ равняется 30 мОм. У угольных щеток соотношения сопротивлений почти такие же [81].
Переходное падение напряжения контакта А(У обусловлено происходящими механическими и электрическими явлениями [105]. К механическим явлениям можно отнести величину давления на ЭЩ р и величину скорости перемещения ЭЩ по коллектору.
Зависимость переходного падения напряжения от давления напоминает гиперболу. Этот факт отмечен еще в начале столетия Е. Арнольдом [13]. Характер этой кривой можно объяснить любой из существующих теорий. Увеличение окружной скорости вращения коллектора (или КК), сопровождаемое ухудшением условий контактирования [14], должно приводить к увеличению падения напряжения под ЭЩ. Количественно этот фактор оценен в работах [28, 31, 34].
К электрическим явлениям, влияющим на AU, можно отнести величину проходящего через контакт тока и полярность приложенного напряжения. Характеристика зависимости переходного падения напряжения от тока имеет вид, похожий на кривую намагничивания ферромагнетиков. До настоящего времени эту зависимость объясняют по-разному. Так, Мейер [7] изгиб вольтамперной характеристики связывает с увеличением тока .под ЭЩ, которое сопровождается увеличением количества выделяемых ЭЩ сферических частиц, заполняющих зазор между ЭЩ и коллектором. При заполнении зазора проводящими частицами его проводимость растет, что и обусловливает изгиб ВАХ.
Теория фриттинга [2] увеличение плотности тока в контакте объясняет возрастанием числа точек пробоя и, как следствие, уменьшением контактного сопротивления. В [18] искривление ВАХ связывается с размягчением материала контактной поверхности, обусловленным повышенной температурой в зоне контакта. При размягчении контактной поверхности ЭЩ начинает более плотно прилегать к поверхности коллектора и сопротивление в контакте падает. Большинство исследователей придерживается мнения, что справедливо неравенство AU+ AU., но объясняется это неравенство исследователями по-разному. Мейер [7] считает, что положительная ЭЩ выделяет в переходный слой больше частиц, чем отрицательная, что приводит к улучшению ее контакта с КК и меньшему падению напряжения. Хольм [109] объясняет неравенство влиянием ионного слоя, находящегося под отрицательными ЭЩ, имеющим полупроводниковые свойства. Двигаясь от КК, ионы увеличивают переходное сопротивление контакта.
Множество работ посвящено также описанию износа ЭЩ в ССТ. Как указывается в [110], износ - это процесс отделения частиц материала при передаче этим частицам определенной величины энергии, которая позволяет им отрываться с поверхности контактирующего тела.
Износ щеток равен сумме составляющих: электрической, механической и за счет искрения [80]: lh=lh3+lhM+lhu, (1.1) где кэ - электрическая составляющая износа; 1нм - механическая составляющая износа; Ihu - износ за счет искрения. Электрический износ изменяется пропорционально току, хотя в некоторых источниках отмечается нарушение данной закономерности [84]. Объяснение влияния тока на процесс износа щеток содержится в работе Р. Хольма [109]. Он указывает, что ток действует на увеличение износа посредством фриттинга поверхностной пленки и электролиза. Он также связывает электрическую составляющую износа с направлением перемещения положительных ионов (катионов)1 материала контактирующих элементов. Как известно, количество катионов пропорционально току, таким образом он определяет интенсивность их воздействия, а значит, и величину электрического износа. Величина электрического износа связана с полярностью [80, 115]. Работы по влиянию полярности на износ ЭЩ сопряжены со сложностью явления электрического износа, так как в условиях рассматриваемой задачи -на него накладываются процессы , механического износа, что существенно осложняет наблюдения и препятствует получению однозначных результатов. Однако при сопоставлении износа разнополярных щеток, работающих на КК из черных металлов, отмечается, что //j- //7+ .здесь //,. -износ щеток отрицательной полярности; lh+ - износ щеток положительной полярности [80]. Величину электрического износа можно определить следующим образом: 1Иэ=1 окисл эл.хим і (1 -2) где Іокисл - окислительный износ; 1эл.хим - электрохимическая составляющая.
