Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ условий эксплуатации тяговых электрических двигателей и типового технологического процесса ремонта коллектора 7
1.1 Оценка условий эксплуатации тяговых электрических двигателей 7
1.2 Дефекты коллектора, возникающие в эксплуатации 10
1.2.1 Механическое воздействие на поверхность коллектора 12
1.2.2 Электрическое воздействие на поверхность коллектора 14
1.3 Система обслуживания и ремонта ТЭД в эксплуатации 18
1.4 Анализ типового технологического процесса ремонта коллекторов ТЭД при ТР-3 21
1.5 Цели исследований, постановка задач и пути их решения 28
2 Исследование процесса механической обработки при ремонте коллектора 29
2.1 Влияние режущего инструмента на качество обработки коллектора 31
2.2 Применение алмазных резцов для обточки коллекторов 34
2.2.1 Оптимизация формы и геометрических параметров режущего элемента для обточки коллекторов ТЭД 36
2.2.2 Технологический процесс алмазной заточки и доводки резца, оснащенного поликристаллическим алмазом 42
2.3. Выводы 52
3 Применение методов поверхностного пластического деформирования для упрочнения поверхности коллекторов 53
3.1 Анализ существующих методов поверхностного пластического деформирования 53
3.2 Технологические параметры поверхностного пластического деформирования, влияющие на процесс образования поверхностного слоя при его упрочнении 55
3.3 Использование некомпозиционных планов второго порядка для математического описания процесса поверхностного пластического деформирования 63
3.4 Расчет режимов накатки 69
3.5 Выводы 74
4 Качество поверхности коллектора и коммутационная устойчивость 74
4.1 Влияние дугового разряда на коллекторные пластины до и после упрочнения 74
4.2 Взаимосвязь коммутационных процессов и качества поверхностного слоя коллектора 78
4.3 Математическая модель процесса искрообразования при изменении параметров поверхностного слоя коллектора 97
4.4 Выводы 115
5 Расчет экономической эффективности внедрения операции накатки 116
5.1 Определение себестоимости изготовления накатника 116
5.2 Определение себестоимости разработки проекта накатника 126
5.3 Определение чистого дисконтированного дохода от использования операции накатки 128
Заключение 131
Список использованных источников 133
Приложение 1 Документы, подтверждающие практическую реализацию результатов диссертационной работы
Приложение 2 Режимные таблицы технологических параметров операции накатки 144
- Дефекты коллектора, возникающие в эксплуатации
- Применение алмазных резцов для обточки коллекторов
- Технологические параметры поверхностного пластического деформирования, влияющие на процесс образования поверхностного слоя при его упрочнении
- Взаимосвязь коммутационных процессов и качества поверхностного слоя коллектора
Введение к работе
Улучшение эксплутационных характеристик локомотивов зависит от их технического состояния. Повышение качества их ремонта, увеличение ресурса агрегатов и узлов требуют совершенствования технического обслуживания и ремонта. Особое место в системе ремонта занимают капитальный ремонт и часть деповского ремонта, на долю которых расходуются значительные средства. При ремонте тягового двигателя локомотива, кроме ремонта механической части, подвергается ремонту и электрическая часть, которая в процессе эксплуатации изнашивается, особенно в поверхностных слоях контактирующих элементов. К ним можно отнести посадочные места под подшипники и под подшипниковый щит, а также коллекторно-щеточный узел, особенно место контакта «щетка - коллектор». Качество обработки поверхности коллектора влияет на электрические и эксплуатационные характеристики тягового двигателя.
Анализ состояния локомотивного парка железных дорог России за последние годы [1,2] показал, что техническое состояние электровозов является неудовлетворительным: 11,1 % электровозов от общего числа находится в неисправном состоянии. Простой электровозов на неплановом ремонте по сети железных дорог в России в 2001 г. составил более 477 тыс. ч. Причинами этого являются низкий уровень технического оснащения и несоблюдение технологических процессов ремонта и нарушение режимов эксплуатации. Если первая причина отражается на сроках и качестве проведения ремонтов, то вторая причина связана с отсутствием в существующей системе ремонта объективной оценки текущего состояния эксплуатируемых электровозов, их основных агрегатов и узлов.
