Содержание к диссертации
Введение
1 . Особенности эксплуатации коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей подвижного состава 9
1.1. Электродвигатели постоянного и пульсирующего тока -основной элемент современного тягового электропривода на нынешнем этапе развития железных дорог России 9
1.2. Классификация электрических контактов, применяемых на транспорте 15
1.3. Особенности процессов трения и износа в электрических скользящих контактах 23
1.4. Использование смазочных композиций в коллекторно-щеточных узлах тяговых электрических машин 42
1.5. Выводы 44
2. Процессы, влияющие на надежность коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя 48
2.1. Физическое моделирование процессов трения и изнашивания в токопроводящем скользящем контакте тягового электродвигателя 48
2.2. Основные факторы, определяющие износостойкость электрического скользящего контакта 50
2.3. Физическая модель токопроводящего коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя 58
2.4. Измерение параметров при исследовании коллекторно-щеточного узла 63
2.5. Выводы 70
3. Экспериментальные исследования коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя 71
3.1. Экспериментальный стенд для исследования коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя 71
3.2. Оценка экспериментальных результатов, полученных в результате исследования работы коллекторно-щеточного узла 80
3.3. Выводы 112
4. Эффективность применения щеток новой конструкции на тяговых электродвигателях подвижного состава 114
4.1. Новые конструкции щеток для тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего тока 114
4.2. Коэффициент полезного действия и электромеханические характеристики тягового электродвигателя 134
4.3. Экономическая эффективность применения новых щеток на электровозах 147
4.4. Выводы 149
Заключение 150
Литература 153
Приложения 167
- Классификация электрических контактов, применяемых на транспорте
- Основные факторы, определяющие износостойкость электрического скользящего контакта
- Оценка экспериментальных результатов, полученных в результате исследования работы коллекторно-щеточного узла
- Коэффициент полезного действия и электромеханические характеристики тягового электродвигателя
Введение к работе
Непрерывный рост потребности в грузовых и пассажирских перевозках обусловливает постоянное количественное и качественное развитие железнодорожного транспорта. Объем грузовых перевозок, достигший своего пика в 1988-1989 гг., в последующие годы последовательно уменьшался, что было вызвано кризисными явлениями в экономике. Однако в последующее время имеет место рост объемов грузооборота. В обслуживающем наиболее грузо-напряженные участки парке электровозов имеется значительное число локомотивов, выработавших нормативный срок службы. Например, истек срок службы у более чем 2400 грузовых электровозов. Техническое обслуживание и ремонт изношенного подвижного состава требуют значительных дополнительных затрат материальных и трудовых ресурсов. Следовательно, в самом ближайшем будущем вопрос закупки новых электровозов встанет со всей остротой /83/.
На расширенном заседании Коллегии Министерства путей сообщения Российской Федерации от 20 декабря 2000 года было подчеркнуто, что совершенствование техники и технологии должно привести к существенной экономии эксплуатационных расходов, повышению производительности труда и надежности работы подвижного состава железных дорог.
Начиная с 1999 года инвестиционные затраты увеличились более чем в три раза. Приоритеты инвестиционной программы отрасли отданы, прежде всего, развитию и закупке подвижного состава нового поколения (порядка 12% с ростом 1,2 раза); внедрению ресурсосберегающих технологий; механизации ремонта пути; реализации программы безопасности движения /27/.
В «Комплексной программе реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава» отражена необходимость осуществлять работы по продлению рабочего ресурса наличного подвижного со 5 става с возможностью улучшения его эксплуатационных, технико-экономических и потребительских характеристик.
Повышение надежности работы технических средств позволит осуществить глубокие преобразования и в части совершенствования эксплуатационной работы сети.
