CC BY
75
УДК 629.423.02-192
О. А. ТЕТЕРКО, М. О. БАБ'ЯК, М. О. КОСТИ (ДПТ)
ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНА НАД1ЙН1СТЬ КОНТАКТНИХ З'СДНАНЬ ЕЛЕКТРОПНЕВМАТИЧНИХ КОНТАКТОР1В ТА КОНТАКТОР1В ЕКГ-8Ж ЕЛЕКТРОВОЗ1В ЗМ1ННОГО СТРУМУ
В робот розглянутi види ввдмов, яш виникають у процесi експлуатацп електропневматичних контакто-piB ПК-96-101. Наведено результати вимiрювань контактного опору та температури названия контактних з'еднань електpовозiв змiнного струму. Розглянуто особливостi електpичноï еpозiï контаклв з piзних компо-зицiйних матеpiалiв пiсля натурних випробувань.
В работе рассмотрены виды отказов, которые возникают в процессе эксплуатации электропневматических контакторов ПК-96-101. Приведены результаты измерений контактного сопротивления и температуры нагревания контактных соединений электровозов переменного тока. Рассмотрены особенности электрической эрозии контактов из разных композиционных материалов после натурных испытаний.
The types of refusals which arise up in the process of exploitation of electropneumatic contactors PC-96-101 are considered. Measuring of contact resistance and heating temperature of contact connections of alternating current electric locomotives are resulted. The features of electric erosion of contacts from different composition materials after the models tests are considered.
На електрорухомому складi залiзничного транспорту Укра!ни широко застосовують комута-цшш апарати рiзних тишв та призначення. Проблема надшносп електричних аппарата е одшею з найважливiших, виршення яко! дозволило б шд-вищити рiвень безвiдмовноi роботи та безпеку руху. Забезпечення надiйностi охоплюе етапи конструювання апаратiв, виготовлення, практичного використання i передбачае закладення необ-х1дного рiвня якостi матерiалiв.
Особливо це стосуеться контакторiв головного електричного контролера ЕКГ-8Ж та електропневматичних контакторiв серii ПК-96-101 (рис. 1), яю встановленi на електровозах змшно-го струму ВЛ80Т. На вiдмiну вiд iнших електропневматичних контакторiв контактори ПК-96-101 мають двi пари силових контактiв: головш i розривнi (як i у контакторiв з дугогашенням ЕКГ-8Ж). В якост матерiалiв контактiв викори-стовують: для головних контактiв - СОК-15 (КМК-А10-М) з напайкою розмiрами 16x25x3 мм; для розривних контактiв - МВ-70 з напайками розмiрами 16x30x6 мм. Матерiали напайок виготовляють згiдно з ГОСТ 3884-77, який «...розповсюджуеться на комутуючi контакт-детал^ що виготовленi методом твердофазного сшкання, призначенi для застосування в комута-цiйних апаратах для замикання i розмикання електричних кiл напругою до 1000 В», що не вь дповщае умовам експлуатацii контакторiв.
Контактор складаеться з вузлiв рухомого та нерухомого контакта, пневматичного приводу 3, дугогасно! камери 5 та блок-контакта 4 (див.
рис. 1). Вс вузли та деталi змонтованi на iзо-льованому металiчному стрижнi 6. Вузол неру-хомого контакту складаеться з кронштейну 7, дугогасно! котушки 8 та головного 1 i розрив-ного 2 контактiв. Кронштейн рухомого контакту 9 шаршрно з'еднаний з важелем 10, який не-се головний та розривний рухомi контакти. Ва-ж1ль 10 через iзоляцiйну тягу 11 з'еднаний з пневмоприводом 3.
Рис. 1. Електропневматичний контактор ПК-96
Кшематична схема електропневматичного контактора аналопчна до контакторiв з дуго-гашенням ЕКГ i влаштована таким чином, що при розмиканнi першими розмикаються головш контакти, а при замиканнi навпаки: першими замикаються розривнi контакти, а за ними головш. Отже основною функщею головних контактiв е пропускання струму, а розривш призначенi для розриву електрично! дуги.
Аналiз несправностей вузлiв та агрегатiв електровозiв змшного струму по залiзницях Укра!ни показуе, що найбшьша кiлькiсть вiдмов, до 50 %, припадае на електрообладнання. При-тому вiд 10 до 45 % приходиться на незадовшьний стан контактних з'еднань елек-троапаратури. На огляд i ремонт останньо! вит-рачаються великi трудовi та матерiальнi ресурси.
