CC BY
14
МЯМЛ1Н С.В., д.т.н., професор (ДНУЗТ iм. В. Лазаряна); КОВАЛЬ В.А., асистент (КНУ iм. М. Остроградського).
Пiдвищення надiйностi ковзних контактiв мiського електротранспор-ту розробкою нових матерiалiв
Вступ
Пiдвищення надшносп, економiчно-стi i продуктивностi мюького електротра-нспорту, зниження 1х матерiалоeмностi i енергоeмностi безпосередньо пов'язанi з розвитком фундаментальних i прикладних дослщжень в областi тертя i зносу [1, 2], оскшьки саме рухомi сполучення е най-менш надшними елементами i виклика-ють величезш матерiальнi i енергетичнi втрати.
До одних з найбшьш поширених на мюькому електротранспортi рухомих спо-лучень вщносяться ковзнi електричнi кон-такти. Особлива складшсть вирiшення триботехнiчних проблем у ковзних елект-ричних контактах обумовлена дiею елект-ричного струму [1], що приводить до ш-тенсифшацп умов зовнiшнього тертя i зношування.
Електричнi ковзнi контакти мiського електротранспорту виготовлеш з тради-цiйних матерiалiв (композицiйнi вугiльнi i вугiльно-графiтнi, електро- та метало-графiти, мiдь i ii сплави i iн.) не завжди вiдповiдають вимогам, якi ставляться з позицш забезпечення надiйностi i довго-вiчностi струмознiмального вузла в умо-вах пiдвищення швидкiсних режимiв i ре-жимiв навантажень [1-3]. Крiм того, iснуе проблема зниження дефщитносп матерiа-лiв, якi застосовуються в струмознiмачах рiзного призначення.
Серед всього рiзноманiття ковзних електричних контакпв менш за все е ви-вченими контакти мiського електротранспорту. При цьому, створення матерiалiв для даного типу ковзних електричних ко-нтакпв, якi б задовольняли жорстким вимогам експлуатацп мiського електротран-
спорту в екстремальних умовах (низью температури, тдвищена вологiсть i т. ш.) е актуальним.
Анал1з попередн1х досл1джень
Зношування ковзних контакпв хара-ктеризуеться поступовою змшою 1х гео-метричних розмiрiв при тер™, що виража-еться вщ'еднанням з поверхнi тертя мате-рiалу або пластичною деформацiею [1-3]. При деформацп поверхонь пiд дiею зов-нiшнiх сил, а також термiчноi активацп, тобто при отриманнi додатково! енергл, можливий рух дислокацiй, коли викрив-лення гратки вiд дислокацш передаються в iншi областi кристала. При цьому, атоми перемщуються незначно iз неврiвноваже-ного положення у зрiвноважене, виводячи iз стiйкостi сусщш атоми до певного моменту, наприклад вихщ дислокацiй на по-верхню кристалу, перетину з шшими дис-локацiями або взаемодiею з шшими дефектами кристалiчноi гратки i здатнi перет-ворюватися у мшро- i макроскопiчнi де-фекти поверхонь.
Вiдомi також [4] способи струмознь мання iз стабiлiзацiею перехiдного опору ковзних контакпв, якi полягають у рете-льному притираннi вставок i систематичному контролi за 1'х станом i величиною натискання, а також з рiзними складом матерiалу i способами 1х просочування. Кожний з вщомих заходiв конструктивного виконання не виршуе задачу зменшен-ня величини перехщного опору i втрати потужност струмознiмання.
Оптимiзацiя складу i гранулометри-чних параметрiв композицп шихтових ма-терiалiв - основний з напрямiв дослiджень струмознiмальних ковзних елемешив, якi
проводяться з метою полшшення !х кому-тативних властивостей i зносостiйкостi. Зупинимось на цьому питанш i проведемо аналiз л^ературних джерел.
Щiтки для електричних машин [5] виготовлеш з саж i пеку рiзного грануло-метричного складу (з розмiрами частинок бiльше 250 мкм - 0,5...2,5 %, 63...250 мкм - 30.40 %, менше 63 мкм - решта) не забезпечують високо'1 стабiльностi екс-плуатацшних характеристик як окремих партiй, так i в однiй партл, що зумовлено практичною неможливiстю сажопекових композицш за вiдомих принципiв форму-вання забезпечити 1'х однорiднiсть у про-цесi змiшування. Уникнути цього недоль ку можна введенням у порошок поверхне-во-активних речовин (ПАР) у кшькосп 0,5.2,5 % вiд ваги прес-порошку. ПАР вступають у фiзичну взаемод^ з сажею, якiй властива висока питома густина i за-поб^ають ii грудкуванню. При вмiстi ПАР менше 0,5 % втрачаеться ефект змо-чування саж^ а бшьше 2,5 % вiдбуваеться перезволоження маси i розтрiскування ви-робу тд час термообробки.