Успехи в области электроники и полупроводниковой техники привели к тому, что в последние годы в нашей стране ведутся разработки по созданию и использованию на железнодорожном транспорте электроподвижного состава с асинхронными и вентильными тяговыми электродвигателями (АТЭД и ВТЭД). Основные достоинства этих машин, по сравнению с коллекторными: отсутствие коллекторов и щеток, что повышает их безотказность и долговечность, а при одинаковой мощности меньшая масса и меньшие габаритные размеры. В связи с такими достоинствами в России были созданы опытные образцы электровозов с АТЭД и ВТЭД для эксплуатационных испытаний /42/.
Несмотря на перспективу применения таких двигателей, на сегодняшний день основная часть действующего локомотивного парка оснащена тяговыми двигателями (ТД) постоянного тока, одним из основных узлов которых является токопроводящий скользящий контакт (ТСК) коллектор-щетка, выход из строя которого зачастую приводит к возникновению аварийной ситуации и нарушению графика движения поездов. Вследствие этого, также уменьшается и межремонтный период ТД локомотивов.
В реальных условиях эксплуатации токосъем в ТД осложнен рядом дополнительных явлений, точный учет которых затруднен. Все эти явления вызывают дополнительные процессы в виде нестабильности распределения напряжения по окружности коллектора, особых условий дугообразования на коллекторе и ряда других. Степень влияния этих явлений на работу ТД различна и зависит как от конструктивных особенностей, так и от особенностей режимов эксплуатации /42/. Основными причинами, приводящими к выходу из строя подвижных сопряжений коллекторно-щеточного узла (КЩУ), являются повышенный износ элементов данного контакта и высокий уровень искрения /54,109/.
В локомотивном хозяйстве развернуты работы по применению трибо-технических смесей, позволяющих снизить износ трущихся деталей и увеличить их ресурс. Указанный метод перспективен и может найти применение на всех видах подвижного состава и путевой техники /28/.
В области теоретических и экспериментальных исследований ТСК широко известны работы как зарубежных, так и отечественных ученых: Холь-ма Р., Мерла В., Майера Н., Крагельского И. В., Чичинадзе А. В., Мышки-на Н. К., Савкина В. Г., Кончица В. В., Мешкова В. В., Колесникова В. И., Евдокимова Ю. А., Шаповалова В. В., Козубенко В. Г., и ряда других авторов, занимающихся вопросами повышения износостойкости и долговечности работы контактных соединений, в основном, за счет применения смазочных композиций.
Но, несмотря на это, вопросы прохождения электрического тока, уменьшения коммутации и повышения надежности скользящего контакта (СК) КЩУ являются недостаточно изученными. Таким образом, на сегодняшний день повышение износостойкости элементов СК коллектор-щетка (в частности щетки) является актуальной задачей, решение которой связано с дальнейшим исследованием, как конструктивных особенностей токосъема, так и физических процессов, протекающих в зоне контакта.
Целью диссертационной работы является разработка КЩУ новой конструкции и изучение особенностей его функционирования.
В первой главе диссертационной работы указана важнейшая роль ТСК при работе тяговых электродвигателей (ТЭД), качество которых, в значительной мере, определяет надежность и эффективность эксплуатации тягового и вспомогательного приводов, используемых на железнодорожном транспорте. Кроме этого, описаны конструктивные особенности подвижных сопряжений СК, а также виды изнашивания и методы повышения их износостойкости.
Вторая глава посвящена разработке методики исследования элементов КЩУ. При помощи метода ранговой корреляции выявлены существенные факторы (плотность электрического тока, скорость скольжения щетки по коллектору и удельная нагрузка в контакте), влияющие на процессы трения и коммутации данного узла, а также при помощи метода размерностей и физического моделирования был сконструирован экспериментальный стенд, позволяющий воспроизводить такие же физические явления как у реальной тяговой электрической машины и сократить время испытаний для получения достоверных результатов.
В третьей главе диссертации описан экспериментальный стенд, на котором производились исследования коллекторно-щегочного узла и его номинальные данные. Кроме того, представлена математическая модель линейного износа и результаты эксперимента, т. е. зависимость линейного износа от трех существенных факторов.