Основна причина вщмов - це неякiсний ремонт, головним фактором здшснення якого, е вщсутшсть запасних частин для силових контакторiв, викликаний дефiцитом контактних елеменпв та матерiалiв, зокрема, мiдi та срiбла.
Розглядаючи причини виходу з ладу елек-тропневматичних контакторiв ПК-96-101 можна видiлити чотири групи: вихщ з ладу контакт-деталей - 47 %; несправшсть важшьно! системи - 24 %; несправносп пневмоприводу - 24 %; порушення в робот дугогасно! системи - 5 % (рис. 2).
ПнЕНЯОПрИЕЩ
24%
рiалу, як альтернативи мiдно-вольфрамовому та cpi6HOMy сплаву, для його використання в якост напайок на силовi контакти контакторiв ЕКГ-8Ж та електропневматичних контакторiв ПК-96-101 (як найбiльш навантажених стру-мом) електровозiв змiнного струму.
Ут ворення раковин 10Ï
Зное напаики 60Ч>
ЗриЕ напайок 10Ï
Плавления
Порушення профыю
\2Ч>
КЬ клал где rati 47%
Дутогасна система
3%
Рис. 2. Розподш несправних вузл1в ПК-96
Виходячи з вище зазначеного, найбiльший вплив на безвщмовну роботу апарату здшснюе стан контактного з'еднання, а надшна робота контакт-деталей (напайок) визначае термш експлyатацiï всього контактора. В свою чергу контакт-деталi бракують через зменшення тов-щини напайки в робочш зонi - 60 %; через вщпадання напайок - 10 % та попршення контактноï поверхнi (оплавлення - 8 %; порушення профшю - 12 %; утворення раковин -10 %) (рис. 3).
Враховуючи вищевикладене, актуальною постае задача вибору електропровiдного мате-
Рис. 3. Причини бракування контакгш
Для пiдбору контактного матерiалу, який бшьш надiйно може працювати в заданих умо-вах, нами було обрано для порiвняння шiсть титв матерiалiв укра!нських i росiйських виробниюв для розривних контактiв та чотири типи матерiалу для головних контактов контакторiв ЕКГ-8Ж та електропневматичних контакторiв ПК-96-101 електровозiв змiнного струму.
Напайки на розривш контакти:
- матерiал КМК-Б25, виробництва 1111 «Власов», м. Запорiжжя (з просочуванням № 5, без просочування № 6);
- композицшний матерiал (псевдосплав) МДК-3 (АТ «Геконт», м. Вiнниця (№ 9));
- матерiал КМК-Б25, виробництва «Электроконтакт», м. Кшешма, Росiя (№ 3);
- матерiал МВ-70, («1нтер-Контакт-Прюр», м. Ки!в (№ 4));
- композицшний матерiал Диском С16104,
«Диском»,
виробництва (псевдосплав)
виробництва ТзОВ 1НТЦ м. Чебоксари, Роая (№ 10).
Напайки на головш контакти:
- матерiал КМК-А10-М, ДП «Аргентум», м. Львiв (№ 1);
- композицiйний матерiал МДК, (АТ «Геконт», м. Вшниця (№ 8));
- матерiал КМК-А10-М, виробництва «Электроконтакт», м. Кшешма, Росiя (№ 2);
- композицiйний матерiал Диском С16104, (ТзОВ 1НТЦ «Диском», м. Чебоксари, (№ 11)).
Для зручносто в порiвняннi матерiали напайок пронумерована Структура та деяю властивостi цих матерiалiв наведено в [1].
Перед проведенням експлyатацiйних випро-бувань необхiдно визначити основнi показники,
яю характеризують контакт, а саме: контактний опiр та температуру нагрiвання контактного з'еднання. Якщо цi величини бшьше допустимих, то експлуатацiя контактних напайок з таких матерiалiв недопустима, оскшьки може виклика-ти вiдмову контакторного елементу в цiлому.
Якщо проаналiзувати отриманi залежностi (рис. 4), то найбшьше помiтно, що перехiдний ошр головних контактiв приблизно на порядок менший вiд опору розривних контактов. Основ-ним чинником цього е те, що контактна площа головних контактiв бiльша, особливо на почат-кових етапах експлуатацп контактiв. Питомий опiр матерiалiв, з яких виконанi напайки на головш контакти, в декiлька разiв менше нiж матерiалiв для розривних контактов [1], що та-кож впливае на величину контактного опору. Аналопчне явище спостерпаеться i при вим> рюванш контактного опору силових контактiв електропневматичних контакторiв (рис. 5). Нумерацiя кривих вщповщае вище прийнятiй.