Встановлено [5], що знос щ^ок з такого матерiалу на тепловозних генераторах не перевищуе 0,9.1,2 мм, а для се-рiйних щiток - 1,5.3,0 мм на 10 тис. км пробку.
Вщомий матерiал [6], який мютить технiчний вуглець з розмiрами частинок менше 63 мкм i вуглецевий агломерат з розмiрами частинок до 500 мкм та пек. Оскшьки розмiри частинок складових прес-порошку рiзнi, то при випалюванш вiдпресованих блокiв утворюються мшро-трщини i при пiдвищеннi швидкостi ков-зання з'являються вiбрацii, iскрiння та ш-тенсивне зношування. За наявност технь чного вуглецю ковзний контакт схильний до електрично'1 ерозп i окислення в умовах пiдвищених швидкостей та температур.
Запропонований склад прес-порошку [7], як вуглецевий компонент мютить натуральний малозольний граф^ (70.76%), мiдь (7.10%) i пек
(17.20%). Гранулометричний склад гра-фiту становить: 0,5.1,0 % з розмiрами частинок бiльше 160 мкм; 29,0.45,5 % з розмiрами частинок 63.160 мкм; 50,0.70,0 % з розмiрами частинок менше 63 мкм. Мщь, як каталiзатор пiдвищуе пружшсть контакту. Дрiбнодисперсний склад графiту забезпечуе рiвномiрний ро-зподiл зв'язуючого (пеку) мiж частинками графiту та мвд, однорiднiсть структури i вiбростiйкiсть.
Для виготовлення ковзних контактiв електротранспорту, як працюють в умовах високих значень пускових струмiв i вiбрацiй використовують прес-композицп, якi мiстять вуглецевий i деревний напов-нювачi та зв'язуючi речовини. Деревний наповнювач забезпечуе пол^уроутворен-ня у контактi, зменшуе мшротвердють ма-терiалу струмознiмального елемента та запоб^ае зношуванню контр-тiла. Розмiри частинок деревного наповнювача значно перевищують розмiри вуглецево'1 складо-во'1, а тому механiчний зв'язок мiж окре-мими частинками виявляеться надто слаб-ким. Тому, у загальному випадку, кшь-кiсть деревного наповнювача обмежуеться i не перевищуе 2.4 % маси прес-матерiалу.
Зменшити ерозш ковзних контактiв можна на основi регулювання процесу по-л^уроутворення, використовуючи прес-композицiю з 5...40 % деревного i 60...95 % вуглецевого наповнювача, яю утворю-ють гранули [8]. Вщношення розмiру частинок вуглецевого i деревного наповню-вачiв вибирають у межах 0,8.1,2. Це забезпечуе компенсащю негативно'1 дп на полiтуру контр-тiла частинок вуглецевого наповнювача, надшеного високою мшрот-вердiстю, i достатню зносостiйкiсть стру-мознiмальних контактiв. У випадку вмюту деревного наповнювача бiльше 40 % зрос-тають втрати на тертя, а менше 5 % погь ршуеться ефект пол^уроутворення i збь льшуеться знос контр-тiла.
Вiдомий матерiал струмознiмального ковзного елемента [9], який мютить сфор-
моваш у гранули, за допомогою зв'язування розчином бакел^ового лаку обмiднений матерiал (графiт i деревне ву-гiлля) i оргашчне зв'язуюче (фторопласт до 30%), надшений високим питомим опором, низькою твердiстю i зносостiйкiстю.
Вiдомий струмозшмальний ковзний елемент, виготовлений з прес-порошку обмiдненого вуглецемiсного матерiалу та оргашчного зв'язуючого [10]. Прес-матерiал являе собою графiтовий порошок, на поверхню частинок якого нанесений шар електрол^ично! мiдi, а на шар мвд нанесений захисний шар олова. Як оргашчне зв'язуюче використовують порошок пол^етрафторетилену до 50%. Як вуглецевомюткий матерiал використовують також графгг i деревне вугшля, а зв'язуюче - фторопласт (до 30% ), яю сформованi у гранули розчином бакел^о-вого клею. На поверхню гранул нанесено шар електролiтичноi мвд Недолiком такох композицп е високий електричний опiр та низью властивостi (твердiсть, мiцнiсть, зносост йкiсть).