Последняя четвертая глава посвящена описанию щеток новой конструкции, одна из которых подтверждена патентом Российской Федерации на изобретение /99/; в ней также показана эффективность применения таких щеток на подвижном составе железнодорожного транспорта за счет уменьшения потерь на трение, уменьшения уровня искрения, повышения коэффициента полезного действия не только тяговых двигателей, но и всего электровоза в целом, годовой экономии электроэнергии локомотивами.
Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на: международном научном симпозиуме (г.Москва, МГТУ «МАМИ», 1999); 58-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава (г.Ростов-на-Дону, РГУПС, 1999); на международной научно-технической конференции (г.Ростов-на-Дону, РГУПС, 1999); 59-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (г.Ростов-на-Дону, РГУПС, 2000); второй международной отраслевой научно-технической конференции (г.Ростов-на-Дону, РГУПС, 2000).
По результатам диссертационного исследования опубликовано 10 научных статей и получен патент Российской Федерации на изобретение.
Классификация электрических контактов, применяемых на транспорте
Электрические контакты получили чрезвычайно широкое применение в технике, в частности, в устройствах подвижного состава железнодорожного транспорта с электрической передачей. Надежное соединение двух проводников с целью передачи энергии электрического тока принято называть электрическим контактом /116/. Классификация электрических контактов может быть выполнена по различным признакам: конструктивно-технологическим, кинематическим, геометрическим, функциональным, по физическим и химическим качествам. Такая классификация приведена на рисунке 1.1 в виде блок-схемы /84/.
Более подробно выделены те виды электрических контактов, работа которых сопровождается процессами трения и изнашивания. Как видно из схемы, к таким контактам относится широкий класс различных по назначению и условиям работы подвижных сопряжений. Прежде всего, это скользящие контакты электрических машин, токосъемы транспортных и подъемно-транспортных устройств, скользящие, а также разъемные контакты радиоэлектронной аппаратуры, систем автоматики и телемеханики.
В тяговом и вспомогательном электрическом приводе подвижного состава важнейшую роль играют токопроводящие скользящие контакты. Качество скользящих контактов, в значительной мере, определяет надежность и эффективность эксплуатации тягового и вспомогательного приводов, используемых на железнодорожном транспорте. Достаточно сказать, что значительная часть электрической энергии в процессе ее выработки и использовании, по меньшей мере, однократно проходит через скользящий контакт. Поэтому электромеханическое преобразование энергии на подвижном составе в настоящее время и на значительную перспективу немыслимо без использования ТСК, одной из которых является трущаяся пара коллектор-щетка.
Вместе с тем, несмотря на столь важное значение для техники, многие проблемы в области обеспечения надежности и эффективности работы основного для железнодорожного транспорта токопроводящего коллекторно-щеточного узла (ТКЩУ) остаются нерешенными. Число отказов СК коллектор - щетка сравнительно велико по сравнению с отказами контактов иного типа. Причем по данным Мышкина Н. К. /84/ число их отказов составляет порядка (1,0 - 2,9)х105 1/ч. Базируясь на данных /84/, при работе над диссертацией была разработана более широкая классификация СК различного типа и представлена в виде блок-схемы на рисунке 1.2.
Длительное воздействие электрического тока, процессы трения и удара приводят к искрообразованию и сильному износу скользящего контакта коллектор-щетка, ухудшая качество его работы, тем самым, снижая надежность эксплуатации тягового и вспомогательного приводов, используемых на железнодорожном транспорте /43, 121/.
Наиболее широкое распространение в подвижном составе среди токо-проводящих трибосистем получили сильноточные скользящие контакты, к которым можно отнести СК тяговых электрических машин (ТЭМ) (рисунок 1.3).