Кк, 10-4 Ом
Рис. 4. Залежносто контактного опору ввд струму через контакти контакторш з дуго гашенням ЕКГ-8Ж: а - головш; б - розривш
Порiвнявши величини контактних опорiв електропневматичних контакторiв та контакто-рiв ЕКГ одразу помiтно, що у ПК опори в 2...2,5 рази меншi (особливо на головних контактах). Це пояснюеться бiльшим контактним натиском ПК-96-101, який становить 15 кгс i бiльше, в
той час, як на головних контактах ЕКГ вш дорiвнюе 13 кгс.
Рис. 5. Залежносто контактного опору ввд струму через контакти електропневматичних контактор1в ПК-96-101: а - головш; б - розривш
Одною з найважливших характеристик ма-терiалу контактiв е теплопровщшсть. Чим вища теплопровiднiсть, тим бшьший струм зможуть пропускати контакти з даного матерiалу i вщповщно контактне з'еднання буде володiти меншим контактним опором. Але з шшого боку матерiал мае задовольняти умовам темпера-турно! стiйкостi. Значне пере^вання над температурою навколишнього середовища призво-дить до виходу з ладу контактора, тим бшьше, що температура в високовольтнш камерi в лiтнiй перiод може сягати 50...60 °С.
Нами було проведено вишрювання темпера-тури контактiв при збшьшенш струму через них (рис. 6). Температура вишрювалась в найбшьш нагрiтiй точцi контакту - точщ дотику.
Перегрiвання контактiв над навколишшм се-редовищем задовольняе вимогам [2]. Таке не-значне нагрiвання контактов обумовлено вщносно низьким перех1дним опором контакту i iнтенсивним тепловiдводом (геометричт розмiри контакту на порядок бiльшi вiд розмiрiв напайки).
В процеш експлуатацil контактiв ЕКГ та ПК на електровозах змшного струму сери ВЛ80Т було виявлено, що в найбшьш важких умовах працюють контактори ЕКГ. Якщо струмовi на-вантаження у контакторiв майже однаковi, то з
вони шддаються ди електрично! дуги, яка ви-кликае виникнення на робочш поверхнi напа-йок трiщин, оплавлень, пiдгарiв, раковин. Го-ловнi контакти зношуються менш iнтенсивно, оскiльки переважае мехашчний знос (близько 0,3...0,5 мм на 100 тис. км. i бшьше).
Для електропневматичних контакторiв та-кож переважае механiчне зношування над елек-тричним. Головнi контакти зношуються при-близно на 0,1-0,2 мм на 50000 км. Розривш контакти дещо iнтенсивнiше, оскiльки шддаються ди електрично! дуги 0,2... 0,5 мм на 50000 км. Таке повшьне зношування напайок на контакти ПК викликано перш за все умовами експлуата-ци. Контактори вмикаються на нульовш позицп головного контролера i в подальшому залиша-ються увiмкненими, якщо увiмкненi мотор-насос охолодження трансформатора, мотор-вентилятори, якi охолоджують випрямш установки, роз'еднувачi вентилiв 81-84, вимикачi двигунiв ОД1-ОД4 i котушки ЕПК (при вщсут-ностi екстреного гальмування) [4].
Користуючись реалiзацiями зносу, було одержано пробпи I контакпв до параметрично! вiдмови (тобто !х ресурси). Пiд останньою було прийнято повне зношення напайки контакту до товщини 3 мм, для всiх матерiалiв за виключен-ням МДК (№° 9), для яких повне зношення при-ймалось до 5 мм, через те, що напайки з цього матерiалу поставлялись лише товщиною в 3 мм. Цi пробии е випадковими величинами, результати статистично! обробки яко! для кожного матерiалу наведено в табл. 1.
льки
Таблиця 1
Параметри статистичних розподшень иробмчв до параметричноТ в1дмови
Матер1ал контакпв Математичне оч1кування, 1, км Середньоквадратичне в1дхилення, о), км Асиметр1я, Л8 Ексцес, Ех
Союз1нвест (№ 3) 64951,69 16352,63 1,42 1,19
1нтер-Контакт-Пр1ор (№ 4) 62558,44 20418,54 0,12 0,76
Власов з прос. (№ 5) 71924,96 12494,56 -1,21 1,64
Власов без прос. (№ 6) 66569,77 18895,8 0,12 0,43
МДК (№ 9) 59634,73 10782,72 0,01 -1,39
Диском (№ 10) 27636,88 7417,88 -0,39 -1,29
точки зору кiлькостi спрацьовувань виникае дуже велика рiзниця.