Анализ возникающих в пути следования отказов позволяет выделить следующие агрегаты и узлы электровозов, выходящие из строя наиболее часто: тяговые электродвигатели (ТЭД) и вспомогательные электрические машины (21,2%); электрическая аппаратура (49,4%). Остальное распределяется на колесные пары, автотормозные приборы, компрессоры и т.д.
Причинами отказов ТЭД являются: неудовлетворительное качество текущих ремонтов - до 57,5 %, плохое обслуживание и нарушение режимов управления - более 30 %. Число отказов тяговых электродвигателей по отношению к общему числу отказов оборудования локомотивов составля-
5 ет 17 - 20 %. Как свидетельствует анализ технического состояния электровозного парка на сети дорого, число отказов тяговых двигателей имеет тенденцию к росту. Наименее надежны следующие тяговые двигатели (по отношению к числу эксплуатируемых типов), %:ТЛ-2К - 27; ДПЭ-400 - 24,7; НБ-406 - 22,4 [94]. Поскольку коллекторно-щеточный узел (КЩУ) тягового электродвигателя является местом комплексного взаимодействия как электрических, так и различных видов механических параметров, то и ремонт этого важного узла ТЭД нужно рассматривать с двух точек зрения. Не всегда удобные решения проблемы ремонта КЩУ с «механической» точки зрения оказываются подходящими с «электрической» стороны вопроса. Выполняемые в настоящее время работы по восстановлению геометрии коллектора и качество его поверхности после ремонта не всегда согласуются с потребностями коммутационной устойчивости электрических машин.
Сложные условия эксплуатации, тяжелые режимы работы отрицательно влияют на работу коллекторно-щеточного узла. На данный момент при ремонте коллекторов возникают следующие проблемы: низкая стойкость режущего инструмента при обточке коллектора и, как следствие, его частые переточки; отсутствие жестких допусков на размер при переточке режущего инструмента, что дает нестабильную шероховатость после механической обработки; использование дорогостоящего абразивного инструмента для окончательной обработки коллектора, низкая твердость и высокая шероховатость поверхности коллекторных пластин после ремонта. Использование при обточке коллекторов инструмента с более высокой стойкостью и оптимальной геометрией режущей части позволит получать поверхность коллектора со стабильным значением шероховатости. Введение в технологический процесс ремонта операции поверхностного пластического деформирования (ППД), накатки, увеличит твердость поверхностного слоя коллекторных пластин, уменьшит их шероховатость, что положительно скажется на процессе работы коллекторно-щеточного узла. Однако не исследован вопрос влияния качества поверхностного слоя коллекторных пластин на процесс коммутации.
Проблемам хорошей и устойчивой коммутации посвящено большое число работ таких ученых как Е. Арнольда, Р. Хольма, И. Некийрхена, В. Гейнри-ха, О. В. Вегнера, М.Ф. Карасева, В. Д. Авилова, Р. Ф. Бекишева, В. Т. Касьянова, А. С. Курбасова, Г. А. Сипайлова, А. И. Скороспешкина, Б. В. Токарева, В. В. Толкунова, В. В. Фетисова, В. С. Хвостова, и многих других.
Проблема обеспечения высокой коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин не до конца решена из-за сложности процессов, происходящих в скользящем контакте.
Основной задачей данной работы является повышение коммутационной устойчивости тяговых электрических машин за счет совершенствования технологии ремонта коллекторов электрических машин. Это достигается путем введения в технологический процесс новых инструментов и технологической операции.
В соответствии с «Программой энергосбережения на железнодорожном транспорте на 1998-2000 гг. и на перспективу до 2005 года», утвержденной указанием МПС России 19.10.98 №Б-1166у, одним из приоритетных направлений деятельности является снижение потерь, связанных с износом узлов и деталей, а также внедрение современных методов диагностирования и ремонта. Таким образом, решение поставленных в работе задач является актуальной проблемой для железнодорожного транспорта.