Змiцнення i пiдвищення електропро-вiдностi системи вуглецемiсний матерiал - зв'язуюче забезпечуе прес-порошок, який включае обмщнений вуглецевомют-кий матерiал, як сумш графiту i загарто-ваного коксу при 1х спiввiдношеннi (2...4):1, причому мiдь введена у виглядi шару покриття, нанесеного на частки за-гартованого коксу [11], а концентращя компонентiв у прес-порошку складае: графгг 50.65 %, кокс загартований 12.25 %, мiдь 4.10 %, решта -зв'язуюча речовина.
Мета роботи
Пщвищення надiйностi ковзних контакпв мiського електротранспорту на ос-новi розробки нових матерiалiв.
Результати дослщжень
На основi аналiзу л^ературних джерел установлено, що недолiками вах вiдомих струмознiмальних елементiв е вщсутшсть фiзико-хiмiчноi взаемодп складових компонентiв матерiалу, яка е наслiдком отримання високого питомого електроопору та низько! зносостшюсть. Особливо таке проявляеться пiд час екс-плуатацп мiського електротранспорту.
Встановлено, що найкращим матерь алом для вуглецевмюних ковзних контак-тiв е природний графт Для металовмю-них ковзних контакпв, однозначно, осно-вним компонентом повинна бути мщь. В обох випадках повинна забезпечуватися фiзико-хiмiчна взаемодiя всiх складових компонентiв, що входять до матерiалу.
Використання у вуглецевмюному та металовмiсному матерiалах природного граф^у дозволяе пiдвищити електропро-вщшсть i зносостiйкiсть струмозшмально-го елементу. Крiм того, природний графiт е найбшьш шертним вуглецевим матерiа-лом по вщношенню до окислення при на-грiвi i володiе найкращими самозмащува-льними властивостями.
Тому, було запропоновано струмоз-нiмальний ковзний елемент мюького еле-ктротранспорту, виконаний з прес-порошку, який включае обмщнений вуг-лецевмюний матерiал та оргашчне зв'язуюче. При цьому, у склад вуглецев-мюного матерiалу входить природний граф^, а у якостi змiцнювача i одночасно зв'язуючого пiролiтичний вуглець, а мщь введена у виглядi шару покриття, нанесеного на частки природного граф^у, яка змочуе цей граф^, самовшьно розтшаю-чись по ньому, а стввщношення компонент у прес-порошку складае, ваг. %: природнш графiт 70,0 - 93,0 мщь 4,0 - 28,0
трол^ичний вуглець решта.
Для пщвищення змочуваносп було використано модифшатори природного граф^у. Таким елементом став нiобiй, але може бути i iнший елемент ^р^дично!' системи Менделеева. При цьому, мщь
вступае у фiзико-хiмiчну взаемод^ з при-роднiм граф^ом i змочуе його. В результат^ пiдвищуеться електропровiднiсть, а при знятп великих струмiв ковзним еле-ментом, пiд впливом нагрiву або тд впливом електроерозп, мiдь залишаеться на графт, не вщшаровуючись вщ нього.
Струмознiмальний ковзний елемент виготовляли наступним чином. Прес-порошок готували змшуванням компоне-нтiв: порошку трол^ичного графiту дис-перснiстю 10.50 мкм, порошку мвд дис-перснiстю 50.100 мкм, порошку природного графггу дисперсшстю 20.40 мкм з модифшатором, по якому самовiльно роз-■пкаеться шар мiдi i порошки зв'язуючого, в даному випадку пiролiтичного граф^у. Всi вищезгаданi компоненти перемшува-ли. Прес-порошок отримано'1 сумiшi пре-сували при температурi не вище 200оС на протязi 10.50 с при тиску 150.200 МПа, а потсм спiкали, тобто проводили термообробку отриманих заготовок у за-хисному середовищi при температурi 600.700оС i швидкосп нагрiвання 500.600оС/год.
1нший запропонований струмозш-мальний ковзний елемент виконано з прес-порошку, який включае обмiднений вуглецевмюний матерiал та органiчне зв'язуюче. У склад вуглецевмюного мате-рiалу входить сумш природного та штучного граф^у, а мiдь введена у виглядi шару покриття, нанесеного на частки природного граф^у, яка змочуе цей граф^, са-мовiльно розтiкаючись по ньому, а ств-вiдношення компонентiв у прес-порошку складае, ваг. %:
природнш графiт 55,0 - 70,0 штучний графгг 15,0 - 30,0 мщь 10,0 - 13,0
зв'язуюче решта.