Рис. 6. Залежносп температури в точщ дотику головних контакпв ввд струму через них:
а - контакт ЕКГ; б - контакт ПК
Контактора з дугогашенням ЕКГ штенсивно працюють впродовж руху електровоза. На-йшвидше зношуються розривш контакти, осю-
Як вщомо, електроерозiйна стiйкiсть кон-тактiв в основному визначаеться матерiалом контактiв та параметрами електрично! дуги. Стендовi випробування базових контактiв кон-такторiв з дугогашенням контролера ЕКГ-8Ж
показали, що середнш термш горiння дуги на контактах складае ~ 8 мс. Середнш термш гасшня дуги при вимиканш струмiв 1500 А дорiвнюе 6,5... 7 мс, а максимальний термш до-сягае 14 мс. Випробування на зносостшюсть
при I = 1500 А, 30 вимиканнях у хвилину та швидкост розходження контакпв 0,8-0,9 м/с свщчать, що пiсля 2500 вимикань знос розривних контакпв складае ~ 0,35 мм. А повне зно-шення базових напайок цих контакпв спостерiгаеться пiсля (5,8...6,2)-103 циклiв «увiмкнуто-вимкнуто» у контакторiв без повiтряного вдування i (2,2...2,6)-103 циклiв у контакторiв з повiтряним вдуванням, що е недостатшм для iснуючих умов експлуатаци.
В Iнститутi проблем матерiалознавства iменi I. Н. Францевича, НАН Укра!ни було проведено порiвняльнi дослiдження особливостей руйну-вання робочих шарiв контакпв, виготовлених з рiзних матерiалiв: дисперсностшкого Си-(Сг203,Сг3С2), шаруватого парофазного конденсату Си-Мо-2г-У, i традицiйного електро-контактного композицшного матерiалу (КМ) W-Ni-Cu. Виявлено наявнiсть рiзних по характеру зон мехашчного i ерозiйного зносу робочих шарiв i змшу !х розмiрних спiввiдношень для вивчених матерiалiв.
Вiдповiдно до особливостей теплово! ди в цих зонах реалiзуються рiзнi механiзми елек-трично! ерози, що призводять до руйнування матерiалу контактiв. Розширення областi ди дугового розряду з формуванням розплаву пов'язане iз збiльшенням ролi електрично! ерози в рiдкiй фазi. Цей мехашзм приводить до утворення i витискування розплаву на периферiю, внаслщок чого спостерiгаеться «бахрома» за геометричними розмiрами контактiв з КМ виробництва «ДИСКОМ».
Формування розплаву в системi Си-Мо-0, по-ниження його температури плавлення в результатi утворення СиМо04 i евтектики зберiгае цей розплав у областi ди дугового розря-ду, з порами i раковинами у кратерiв у робочому
шарi шаруватого контакту. Ослабленi порами i раковинами меж м1ж напайками i контактотри-мачами, а також ослабленi сегрегацiями домiшок меж мiж макрошарами в самiй пластинi парофазного конденсату, мютять додатковi небезпечт перетини, що приводять до руйнування.
Контакти, виготовленi методами порошко-во! металургн з матерiалiв в системi Cu-Ni-W, при комутацн струму виявляють повiльно протiкаючи процеси ерози в парогазовой фазк випаровуються дiлянки мщ з прикордонних об'емiв, якi шддаються окисленню, визначаючи морфологiю i чорно-коричневий вщтшок коль-ору поверхнi робочого шару, так i активнi процеси руйнування в твердш i рiдкiй фазах.
Порiвняльне дослiдження особливостей руйнування електричних контактiв з нових матерiалiв i традицiйних електроконтактних КМ в системi Cu-Ni-W свiдчить про перевагу останнього, його здатшсть чинити ошр як меха-нiчним, так i тепловим навантаженням, харак-терним для експлуатаци даних комутацшних апаратв.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баб'як М. О. Дослвдження структури та деяких властивостей контактних матер1ал1в контактор1в електровоз1в зм1нного струму / М. О. Баб'як, О. А. Тетерко, Р. В. Мшакова // Електротехшка 1 електромехашка. - 2005. -С. 93-96.
2. Захарченко Д. Д. Тяговые электрические аппараты. - М.: Транспорт, 1991. - 247 с.
3. Электровоз ВЛ80Т. Руководство по эксплуатации. - М.: Транспорт. 1977. - 568 с.
Надшшла до редколегп 07.06.2007 р.
