CC BY
132
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
УДК 629.423.31
Д. Ю. БЕЛАН А. О. ОТРАДНОВА
Омскии государственный университет путей сообщения
ЭЛЕКТРОИСКРОВАЯ ОБРАБОТКА С ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
В данной статье проведен анализ существующих методов обработки материалов. Для повышения износостойкости коллекторных пластин электрических машин постоянного тока предлагается использовать электроэрозионный метод, а именно электроискровую обработку как его основу.
Ключевые слова: коллекторно-щеточный узел, электроискровая обработка, упрочнение, позиционирование, износостойкость.
Для развития промышленности подчеркивается важность развития и внедрения новых технологических процессов, а также использования в технологии металлообработки новых достижений науки и техники. К новым относятся современные электрофизические и электрохимические методы обработки материалов.
Анализ технического состояния локомотивного парка по сети железных дорог России за 2006 — 2011 гг. показал, что количество отказов остается на высоком уровне. Так, отказы тяговых электрических машин постоянного тока (ЭМПТ) составляют от 14 до 18 % от общего числа отказов.
Надежность работы ЭМПТ во многом зависит от исправного состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ) [1]. Наиболее уязвимым звеном КЩУ является коллектор, в частности его поверхность. По внешнему виду контактной поверхности щеток и коллектора судят о состоянии и работе ЭМПТ в целом. Коллектор электрической машины, находящийся в эксплуатации, в идеальных условиях должен иметь на контактной поверхности коллекторных пластин глянцевую темно-коричневую пленку (политуру) повышенной твердости. Такая политура увеличивает коммутационную устойчивость двигателя и значительно снижает износ коллекторных пластин. В процессе же эксплуатации ЭМПТ происходит износ коллектора в местах контакта щеток, коммутация ухудшается и при определенном виде ремонта выполняется механическая обработка коллектора, включающая все необходимые операции.
Существует множество видов электрофизических и электрохимических методов обработки материалов (рис. 1).
В основе этих методов лежит использование различных физико-химических процессов энергетического воздействия на заготовку для формообразования детали при обработке [2].
Одним из наиболее перспективных является электроэрозионный метод обработки. При электро-эрозионной обработке используется энергия электрических разрядов, возбуждаемых между электродом-инструментом и электродом-заготовкой. За основу предлагаемого метода создания углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора принята электроискровая обработка (ЭИО) [3].
В данной статье рассматривается применение электроискрового метода обработки поверхности коллектора электрических машин.
В основе данной технологии обработки рабочей поверхности коллектора лежит метод (ЭИО).
Основные преимущества электроискровой обработки:
— при нанесении покрытий на металлические и другие токопроводящие материалы повышается износостойкость, происходит упрочнение и улучшение коррозионной и стойкости;
— возможность локального формирования покрытий в строго указанных местах радиусом от долей миллиметра и более, не защищая при этом остальную поверхность;
— отсутствие нагрева и деформаций в процессе обработки;
— высокий коэффициент переноса материала (60-80 %).
Сущность метода электроискровой обработки состоит в следующем. Перед началом работы по формированию углеродного слоя, коллектор электродвигателя обтачивается, осуществляется продорожка коллекторных пластин. К поверхности пластин подводятся угольные электроды, на которые через генератор импульсов подается напряжение и благодаря прямому полярному эффекту, связанному с преимущественным переносом эродируемого материала анода на катод, на поверхности последнего формируется тонкое покрытие с определенными физико-химическими и механическими свойствами.
В настоящее время определенной физической модели процесса электроискровой обработки, которая позволяла бы описать, все явления, происходящие за время цикла упрочнения, — не существует. Предлагались различные модели, описывающие процесс упрочнения, которые объясняли только отдельные факты. Наиболее полная модель (рис. 2) заключается в том, что при сближении электродов напряженность «электрического» поля увеличивается. Через возникающий канал сквозной проводимости пучок электронов фокусированно ударяется о твердую металлическую поверхность анода (рис. 2а). Энергия движения остановленных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. В связи с тем, что в данный момент система броском освобождает
Рис. 1. Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки материалов
а 5 д г д в
Рис. 2. Схема процесса нанесения покрытий на металлические поверхности
] 7 9 1
Рис. 3. Установка для комплексной обработки коллектора электрической машины: 1 — якорь электрической машины; 2 — коллектор; 3 — генератор импульсов;
4 — держатели угольных электродов; 5 — направляющие угольных электродов;
6 — угольные электроды; 7 — электродвигатель; 8 — коробка подач;
9 — стойка; 10 — суппорт продольного перемещения; 11 — кулачковый патрон; 12 — задняя бабка; 13 — коробка скоростей; 14 — мотор-редуктор; 15 — станина
накопленную энергию, плотность тока значительно превосходит критические значения. В результате этого от анода отделяется капля расплавленного металла, которая движется к катоду (рис. 2б), опережая движущийся анод. В процессе отделения от электрода-инструмента летящая капля успевает нагреться до температуры закипания и взрывается. Цепь тока прерывается, сжимающие усилия электромагнитного поля исчезают, и поэтому образовавшиеся частицы летят широким фронтом (рис. 2в).