Окислительный износ считается теоретически неизбежным нормальным износом [76], вызываемым взаимодействием активных, пластически деформированных слоев металла с кислородом воздуха. Таким образом, по окончании процессов приработки щеток СК выходит на режим окислительного изнашивания.
Электрохимический износ связан с образованием политурной пленки - процессом, сильно зависящим от величины и полярности тока в щетках, влажности, температуры и химического состава окружающей газовой среды [88]. Прохождение тока вызывает процессы электролиза и температурные вспышки в точках контакта, что усиливает окисление меди. Доказательством этого может служить замедление процесса окисления, образование политуры происходит в 5 - 6 раз медленнее [30].
Влияние величины подачи смазки в зону контакта электрощетка -коллектор на износ смазывающих щеток
Анализ результатов, приведенных в параграфе 2.1 (табл. 2.3 и 2.4), позволяет сделать заключение об эффективности применения , СЩ, которая зависит от марки ЭЩ.
В связи с этим нами была поставлена задача провести исследование по оценке влияния подачи материала СЩ в зону контакта с позиции получения минимального износа ЭЩ. В опытах использовалась серийная машина МШУ-2,2-230 (рис. 2.1), с ЭЩ марок Г-ЗЗМ, ЭГ-84М, ЭГ-841 и ЭГ-84УМК.
Опытные машины работали по исследовательскому циклу: 3 минуты работы с потребляемой мощностью Р?=1200 Вт, три минуты перерыв - таких 8 циклов, после чего перерыв 30 минут. В набегающем крае штатного щеткодержателя был расположен вспомогательный для установки СЩ. Тангенциальный размер СЩ составлял Уг соответствующего размера одной ЭЩ. Аксиальный размер СЩ и ЭЩ одинаков. Величина подачи смазки осуществлялось за счет варьирования давления на СЩ, а так же количеством СЩ на рабочей дорожке (одна или две).
Как видно из приведенных данных (табл. 2.11, рис. 2.2), для каждой ЭЩ существует своя оптимальная подача смазки, которой соответствует минимальный износ ЭЩ. Передозировка (п.2) приводит не к снижению, а к увеличению износов ЭЩ. За счет уменьшения износа СЩ (/лещ) удалось уменьшить износ ЭЩ (//,) марки Г-ЗЗМ в 1,87 раза (п.6), ЭГ-84М в 1,34 раза (п. 11), ЭГ-841 в 1,15 раза (п. 15) и ЭГ-84УМК в 1,85 раз (п. 19).
В опытах использовался один и тот же коллектор, который после испытаний в непродороженном состоянии подвергся операции продорожки. Как следует из опытных данных, в случае непродороженного коллектора применение СЩ приводит не к снижению, а к увеличению в два раза износа ЭЩ (//,). В случае продорожки наблюдается снижение износов в 1,5 раза. Отрицательный эффект применения СЩ на непродороженном коллекторе по всей вероятности можно объяснить повышенной температурой в зоне контакта ЭЩ-коллектор (за счет худшего охлаждения), под действием которой ДМ, нанесенный на поверхность коллектора, переходит в оксид.
Обращает на себя внимание также уменьшение уровня радиопомех в случае использования непродороженного коллектора в сочетании со СЩ (так же, как и в случае применения СЩ на продороженном коллекторе). Некоторую эффективность СЩ можно объяснить тем, что не вся пленка смазки переходит в оксид, и оставшейся смазки достаточно для увеличения стабильности работы щеточного контакта. В таблице 2.14 представлены результаты оценки влияния винтовой канавки (шаг 16 мм, глубина 0,5 мм, ширина 3 мм), изготовленной на непродороженном коллекторе, на эффективность применения СЩ.