Дефекты коллектора, возникающие в эксплуатации
Наиболее интенсивный износ коллектора наблюдается при искрении в контакте. Поэтому для снижения износа коллектора очень важно обеспечить хорошие, безыскровые условия коммутации электрической машины. Поскольку КЩУ работает в тяжелых климатических и сложных эксплуатационных условиях, то на поверхностный слой коллектора воздействует много различных факторов. Под поверхностным слоем понимают прилегающий к основной массе слой металла, имеющий отличающиеся от основной массы детали структуру, фазовый и химический состав[4].
Факторы, воздействующие на коллектор, можно разделить на внешние и внутренние. К внешним можно отнести все воздействия окружающей среды, взаимодействие колесно-моторного блока и пути, погрешности сборки тягового двигателя, режимы работы и другие факторы. Схема воздействия внешних факторов представлена на рисунке 1.
К внутренним относятся факторы, возникающие непосредственно при взаимодействии коллектора и щетки, иначе говоря, в скользящем контакте.
В свою очередь, внутренние факторы подразделяются на механические и электрические [50]. Наиболее неблагоприятными для ТЭД являются парные или групповые сочетания механических и электрических воздействий [39].
Мероприятия, направленные на улучшение коммутации, будут приводить к снижению износа щеток и коллектора. Существенное влияние на износ оказывает непосредственно само искрение, вызываемое механическими причинами [6]. Факторы, определяющие механическое воздействие на коллектор, представлены на рисунке 2.
Искрение ТЭД на стыках рельсов, стрелочных переводах и других неровностях пути приводит к увеличению износа щеток по сравнению с работой в стационарных условиях на 30-50%. Наиболее резко увеличивается износ щеток и коллектора при повышенном износе зубчатой передачи, различных дефектах контактной поверхности коллектора [7, 49].
Эксцентриситет коллектора меньше сказывается на работе узла токосъема. Однако увеличение его свыше определенных пределов также приводит к резкому возрастанию износа. Также могут возникать такие дефекты поверхности коллектора как конусность, вогнутость, бочкообразность. Конусностью называется отклонение от параллельности образующих, вогнутость и бочкообразность характеризуются разностью крайних и средних диметров коллектора [30, 31, 32]. Эти дефекты возникают, как правило, из-за изношенности оборудования на котором производилась проточка коллектора. Исследования [29] показали, что если у двигателя, имеющего темную коммутации, искусственно создать волнистость рабочей поверхности коллектора, то появившееся искрение не удается устранить не чем иным, кроме обточки. Перечисленные дефекты поверхности коллектора отрицательно сказываются на работе коллекторно-щеточного узла и их можно отнести к макрогеометрическим параметрам качества коллектора, т. е. к отклонениям от идеальной формы единичного характера, не повторяющегося регулярно. [7] Если равномерная выработка коллектора по окружности и по образующей не вызывает существенного увеличения износа щеток, то неравномерная выработка по окружности равносильна наличию местного биения коллектора. В связи с тем, что разные секции обмотки якоря находятся в различных условиях по коммутации, коллекторные пластины, соединенные с ними, изнашиваются неодинаково, особенно при тех или иных нарушениях коммутационного процесса. Возникающие при этом вибрации и искрение в контакте вызывают повышенный износ щеток и коллектора, а иногда и разрушение щеток.
Неравномерный износ по длине пластины коллектора вызывает увеличение искрения в контакте, так как при этом возникают колебания щетки в аксиальном направлении. Существенно влияет на износ заволакивание межламель-ного пространства медью. При высокой скорости вращения коллектора чешуи 14 ки сдвинутой в межламельное пространство меди, попадая в контакт, действуют как абразив, увеличивая износ щеток и коллектора. Накопление оторванных чешуек в межламельном пространстве и образование из сдвинутых на сбегающий край пластины чешуек нароста [50] может привести к замыканию двух соседних пластин между собой и, как следствие, возникновению кругового огня.