Так как большая часть поверхности щетки непосредственно не соприкасается с поверхностью коллектора, то, говоря об износе этого токопроводящего скользящего контакта коллектор-щетка, различают/52, 123/: 1) чисто механический износ, т. е. износ без участия тока; 2) механический износ при протекании тока; 3) электрический износ без содействия механического истирания. Механический износ коллектора и щеток, как правило, невелик, хотя могут быть случаи высокого износа этих частей в зависимости, главным образом, от структуры щеток и нецилиндричности формы коллектора.
Основные факторы, определяющие износостойкость электрического скользящего контакта
При исследовании сложных процессов, каковыми являются трение и изнашивание, на первых этапах изучения следует определить существенные факторы, влияющие на работу СК. Это позволит, в значительной степени, уменьшить время и объем экспериментальных работ. Практически для выявления подобных факторов пользуются двумя основными методами: 1) метод экспертных оценок (или ранговой корреляции), который основывается на опросе специалистов в данной области техники при использовании разработанных таблиц, на анализе литературных источников с последующей статистической обработкой результатов /39, 97/; 2) метод случайного баланса, при котором используются насыщенные планы экспериментов, позволяющие значительно снизить число выполняемых опытов /89/.
При отсутствии достаточных сведений о процессах трения и изнашивания в исследуемом СК применяется метод случайного баланса, который более трудоемок по сравнению с методом ранговой корреляции, основанным на экспертных оценках. В подобных случаях используются построения матрицы случайного баланса и на ее основе определяются методы математического планирования эксперимента. Для построения матрицы случайного баланса число опытов выбирается кратным двум и превышающим К+1, где К -число анализируемых факторов, что позволяет оценить линейные эффекты. Факторы распределяются по столбцам так, чтобы в первой части были наиболее существенные. Причем данная матрица планирования пригодна только в двух случаях: 1) если в ней нет закоррелированных столбцов (т.е. знаки в столбцах двух различных эффектов не должны полностью совпадать или не совпадать); 2) в матрице не должно быть столбцов, скалярное произведение которых на любой другой столбец давало бы столбцы с одинаковыми знаками.
При этом также необходимо выполнение определенного граничного условия /18/. В монографии /18/ установлено, что одновременное использование в одной матрице свыше 10 основных факторов весьма затруднительно. Это объясняется тем, что межфакторные взаимодействия могут преобладать над одиночными факторами, что может существенно исказить реальную картину исследуемого процесса. Зачастую, на начальных стадиях исследования учет определенного количества факторов, основанный на опыте экспериментатора, может значительно снизить область факторного пространства, в котором целесообразно проводить исследования. Вместе с тем, это определяется самим исследованием, и выбор факторов может быть недостаточно объективным. Это - недостаток данного метода.
Метод экспертных оценок (ранговой корреляции) позволяет определить наиболее существенные факторы при помощи опроса широкого круга специалистов, принадлежащих к различным научным школам. При этом существенные факторы, влияющие на износ элементов токоведущих скользящих контактов, располагаются в порядке убывания степени их влияния на исследуемый процесс. При экспертном опросе, по возможности, стараются учесть все возможные факторы. При этом разумеется, что в результатах опроса возможны расхождения в оценке различных факторов специалистами в данной области техники. Поэтому при статистической оценке степени совпадения мнений специалистов применяют дисперсионный коэффициент кон-кордации /39, 97/. Заметим, что метод ранговой корреляции имеет ряд значительных преимуществ перед методом случайного баланса, поскольку в результате получается более объективный материал, базирующийся на мнении ряда экспертов - специалистов.