Використання у вуглецевмiсному ма-терiалi природного i штучного графiту до-зволяе тдвищити фiзико-механiчнi, електро-та триботехтчш властивостi струмознiмаль-ного елементу.
З метою пщвищення мiцнiсних харак-
теристик струмознiмального ковзного еле-менту, в прес-порошок введено штучний графщ якому властива бшьша твердiсть.
Струмознiмальний ковзний елемент виготовляли наступним чином. Прес-порошок готували змшуванням компоне-нтiв: порошку штучного граф^у дисперс-нiстю 50.150 мкм, порошку мвд диспер-снiстю 50.100 мкм, порошку природного графггу дисперсшстю 100.200 мкм з мо-дифшатором, по якому самовiльно розть каеться шар мвд i порошки зв'язуючого. Вс вищезгаданi компоненти перемшува-ли. Прес-порошок отримано'1 сумiшi пре-сували при температурi не вище 170оС протягом 10.60 с при тиску 220.350 МПа, а потiм проводили термообробку отриманих заготовок у захисному середо-вищi при температурi 500.600оС i швид-костi нагрiвання 500.1500оС/год.
Технолопя виготовлення струмозш-мальних вставок передбачала подрiбнення складових компонентiв до необхщно! ди-сперсностi за допомогою роторно! дробилки (рис. 1), у якш подрiбнення здшсню-еться робочими органами, що закршлеш на ротора Подрiбнення здiйснюеться до тих тр, доки порошок не потрапляе до нижньо! камери через встановлену колос-никову решiтку. Корпус з середини футерований зносостшким металом.
Дал^ отриманий порошок необхiдно роздiлити на фракци. Це здiйснюеться за допомогою сепаратора, який дае змогу роздшити складовi компоненти на потрiб-ш фракцп. Принцип роботи сепаратора оснований на проходженш мшко!' фракцп ^зь профiльований диск пiд дiею тиску пов^ря та вщцентровох сили. Подача порошку здшснюеться через штуцер разом iз повiтрям. Ротор обертаеться та виникае вщцентрова сила, яка впливае на фракци меншого розмiру, за рахунок цього вони проходять ^зь профшьований диск i по-трапляють в отвiр виводу найменших фракцш порошку, при цьому найбiльшi фракцiйнi порошки залишаються на дш корпуса.
Рис. 1. Загаль
Наступною технологичною операць ею е змiшування складових компонентiв матерiалу струмозшмальних елементiв, яке проводиться у змшувальних барабанах (рис. 2). Дал^ отриману сумiш необ-хiдно проаяти, а потiм пресувати у прес-формах (рис. 3) при тиску 150-400 МПа. Пресування вставок здшснюють на пдра-влiчному пресi (рис. 4) Ï3 зусиллям 1500 кг/см2.
Отримаш заготовки вiдпалювали в електричних печах. Шсля, спеченi вставки
Рис. 2. Загальний вигляд змшувально го барабану з компонентами
й вигляд дробилки
тддавали механiчнiй обробцi. Потiм, здiйснювали контроль геометричних роз-мiрiв.
Спiкання натурних вставок мюького електротранспорту проводилось у вакуу-мнiй електропечi (рис. 5) при температурi 170...200°С.
Шсля виготовлення дослiдних вставок, визначали фiзико-механiчнi, електро-та триботехнiчнi властивосп. Результати для двох запропонованих матерiалiв вставок наведено в табл. 1.
Рис. 3. Загальний вигляд прес-форми
Рис. 4. Прес riдравлiчний
Висновки
Проведет дослщження стосовно т-двищення надiйностi ковзних контакпв мiського електротранспорту дозволили зробити наступн висновки. Досягти тд-вищення надшносп ковзних контактiв мi-ського електротранспорту можна на осно-вi розробки нових матерiалiв. Встановле-но, що найкращим матерiалом для вугле-цевмюних ковзних контактiв е природний графЫ Для металовмюних ковзних контакпв, однозначно, основним компонентом повинна бути мщь. В обох випадках повинна забезпечуватися фiзико-хiмiчна взаемодiя вах складових компонентiв, що входять до матерiалу. Тому, в роботi за-пропоновано два варiанти струмозшмаль-них ковзних контактiв з технологiею 1х виготовлення. При цьому фiзико-механiчнi, електро- та триботехнiчнi влас-тивост запропонованих вставок на 4.25 % вище в порiвняннi зi вставками, що ви-
Рис. 5. Загальний вигляд печi
користовуються на мюькому електротран-спортi.