Часто на коллекторе наблюдается подгар или повышенный износ по одному из следов щетки. Причиной этого может быть заедание щетки в гнезде щеткодержателя и ее искрение. Причиной неравномерного износа коллектора и щеток является ослабление заделки токоведущих проводов в одной или нескольких щетках, ослабление крепления их наконечников. Такие щетки работают с недогрузкой, в то время как в остальных резко возрастает плотность тока, что вызывает повышенный износ не только перегруженных, но и остальных щеток, работающих на одной дорожке.
Крайне нежелательным является попадание масла на коллектор электрической машины. Растекаясь по коллектору, масло образует на нем изолирующую пленку, способствующую неравномерному распределению тока. Отлагающиеся на коллекторе продукты разложения масла вызывают повышение коэффициента трения и износа. Накопление смеси масла с продуктами износа может вызвать зависание щетки в щеткодержателе, повышенное искрение и даже отрыв от коллектора. Своевременная чистка коллектора и устранение причин попадания масла позволяют исключить повышение износа щеток по указанной причине.
Резко возрастает износ коллектора при наличии в щеточном материале большого количества абразивных частиц. Выработка коллектора при этом имеет неравномерный характер. Ток неравномерно распределяется по отдельным контактным дорожкам. Поэтому износ коллектора по образующей практически на всех тяговых электрических машинах происходит неравномерно.
Применение алмазных резцов для обточки коллекторов
При обточке коллектора резец работает в условиях высоких температур и знакопеременных нагрузок. Например, при обточке коллектора тягового двигателя ТЛ2К за один оборот по режущей кромке резца приходится 525 ударов (по числу пластин в коллекторе). В результате, используемые в условиях ремонтного депо резцы из твердого сплава выдерживают обточку 3-5 коллекторов, после чего необходимо производить их переточку. Так как переточка производится на заточном станке без применения контрольного инструмента, то после переточек получить одну и ту же геометрию пластин практически невозможно. С изменением геометрических параметров пластин происходит изменение шероховатости поверхностного слоя коллектора. После ремонта коллекторы выходят в эксплуатацию с различными параметрами поверхностного слоя. Необхо 35 димо стремиться получать рабочую поверхность коллекторов с постоянными параметрами поверхностного слоя (шероховатость, твердость). Для получения стабильных значений шероховатости и микротвердости, а также для уменьшения подготовительного времени и увеличения количества коллекторов, обработанных одним инструментом, предлагается использовать для обточки коллекторов резцы, оснащенные пластинами из синтетических поликристаллических алмазов (СПА).
Синтетические поликристаллические алмазы обладают высокой твердостью (микротвердость 40000-75000 МПа, что в два-четыре раза выше, чем твердых сплавов), теплостойкостью (1100-1300 С), теплопроводностью (близкая к теплопроводности твердых сплавов и не снижающаяся при повышении температуры), химической инертностью, высокой стойкостью к ударным нагрузкам. В отличие от природных алмазов синтетические поликристаллические алмазы обладают изотропностью механических свойств, поэтому отсутствует необходимость ориентирования СПА по плоскостям при переточке [96, 98]. Синтетические поликристаллические алмазы эффективны при обработке цветных металлов [97]. Благодаря этим свойствам инструменты из СПА можно использовать для чистовой и черновой обработки, а также для обработки таких деталей с прерывистыми поверхностями как коллектор. При точении резцами из СПА обеспечивается параметр шероховатости обработанной поверхности Ra 0,63 - 1,25 мкм, 7-й и 8-й квалитеты точности [10].