Расплавленные частицы, достигнув катода, свариваются с ним и частично внедряются в его поверх-
ность (рис. 2г). Процесс на этом не заканчивается, поскольку вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, уже успевшую вновь накопить энергию. Через раскаленные частицы, лежащие на катоде, происходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом движущейся массы анода.
Когда наступает следующий этап протекания процесса, при механическом контакте электродов частицы свариваются между собой и прогревается тонкий слой поверхности катода, на котором они расположены. При этом помимо диффузии под дей-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
94
Рис. 4. Композиционная структура контактного элемента тягового электродвигателя:
1 -медная пластина; 2 -изоляционный материал (миканит); 3 - внедренные зерна графита
ствием электрического тока перенесенных частиц в зоны диффузионную и термического влияния катода происходят химические реакции между этими частицами и материалами катода. Механический удар по раскаленной массе материалов проковывает полученное покрытие (рис. 2д), чем значительно увеличивает его однородность и плотность. Далее анод движется вверх, а на обрабатываемой поверхности катода остается прочно соединенный с ним слой материала анода (рис. 2е).
Из приведенной модели процесса электроискровой обработки следует, что перенос материала анода происходит с момента пробоя межэлектродного промежутка до соприкосновения его с поверхностью катода, с момента пробоя и до соприкосновения электродов происходят два импульса тока, вещество переносится в жидкокристальном состоянии. Однако данная модель процесса электроискровой обработки нуждается в уточнениях, в зависимости от режимов обработки [4].
Обработку пластин коллектора электрической машины предлагается осуществлять при помощи установки для комплексной обработки коллектора электрической машины (рис. 3), в состав которой входят устройство для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора (на данное устройство получен патент № 121659 и инновационное устройство по позици-
онированию электродов относительно поверхности коллектора электрической машины) [5].
При электроискровой обработке происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. На угольные электроды подается напряжение 1500 В от генератора импульсов с различной частотой. При сближении угольных электродов с упрочняемой поверхностью коллектора электрической машины, на определенном расстоянии происходит искровой разряд длительностью 10—6 — 10—3 с, и происходит съем некоторого объема металла, благодаря чему угольный электрод инструмент (анод) внедряется в обрабатываемую поверхность, происходит процесс формирования углеродного слоя.
В результате обработки на поверхности коллектора образуется новая композиционная структура, которая имеет отличные от исходного состояния свойства, обеспечивающие требуемые качества поверхности, происходит повышение износостойкости поверхности коллектора, улучшение физикомеханических свойств (рис. 4).
Материал угольных электродов аналогичен материалу электрографитовой щетки марки ЭГ-61. Этот материал слабо разрушается под действием электроискровых разрядов. Что способствует снижению износа электрода-инструмента [6]. Микроструктур-ный анализ композиционной структуры представлен на рис. 5.
Как показывают эксперименты, если не перемещать электроды по поверхности, а вести обработку в одной точке, то возможны два случая формирования слоя. В первом на катоде образуется лунка, частично заполненная материалом электрода (анод), а во втором — возможно появление бугра. В большинстве случаев, для того чтобы получить равномерный слой по всей обрабатываемой поверхности, необходимо определенное постоянное смещение электродов относительно зоны воздействия разряда на обрабатываемую поверхность. Ранее такое смещение подбиралось исключительно экспериментальным путем, в данном случае скорость перемещения электродов относительно обрабатываемой поверхности должна быть такой, чтобы вовремя паузы между двумя импульсами электроды успевали переместиться не более чем на четверть диаметра лунки [7].
Для обеспечения необходимой точности обработки коллектора электрической машины предлагается позиционировать в продольном направлении
Рис. 5. Микроструктурный анализ медного образца М1
Рис. 6. Схема инновационного устройства для формирования углеродистого слоя:
1 — механизм вращения кулачкового патрона (Мв); 2 — датчик вращения (ДВ);
3 — кулачковый патрон; 4 — якорь ЭМ;
5 — рабочая поверхность медных пластин коллектора;
6 — задняя бабка; 7 — вихретоковый датчик (ВД);
8 — устройство ввода-вывода (УВВ);
9 — персональный компьютер (ПК); 10 — усилитель;
11 — двигатель механизмов продольного и поперечного перемещения суппорта (Мв); 12 — суппорт продольного перемещения; 13 — прокладка;
14 — изолированная стойка; 15 — суппорт вертикального перемещения;
16 — электродвигатель; 17 — генератор импульсов;
18 — держатели угольных электродов;
19 — направляющие угольных электродов, 20 — угольные электроды
угольные электроды, относительно обрабатываемой поверхности коллектора, при помощи устройства по позиционированию, снабженного вихретоковым датчиком. Вихретоковый датчик обеспечивает требуемую точность позиционирования в продольном направлении угольных электродов, а также варьирование режимов обработки.
Управление процессом электроискровой обработки поверхности коллектора электрической машины осуществляется в программном режиме при помощи персонального компьютера, устройства ввода-вывода, которое вырабатывает сигналы включения и отключения двигателей механизмов продольного и поперечного перемещения суппорта и механизма вращения кулачкового патрона (рис. 6).