Используем метод ранговой корреляции для определения различных факторов, влияющих на процессы трения и износа элементов токоведущего СК (коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя). В нашем слу чае количество факторов, существенно влияющих на процесс изнашивания токоведущего скользящего контакта, достаточно велико. Нами установлено на основании изучения современной научно - технической литературы, данных эксплуатации скользящего контакта в электрических машинах подвижного состава и опросных листов, что наиболее существенными факторами являются следующие /51/: Xi -удельное нажатие щетки на коллектор; х2 - линейная скорость скольжения коллектора по щетке; х3 - плотность тока под щеткой; х4 - удельное электрическое сопротивление щетки; х5 - удельное сопротивление политуры (окисной пленки на коллекторе); х6 - модуль упругости щетки; х7 - твердость материала щетки; х8 - твердость материала коллектора; х9 - шероховатость поверхности коллектора; х10 - площадь контакта щетки с коллектором; X] і - температура в скользящем контакте; х12 - температура окружающего воздуха; Хіз - давление охлаждающего воздуха в зазоре между щеткой и коллектором; х14 - количество влаги в зазоре между щеткой и коллектором; Xi5 - количество охлаждающего воздуха; xi6 - способ охлаждения СК коллектор - щетка; х)7 - вибрация СК; Xig - коэффициент трения; х19 - запыленность охлаждающего воздуха; х2о - содержание агрессивных веществ в охлаждающем воздухе. Результаты опроса оценивались по двадцатибальной шкале и занесены в таблицу 2.1.
Оценка экспериментальных результатов, полученных в результате исследования работы коллекторно-щеточного узла
Анализ литературных источников /30, 43, 57-62, 68, 79, 85-88/ показал, что процессы изнашивания и коммутации коллекторно-щеточного узла изучены недостаточно, и авторы не учитывают межфакторные взаимодействия основных факторов, влияющих на работу скользящего контакта ТКЩУ. Это, в свою очередь, влечет за собой затруднение создания математической модели, адекватно описывающей исследуемые процессы, и проведения регрессивного анализа.
В данной диссертационной работе с помощью математического планирования, моделирования и оптимизации, а также программы «Проект ОЦКП-2» (ортогональный, центральный, композиционный план), разработанной на кафедре «Путевые и строительные машины» Ростовского государственного университета путей сообщения /95/, была проведена оценка влияния существенных эксплуатационных факторов на изнашивание и коммутацию сопряженной пары коллектор-щетка, и описаны методы их снижения. Во второй главе диссертации описывался метод ранговой корреляции, применяемый для выявления существенных факторов, влияющих на износ ТСК. Это дало возможность выделить пять основных: - плотность тока под щеткой; - линейная скорость скольжения коллектора по щетке; - удельное нажатие щетки на коллектор; - содержание агрессивных веществ в охлаждающем воздухе; - удельное сопротивление политуры. Достоверность данного метода подтверждался значительно высоким коэффициентом конкордации W = 0,729. Остальные 15 факторов являются менее существенными и, в меньшей мере, влияют на процессы трения и износа коллекторно-щеточного узла. Так как построить математическую модель износа электрощеток при варьировании пяти факторов представляет собой сложную задачу, то ограничимся основными тремя, которые необходимо сохранить при моделировании экспериментальных исследований. Такими факторами, согласно литературным источникам /26, 65, 122/, являются скорость скольжения, нагрузка в СК и температура.
По мнению многих авторов /10, 116, 117, 126/ температура в ТСК зависит от протекания электрического тока в контакте, поэтому данный фактор мы можем заменить плотностью электрического тока. Исследования проводились на специально изготовленном экспериментальном стенде (рисунок 3.2), который представляет собой физическую модель тяговой электрической машины и позволяет воспроизводить те же физические явления в зоне трения КЩУ, что и в реальном ТЭД. Кроме того, значения удельного электрического сопротивления политуры оставалось все время на определенном уровне, так как в реальных эксплуатационных условиях работы оно не подвергается влиянию. Таким образом, основными варьируемыми факторами, заложенными в построение математической модели, будут являться: плотность электрического тока в контакте КЩУ; - скорость скольжения щетки по коллектору; - удельная нагрузка. Наименование исследуемых факторов (независимых переменных), влияющих на износ и коммутацию коллекторно-щеточного узла ТЭД, их обозначения, размерность и интервалы варьирования представлены в таблице 3.5. Причем интервалы варьирования выбирались таким образом, чтобы математическая модель смогла бы описать предельно максимальную область факторного пространства. Кроме того, в работе /63/ указывается, что для получения оценки истинного значения измеряемых параметров с заданной доверительной вероятностью Р = 0,95, количество параллельных опытов должно находиться в интервале 2 m 20. При решении технических задач достаточное количество параллельных опытов соответствует г = 3, что, в свою очередь, соответствует доверительному интервалу для искомого числа повторений. Поэтому, число параллельных опытов при исследовании процессов коммутации, трения и изнашивания в коллекторно-щеточном узле принимается равным г = 3.