Для обработки медных коллекторов для резцов из СПА рекомендуется следующая геометрия режущей части [13]: - передний угол у следует устанавливать в пределах 0-10; - задний угол а зависит от твердости обрабатываемого материала; для обработки меди рекомендуется устанавливать в пределах 10-12; - главный угол в плане ср оказывает большое влияние не только на микрогеометрию обработанной поверхности, но и на составляющие силы резания. Обычно угол ф принимают в пределах 30 - 90; - вспомогательный угол в плане фі оказывает существенное влияние на шероховатость обработанной поверхности. Обычно фі=2 - 45. Для уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности применяют резцы с меньшим значением угла фь - при небольшой глубине резания и подаче главная и вспомогательная режущие кромки практически в работе не участвуют, следовательно, микро 36 геометрия обработанной поверхности зависит от радиуса скруглення вершины резца. Практически радиус скруглення должен быть в пределах 0,2 - 0,8 мм. Чем мягче обрабатываемый материал, тем больше должен быть радиус скруглення [11].
Для определения оптимальных геометрических параметров режущей части резцов из СПА по износостойкости необходимо проведение трудоемких и дорогостоящих стойкостных опытов. Такие эксперименты продолжительны по времени, связаны с использованием и расходованием большого количества инструментального и обрабатываемого материалов.
Одним из современных методов исследования процессов резания является использование теории подобия для их исследования.
Теория подобия основана на обработке результатов экспериментов с помощью безразмерных комплексов (критериев подобия), включающих в себя все основные параметры изучаемого процесса. Критерии подобия находят обычно путем специального анализа общих теоретических уравнений процесса, записанных в дифференциальной или конечной (явной) формах. Так как правильно составленные теоретические уравнения описывают обычно широкий класс изучаемых явлений, то получаемые из них безразмерные критерии обладают большой общностью. Следовательно, критерии подобия владеют самым существенным положительным свойством теоретического метода исследования -его общностью, универсальностью.
Метод подобия позволяет распространить данные единичного опыта на группу подобных между собой процессов резания и получить общие теоретико-экспериментальные зависимости в виде критериальных уравнений. Количество проводимых опытов при этом резко сокращается, а получаемые результаты становятся применимы к широкому кругу изучаемых явлений.
Расчетное определение обрабатываемости материалов резанием связано, прежде всего, с установлением теоретической зависимости скорости резания от различных технологических факторов и физико-механических свойств материалов инструмента и детали. Эта зависимость должна помогать осуществлять выбор рациональных режимов резания в каждом конкретном производственном случае с учетом требуемых показателей стойкости инструмента, производительности обработки, точности и качества поверхностного слоя.
Технологические параметры поверхностного пластического деформирования, влияющие на процесс образования поверхностного слоя при его упрочнении
Шероховатость поверхности после обработки зависит, прежде всего, от способа обработки, конструкции инструмента, условий обработки и свойств обрабатываемого материала [15]. Для силовых свойств ППД качением эту зависимость можно представить в общем, виде: Rz=f(P,S,VH,Rzo6,Rm,A) (18) где Rz - шероховатость поверхности после обработки, мкм; Р - усилия поверхностной пластической обработки, Н; S - подача при обработке, мм/об; VH - скорость накатки, м/мин; Rzo6 - шероховатость после предшествующей обработки, мкм; RUH - шероховатость обрабатывающего инструмента, мкм; А - другие факторы (например, применение смазочных жидкостей, длина контакта обрабатывающего элемента с деталью, количество проходов, радиус закругления диска и т.д.).
Одним из основных технологических параметров ГШД, от которого зависит шероховатость поверхности, является усилие прижима обрабатывающего элемента к коллекторным пластинам. Это усилие в каждом случае обработки и для каждого способа ГШД имеет оптимальное значение, при котором возможно получить минимальную шероховатость обрабатываемой поверхности. Применение усилий прижима меньше оптимального приводит к некоторой деформации неровностей, остающихся от предшествующей обработки, в то время как усилия прижима больше оптимального может вызывать дестабилизацию процесса и изменение поверхности, которое сопровождается внезапным увеличением шероховатости. Кроме этого происходит быстрое изнашивание инструмента. Поэтому необходимо обеспечивать обработку с минимальным усилием прижима, которое может обеспечить максимальную производительность.