Эффективность применения смазывающих щеток
Перед проведением исследований о соответствии ТУ приемосдаточных испытаний была проведена проверка параметров стартер - генератора в штатном состоянии, а затем износные испытания по режиму: три запуска, десять часов работы при холостом ходе - таких три цикла. В дальнейшем было снято 6 ЭЩ и проведены вышеперечисленные испытания. Затем были установлены СЩ и все испытания продублированы. Результаты приведены в таблицах 3.1 и 3.2. Как следует из табличных данных, во всех трех случаях генераторы соответствуют ТУ на поставку.
Износы ЭЩ (табл. 3.3)- за счет уменьшения, их количества остались практически без изменения. Установка СЩ (р=400 г) приводит к снижению износов ЭЩ до 3 раз, однако обращает на себя внимание, что по мере увеличения наработки эффект применения СЩ уменьшается. Табл. 3.1 Характеристики генератора № Снятие регулировочной характеристики при частоте вращения 9000 об/мин и напряжении 28,5 В
В дальнейшем была проведена проточка коллектора испытуемого генератора, заменен комплект ЭЩ и проведены повторные испытания (табл. 3.4). Как следует из результатов испытаний, по всем дорожкам наблюдается нарастающий износ СЩ, которому соответствует увеличение износа ЭЩ (пункт 5).
Для выяснения причин снижения эффекта от применения СЩ по мере наработки нами были использованы СЩ (табл. 3.5 и 3.6), изготовленные с варьированием давления прессовки, процента связующего, параметров связующего (временем желатинизации), условий сушки смеси, которые имели отклонения от среднего значения, но находились в допустимых по ГОСТ 901-78 пределах значений.
Однако, как показали испытания, все эти- величины не оказывают существенного влияния на эффективность применения СЩ в исследуемом генераторе, так как во всех случаях по мере наработки наблюдается снижение эффективности СЩ.
Из анализа данных, приведенных в таблице 3.5, следует, что по мере увеличения давления прессовки увеличивается механическая твердость брикетов, (твердость определяется путем разрушения образца-свидетеля, размером 8x19x14 мм). При одинаковом давлении прессовки и проценте связующего твердость СЩ возрастает по мере снижения времени желатинизации.
Увеличение процента связующего приводит к увеличению . твердости СЩ. Увеличение времени сушки массы от оптимального значения вызывает снижение твердости СЩ.
Давление прессовки СЩ, т 3 3 8 5 2,5 3 В таблице 3.6 приведены данные по оценке влияния твердости СЩ на их свойства, при их изготовлении методом холодной и горячей прессовки. Износные испытания проводились на генераторе, работающем вхолостую в двигательном режиме при напряжении 18 В, и все СЩ устанавливались на одну дорожку, на которой отсутствовали ЭЩ, а также когда СЩ работали на генераторе в испытательном режиме в сочетании с ЭЩ. Как следует из табличных данных, при горячей и холодной прессовках обычно более твердой СЩ соответствует меньший износ как при холостом ходе, так и в рабочем режиме. Таким образом, твердость СЩ оказывает определенное влияние на величину подачи смазки в зону контакта ЭЩ-коллектор.
В результате проведенных исследований нами были выработаны рекомендации по оптимальной технологии изготовления СЩ в случае горячей и холодной прессовок (процента связующего, времени выдержки при прессовании, удельного давления прессовки, температуры нормализации брикетов, времени набора температуры при нормализации, времени сушки смеси).
На основании полученных данных было сделано предположение, что снижение эффективности СЩ по мере наработки обусловлено температурным фактором в зоне контакта ЭЩ-коллектор. При этом за счет высоких температур ДМ, нанесенный на поверхность коллектора, переходит в оксид и вызывает износ как СЩ, так и ЭЩ. Подтверждением высказанного положения являются результаты исследований, представленные в таблицах 3.7 и 3.8.
Расчет температурных полей обобщенного щеточно-коллекторного узла
Метод, предложенный в [82], позволяет проводить расчет температур для машин с самой распространенной конструкцией щеточно-коллекторного узла (рис. 4.4).
При расчете учитывается то обстоятельство, что при работе машины в некоторые моменты времени коллекторная пластина находится в контакте с ЭЩ. Время контакта ЭЩ с коллекторной пластиной ограничено периодом коммутации, то есть только в этот период времени между ними может произойти теплообмен.