Коэффициент полезного действия и электромеханические характеристики тягового электродвигателя
В четвертой конструкции устройства токосъема для электрической машины постоянного и пульсирующего тока тяговых электродвигателей подвижного состава задача повышения надежности решается за счет улучшения качества работы СК.
Данная задача решается таким образом, что в устройстве токосъема между щеткой и щеткодержателем расположен, по меньшей мере, один адсорбирующий слой из углеродной электропроводящей ткани, или слои смазочного материала, содержащего электропроводящий порошок, чередуются с электропроводящими вертикальными слоями углеродной ткани в продольном разрезе щетки, или в пространстве между щеткой и щеткодержателем содержатся слои электропроводящей углеродной ткани, чередующиеся со слоями смазочной композиции (рисунки 4.8, 4.9, 4.10).
Устройство токосъема для электрической машины (рисунок 4.8) содержит контактирующую с коллектором 1 щетку 2, разрезанную в продольном направлении и установленную в щеткодержателе 3. Щетку к коллектору прижимает нагружающее устройство 4. Между щеткой и коллектором, а также в разрезе щетки 2 размещен электропроводящий смазочный материал 5, который заполняет пространство между неровностями профиля шероховатости коллектора и содержит электропроводящий порошковый наполнитель в количестве 2-Ї-15 % от объема смазочного материала. Между щеткой 2 и щеткодержателем 3 расположен адсорбирующий слой из углеродной электропроводящей ткани 6.
На рисунках 4.9, 4.10 обозначения те же, что и на рисунке 4.8. Описанное выше устройство токосъема работает следующим образом.
При нажатии разрезной щетки 2 на коллектор 1 и при ведении его во вращение смазка 5 попадает в зону трения. Частицы электропроводящего порошкового наполнителя попадают в контактный зазор и образуют дополнительные мостики проводимости от коллектора к щетке.
Адсорбирующие слои из углеродной ткани 6, расположенные между щеткой 2 и щеткодержателем 3, способствуют удержанию частиц продуктов износа и препятствуют выходу их за пределы зоны контакта коллектора со щеткой.
Еще лучшего эффекта можно достичь при применении щетки с чередующимися слоями смазки и электропроводящей углеродной ткани в про-, дольном ее разрезе или же при использовании щетки с чередующимися слоями электропроводящей углеродной ткани и смазочной композиции, расположенными в пространстве между щеткой и щеткодержателем. Это позволит, в значительной степени, создать более стабильный контакт с низким переходным сопротивлением, повысить плотность тока в СК коллектор-щетка, снизить искрообразование и износ трущихся поверхностей, избежать электрической эрозии и, тем самым, повысить надежность токосъема за счет улучшения качества его работы.
Созданные в процессе работы над диссертацией конструкции щеток для тяговых электродвигателей позволили не только снизить линейный износ и искрение при работе электрических машин подвижного состава железных дорог, но и уменьшить падение напряжения переходного контакта коллектор-щетка на 0,5 В. Это приводит к уменьшению потерь мощности и увеличению КПД тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока.
Вследствие этого повысится и КПД электровоза в целом, что позволит экономить электроэнергию при перевозке грузов и пассажиров. Ниже определяется КПД тягового электродвигателя НБ-418К, устанавливаемого на грузовых электровозах ВЛ80 при использовании щеток новой конструкции /99/.