Вторым параметром обработки, влияющим на шероховатость поверхности после ГШД, является подача инструмента, которая, с экономической точки зрения, должна быть максимально возможной. С уменьшением подачи шероховатость поверхности уменьшается до определенного предела, затем начинает возрастать. При обработке с подачами меньше оптимальной происходит перенаклеп поверхности, так как увеличивается число циклов нагружения (рисунок 11) [4].
Скорость накатки почти не оказывает влияния на шероховатость и ограничивается тепловыми воздействиями на поверхностные слои изделия, допустимым биением инструмента, жесткостью и точностью применяемого оборудования. Для обеспечения высокой производительности скорость обработки должна быть максимальной, обычно 20-200 м/мин. При больших значениях скорости возникают вибрации, что обычно приводит к увеличению шероховатости.
Эффективность чистовой обработки поверхности по средствам ГШО зависит также от высоты, формы, расстояния между отдельными неровностями после предшествующей обработки. Как правило, чем меньше шероховатость предварительной обработки, тем меньше шероховатость поверхности после ППД. На шероховатость меди оказывает влияние ее высокая пластичность {8 = 50%), которая облегчает течение металла и способствует образованию волнистости или складок на поверхности, которые увеличивают шероховатость. На основании априорной информации и вышеизложенного основными технологическими параметрами при ППД являются: Ртах - усилие прижима, Н, и S - подача, мм/об.
Отпечаток диска во время обкатывания превращается в пластически деформированную канавку, которая при обработке цилиндрических поверхностей с подачей представляет собой винтовую линию. Поскольку ширина этой канавки во много раз превышает подачу, то при втором и последующих оборотах детали диск выходит на уже деформированную поверхность детали, несколько расширяя и углубляя канавку. а - при нормальном процессе; б — при нестабильном процессе Схема последовательного деформирования обкатываемой поверхности при обкатывании диском с продольной подачей S После некоторого числа оборотов процесс стабилизируется. Диск соприкасается с каждой точкой поверхности 2alS раз, где 2а - ширина канавки (2а = /„); S- подача. Первоначальная канавка соответствует участку ВС (рисунок 11), АВ - участок деформированной поверхности за роликом; ,_угол вдавливания ролика. Перед диском образуется волна деформированного металла, а расширение контактной канавки приводит к возрастанию сопротивления выдавливанию, что обуславливает отжим диска на участке CD до тех пор, пока уровень обкатанной поверхности не поднимется до исходного. На участке DEF процесс стабилизирован и протекает в равновесных условиях. Волна металла перед диском GHI намного больше волны АВ за ним. На всем протяжении участка обкатывания до его стабилизации в точке D изменяются углы вдавливания диска. В первоначальном положении передний и задний углы вдавливания равны, далее, по мере подачи и углубления диска, передний угол вдавливания, д?а увеличива-ется вплоть до стабилизации процесса, а задний угол, р а изменяется незначительно. Процесс поверхностного деформирования зависит от силы нажатия, размеров и профиля диска, а также размеров обрабатываемой поверхности. При определенных сочетаниях перечисленных факторов стабилизация процесса может и не наступить (рисунок 11,6), интенсивный рост волны металла перед диском продолжается до тех пор, пока гребень волны не начнет разрушаться в точке Н или пока диск не «перескочит» через гребень волны.
Разрушение поверхностного слоя может происходить и при небольших нагрузках, если N (число циклов нагружения) слишком велико. В этом случае разрушение носит периодический характер. Допустимое N в большей мере зависит от обрабатываемого материала, для незакаленной стали 20 N 200, что приблизительно соответствует характеристикам меди.
Следующим фактором, влияющим на шероховатость после ППД, является шероховатость рабочей поверхности обрабатывающего элемента RUH. Шероховатость элемента в большой степени отпечатывается на обрабатываемой поверхности. По этой причине она должна быть по возможности минимальной RUH 0,16 мкм.
Предшествующая обработка оказывает значительное влияние на окончательную шероховатость. Кроме этого, по литературным источникам не выявлена глубина деформированного (наклепанного) слоя для меди.