Поскольку период коммутации составляет доли секунды, а процесс установления температуры коллектора исчисляются минутами (кратковременный режим) и часами (продолжительный режим), то для расчета температурного поля ЩКУ применяется расчетная область с эквивалентной ЭЩ, находящейся в непрерывном контакте с коллекторной пластиной, с эквивалентными граничными условиями и эквивалентными потерями.
В области контакта ЭЩ с коллектором выделяются потери мощности, которые представлены как поверхностный источник тепловыделения и введены в уравнение для граничных условий на S В области контакта коллектора с петушками имеет место теплоприток от обмотки якоря, что соответствует заданию на S6 граничных условий 2 рода.
При решении задачи принимаются следующие допущения: 1. Температурное поле ЩКУ является осесимметричным. 2. Полагалась пространственно-кусочная однородность ЩКУ. 3. Свойства материалов изотропны. 4. Контакт между ЭЩ и коллектором идеальный. 5. Потери, выделяющиеся в СК, равномерно распределены в области контакта ЭЩ с коллектором. 6. Потери в ЭЩ от прохождения электрического тока . - распределены равномерно. 7. Потери в коллекторных пластинах от прохождения тока малы. 8. Тепловыделения постоянны во времени. 9. Температура окружающего воздуха постоянна во времени и не зависит от температуры коллектора. 10. Влиянием щеткодержателя на теплоотдачу щеток пренебрегаем.
Область для расчета температуры в ЩКУ исследуемой машины включает три тела: 1 - коллекторная пластина с коэффициентом , теплопроводности материала Aj, удельной теплоемкостью с2 . плотностью pj, 2 - пластмасса коллектора (Я2 с2,Р2)\ 3 - эквивалентная ЭЩ (Я3) Сз}рз) находящаяся в непрерывном контакте с коллекторной пластиной. Количество расчетных тел уменьшилось по сравнению указанным на рис. 4.4 в связи с тем, что в МШУ-2,2-230 нажимные конусы и корпусная изоляция выполнены из одного материала-пластмассы .
Для решения поставленной задачи также использовался МКЭ [22]. В качестве конечного элемента выбран треугольник, поскольку с помощью семейства треугольников можно легко и достаточно точно представить область с криволинейными границами сложной формы (рис 4.1). В качестве базисных функций использовался полином первой степени.
Применение МКЭ для расчета стационарного температурного поля приводит к системе алгебраических уравнений, которая решалась прямым методом Гаусса с использованием итераций для учета нелинейности.
При этом использовалась левая разностная схема [86], имеющая хорошие характеристики в отношении устойчивости вычислительного процесса и исключения колебаний температуры [23, 24, 33, 79]. Здесь принято, что в период Дг теплофизические свойства материалов и граничные условия остаются постоянными, что вполне оправдано, поскольку теплофизические величины слабо зависят от температуры [15]. Система алгебраических уравнений на каждом временном шаге решалась прямым методом Гаусса.
Для реализации численного метода автором [82] составлена программа для ЭВМ, которая и использовалась для расчета средней установившейся температуры.
При определении исходных данных для моделирования температурного поля учитываются участие ЭЩ в процессе теплообмена с коллектором. Это участие характеризуется ее теплоемкостью, теплопроводностью, тепловыделениями и условиями теплообмена с окружающей средой.
Для сохранения адекватности теплоемкости эквивалентной и реальной ЭЩ необходимо сохранить равенство их объема, что целесообразно сделать путем уменьшения высоты ЭЩ.
Следует отметить, что коэффициент трения /щ зависит от многих факторов, в том числе и от температуры [26, 73]. Так/щ уменьшается в интервале (50-250)С, а затем начинает возрастать [73]. Но для упрощения расчета потери на трение оставались постоянными при расчетах.
Добавочные переходные потери, обусловленные расстройством коммутации, рассчитывались по средним значениям реактивной ЭДС ЕР, коммутирующей ЭДС Ек и добавочного тока [105, 106], с учетом потерь на искрение [73,113].