Список л1тератури
1. Гершман И.С. Токосъемные углеродно-медные материалы // Вестник ВНИИЖТ. - 2002. - № 5. - С. 15-20.
2. Гершман И.С., Бучнев Л.М. Токо-съемные углеродные материалы нового поколения // Вестник ВНИИЖТ. - 2003. -№ 6. - С. 36 - 41.
3. Максимов А.Н. Городской электротранспорт: Троллейбус. - М.: Академия, 2004. - 256 с.
4. Патент Украши 19814. Споаб стру-мозшмання / Счастливий Г.Г., Межений Ю.Я. та ш. // Бюл. - 1997. - №6.
5. А.с. 368687 СССР. Щётка для электрической машины / Тенкин И.В., Давидович А.С. и др.. // Бюл. - 1973. - №9.
6. А.с. 843057 СССР. Щётка для элект-
Таблиця 1
Властивосп дослщних вставок
№ дослщно' Питомий Твердють НВ, Мщшсть на Коефщент
електроотр, МПа стискання, МПа тертя
мкОмхмм
1 15 50 85 0,10
2 10 55 90 0,09
рической машины / Пшеничкин П.А. Степанов В.П. и др. // Бюл. изобр. - 1981. -№24.
7. А.с. 342833 СССР. Способ получения углеграфитовых изделий / Сенин Н.Д., Смирнов Б.Н.. и др. // Бюл. - 1972. -№20.
8. Патент Украши 21106. Щ1тка для електричних машин / Завгородня Т. I., Лошак О.С. // Бюл. - 1998. - №1.
9. А.с. 970525 СССР. Щётка для электрических машин / Пшеничкин П.А. Степанов В.П. и др. // Бюл. изобр. - 1982. -№40.
10. Патент Украши №9293. Струмознь мальний ковзний елемент // В.В. Аулш, Д.М. Барановський, В.М. Бобрицький та ш. - 2005. - Бюл. №9.
11. А.с. 427433 СССР. Электрощёточный материал / Давидович Я.Г., Смелян-ский Б.М. и др. // Бюл. изобр. - 1974. -№17.
Анотаци:
У робот1 проведет дослщження стосовно надшносл ковзних контакпв м1ського електротра-
нспорту. Встановлено, що досягти тдвищення надшносл ковзних контакпв мюького електротра-нспорту можна на основi розробки нових матерiа-лiв. Показано, що найкращим матерiалом для ковзних контакпв е природний графiт. Тому, в роботi запропоновано два варiанти струмознiмальних ковзних контакпв i наведена технологiя !х вигото-влення.
В работе проведены исследования относительно надежности скользящих контактов городского электротранспорта. Установлено, что достичь повышения надежности скользящих контактов городского электротранспорта можно на основе разработки новых материалов. Показано, что наилучшим материалом для скользящих контактов является природный графит. Поэтому, в работе предложено два варианта токосъёмных скользящих контактов и приведена технология их изготовления.
In work the researches in relation to reliability of sliding contacts of city electric transport are conducted. It is set, that attaining the rise of reliability of sliding contacts of city electric transport is possible on the basis of development of new materials. It is shown, that natural graphite is the best material for the sliding contacts. Therefore, in work two variants of output of current sliding contacts are offered and technology of their making is resulted.
УДК 629.421.4
ФАЛЕНДИШ А.П., д.т.н., професор (УкрДАЗТ); ВОЛОДАРЕЦЬ М.В., астрант (УкрДАЗТ); ЗОЛОТУХИ 1.В., астрант (УкрДАЗТ).
Аналiз витрат палива тепловозами cepii' ЧМЕ3 та ЧМЕ3-П пщ час ви-конання вивЬноУ роботи
Постановка проблеми
Анал1з сучасного стану i напрямюв розвитку залiзничного транспорту Украь ни показуе, що його техшчна база i техно-лопчний рiвень оргашзацп перевезень по
багатьом параметрам не вщповщае потребам суспшьства i европейським стандартам якосп транспортних послуг.
Заходи, що приймались для стабш-зацп залiзничного комплексу, не змогли