Проводить опыты на тяговом двигателе технически достаточно сложно, поэтому для решения поставленной задачи, связанной с определением глубины 59 деформированного слоя, из коллекторных пластин собирались пакеты по 5 штук в каждом через миканитовые прокладки, имитирующие межламельное пространство, и стягивались болтами. Пакет закреплялся в машинных тисках поперечно-строгального станка модели 735. В суппорте ползуна крепился накатник, на котором предусмотрено регулирование нажатие ролика от 400 до 2000 Н. Корпус накатника (рисунок 12) представляет собой полый цилиндр 1, внутри которого находится шток 2 с установленным в нем накаточным диском 3. Диск накатника изготавливался из стали 45, и имеет следующие размеры: D = 100 мм; В = 8 мм; R = 8 мм, твердость диска 60 HRC. Шток нагружается тарированной пружиной, которая в свою очередь опирается на регулировочный винт 4, который располагается в верхней части корпуса накатника. Регулировочный винт необходим для создания предварительного натяга пружины перед работой и снятия натяга после накатки.
Взаимосвязь коммутационных процессов и качества поверхностного слоя коллектора
Для определения зависимости искрения коллектора от качества его поверхностного слоя проведен ряд экспериментов. На базе токарного станка модели УТ16ПВ [62] собрана экспериментальная установка, выполненная на основе известной схемы опытной установки для определения коммутирующей способности щеток [24]. Применение токарного станка обусловлено тем, что он позволяет в широких пределах варьировать технологические параметры обработки коллектора. Это такие параметры как: скорость вращения коллектора и подача инструмента при обточке и накатке. Перед проведением эксперимента проводилась проверка норм точности станка [63]. Результат проверки - станок удовлетворяет нормам точности. В патроне станка и подвижном центре задней бабки вращается коллектор К (рисунок 20), пластины которого соединены между собой через одну в две самостоятельные группы. В упрощенном виде его можно представить как коллектор, состоящий из двух полуколец, изолированных друг от друга. Каждое полукольцо выходит на контактное кольцо. Коллектор состоит из 72 пластин. К рабочей щетке Щ подключается коммутируемая секция с параметрами Lc и Re, параллельные ветви LB, RB — к кольцам коллектора КК. Коммутируемая секция, уложенная в пазы неподвижного якоря, имеет пять витков.
Запуск ждущей развертки осциллографа осуществлялся при помощи датчика синхронизации, который устанавливался непосредственно на станине станка и имел свой независимый источник питания. Связь между датчиком синхронизации и коллектором осуществляется за счет так называемого «флажка», который закреплен на валу коллектора. Датчик синхронизации подключен к выходу синхронизации осциллографа. Во время вращения коллектора «флажок» пересекает луч света, проходящий от лампочки к фоторезистору, которые установлены на датчике.
Коллектор протачивался резцом, оснащенным пластиной из СПА. На коллекторе произвольно выбраны четыре пластины, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, затем эти пластины промаркированны. В дальнейшем все измерения производились согласно маркировке в одной и той же последовательности. Шероховатость поверхности после обточки измерялась на профилометре модели 170622. Среднее значение шероховатости пластин составляет 1,2 мкм.
При проведении эксперимента возник ряд проблем, которые следует отметить. При измерении твердости коллекторных пластин получался значительный разброс значении. Для выяснения причин возникновения разброса на всех коллекторных пластинах была измерена твердость на расстоянии 45, 25, 15 мм от правого торца коллектора. При обработке результатов измерений выяснилось, что коллекторные пластины этого коллектора имеют неоднородную твердость по длине пластины. Среднее значение твердости медных пластин на рас 80 стоянии 45 мм от торца коллектора составляет 90 НВ, на расстоянии 25 мм -112 НВ, на расстоянии 15 мм - 65 НВ. Кроме этого разница между минимальным и максимальным значениями твердости коллекторных пластин измеренных на одном расстоянии находится в пределах 20 - 50 единиц. Поскольку нас интересует только та часть коллектора, которая находится под рабочей щеткой, поэтому разброс твердости по длине пластины нам не интересен. Рабочая щетка находится на расстоянии 25 мм от правого торца коллектора. Разброс твердости коллекторных пластин объясняется тем, что при сборке коллектора использовались медные пластины одного типоразмера, но изготовленные либо из меди разных марок либо разных партий или разных изготовителей. Неоднородность коллектора по своему составу отрицательно сказывается на работе электрической машина. При изготовлении коллекторов необходимо стремиться к получению в итоге коллектора, имеющего в своем составе пластины, однородные по своим физическим свойствам.
После обточки коллектор при необходимости продороживался, снимались фаски с кромок коллекторных пластин, коллектор продувался сжатым воздухом, для того чтобы в межламельных промежутках не остались стружка и остатки миканита.
После обточки на коллектор устанавливалась рабочая щетка, изготовленная из материала ЭГ-74. Сечение щетки 3,5 на 10 мм. После каждого изменения, производимого на поверхности коллектора, щетка притиралась до образования ровного и однородного «зеркала».
Для определения влияния шероховатости на искрение коллектора эксперимент проводился следующим образом. Коллектор протачивался, после притирки щетки включалась установка, и замерялся ток, при котором начиналось искрение на коллекторе под сбегающим краем щетки. После этого коллектор обрабатывался водостойкой шлифовальной шкуркой фирмы «STAYER». В первом случае обрабатывали шлифовальной шкуркой с зернистостью Р 80 3543-080. Обработка шлифовальной шкуркой проводилась с использованием деревянной колодки, имеющей радиус, равный радиусу коллектора, на ней закреплялась шлифовальная шкурка. Затем также притирали щетку до образования равномерного «зеркала» и включая установку, измеряли значение тока при котором начиналось искрение на коллекторе. Эксперимент повторялся с применением шлифовальной шкурки «STAYER» следующей зернистости: Р 120 3543-120, P 180 3543-180, P 240 3542-240. На рисунке 21 представлен график зависимости тока начала искрения от зернистости шлифовальной шкурки.
Шероховатость такой поверхности имеет нерегулярный характер, в отличие от поверхности, получаемой после механической обработки. Поверхность коллектора с нерегулярной шероховатостью во время работы постоянно прорезает вершинами неровностей в щетке царапины, тем самым, увеличивая площадь контакта щетки с коллектором. Поэтому при увеличении зернистости шлифовальной шкурки возрастает ток начала искрения. Большое значение шероховатости поверхности коллектора приводит к интенсивному износу щеток, забиванию поверхности коллектора продуктами этого износа.
Следующая часть эксперимента посвящена решению задачи установления зависимости между твердостью поверхностного слоя коллектора и уровнем искрения. Для проведения этой части эксперимента коллектор проходил в каждом случае одинаковый объем подготовительных работ. Механическая обработка производилась на следующих режимах: п=400 об/мин, s=0,064 мм/об.
После механической обработки коллектора к его поверхности притиралась щетка. Перед притиркой со щетки не нарушая ее профиля шлифовальной шкуркой зернистостью Р 80 3543-080 снимается небольшой слой материала щетки. Это необходимо сделать, для того чтобы устранить влияние остаточных неровностей на зеркале щетки от предыдущих экспериментов. Обработка шлифовальной шкуркой позволяет убрать с рабочей поверхности щетки грубые и глубокие царапины, риски. Таким образом, на поверхности щетки образуется однородная поверхность, которая будет являться базовой для притирки щетки при различном качестве поверхности коллектора. Поверхность щетки после обработки шлифовальной шкуркой представлена на рисунке 22. Фотографии поверхности щеток выполнены на микроскопе МБС-10. Для выполнения фотографии был использован цифровой фотоаппарат Konika KD-400 с разрешением 4,0 Mega Pix.
На рисунке 22 видно, что на рабочей поверхности щетки отсутствуют глубокие риски. Поверхность щетки имеет однородную структуру, хотя просматриваются отдельные мелкие бороздки оставшиеся после обработки шлифовальной шкуркой.