Позиционирование угольных электродов относительно обрабатываемой поверхности коллектора электрической машины позволит достичь требуемой точности в процессе обработки коллекторных пластин, а также предотвратить попадание электроискрового разряда в пространство между ламелями. Попадание электроискрового разряда в межла-мельное пространство может послужить причиной расплавления изоляционного материала миканита, который в процессе эксплуатации препятствует пробою изоляции коллектора на корпус внутри коллектора. И как следствие, появится необходимость проведения дополнительных работ по восстановлению материала изоляции электрической машины.
Следует отметить, что предложенная конструкция вихретокового датчика устройства по позиционированию угольных электродов позволяет избежать погрешности при обработке пластин, что обеспечивает требуемую точность при формировании упрочняющего слоя на поверхности коллектора электрической машины.
Таким образом, данный метод обработки поверхности, как более перспективный, можно рекомендовать для повышения твердости и износостойкости поверхности коллекторных пластин электрических машин постоянного тока. Метод электроискровой обработки позволит повысить надежность работы коллекторно-щеточного узла электрической машины, получить высокие эксплуатационные свойства, за счет упрочнения коллекторных пластин материалом, аналогичным материалу электрографитовых щеток, тем самым улучшить коммутационные свойства, повысить ресурс работы ЭМПТ.
Библиографический список
1. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисеенок // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. — 2010. - № 2 (2). - С. 2-6.
2. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей / Д. Ю. Белан, В. М. Лузин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. — 2010. — № 4 (4). — С. 6-11.
3. Коваленко, В. С. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов / В. С. Коваленко. -Киев : Вища школа, 1975. - 236 с.
4. Лазаренко, Б. Р. Электроискровой способ изменения исходных свойств металлических поверхностей / Б. Р. Лазаренко, Н. И. Лазаренко. - М. : Изд-во АН СССР, 1958. - 177 с.
5. Пат. 121659 Россия, МПК H01R 43/06 (2006.01). Устройство для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора / А. А. Ражковский, Д. Ю. Белан, А. С. Волошин, А. А. Логвиненко ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. -№ 2012119539/07 ; заявл. 11.05.12 ; опубл. 27.10. 12, Бюл. № 30. - 8 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
6. Электроискровое легирование металлических поверхностей / В. Г. Самсонов [и др.]. — Киев : Наукова думка, 1976. - 248 с.
7. Артамонов, Б. А. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов : учеб. пособие. В 2 т. Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента / Б. А. Артамонов, В. С. Волков, В. С. Дрожалова ; под ред. В. П. Смолен-цева. — М. : Высш. шк., 1983. — 247 с.
БЕЛАН Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
УДК 621.22-762
Введение. Одна из задач, решаемых при разработке конструкции герметизирующего устройства (уплотнения) и выбора материалов для изготовления его элементов, — обеспечение требуемых надежности и ресурса устройства. Это предполагает решение оптимизационной задачи с выбором соответствующих критериев.
В качестве критериев оптимизации конструкции (выбора материалов) используются комплексные показатели работы герметизирующего устройства (ГУ) или несколько показателей одновременно [1—4]. Эти показатели зависят от начальных значений параметров режима эксплуатации, характеристик материалов и учитывают временную зависимость некоторых из них. В ряде случаев ГУ, применяемые для герметизации подвижных соединений, рассматриваются как трибосистемы, а прогнозирование их ресурса и надежности осуществляется по критерию износостойкости [5]. Существуют методики анализа работы ГУ с учетом формоизменения в процессе фрикционного взаимодействия [6, 7].
Анализ существующих подходов к рассмотрению работы и оптимизации ГУ, прогнозированию их надежности и ресурса свидетельствует о целесообразности использования методик, в основе которых лежат критерии выбора материалов и параметров конструкции, учитывающие изменение герметичности, геометрической формы и напряженно-деформированного состояния элементов устройства в
ОТРАДНОВА Анна Олеговна, аспирантка кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: anna3812_88@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.06.2013 г.
© Д. Ю. Белан, А. О. Отраднова
процессе эксплуатации. В связи с отсутствием универсальных подходов к решению подобных задач эффективным является использование имитационного моделирования.
Объект и методика исследования. Объектом исследования в данной работе является комбинированное ГУ пневмогидроцилиндра кольцевого типа (рис. 1). Данная конструкция рассматривалась ранее в работах [8, 9]. Особенностью условий эксплуатации рассматриваемого пневмогидроцилиндра является наличие рабочих периодов, когда цилиндр совершает возвратно-поступательное движение, и периодов длительного хранения с сохранением эксплуатационных характеристик. Предлагаемая методика прогнозирования надежности и ресурса ГУ включает следующие этапы анализа работы устройства.
I. Выбор параметров, определяющих надежность (ресурс) устройства, и их предельных значений.
При разработке (оптимизации) конструкции и выборе применяемых материалов, как показано в работах [4, 10], в зависимости от типа ГУ целесообразно использовать величину утечек, а также параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние и контактное взаимодействие элементов ГУ.
II. Разработка расчетной модели устройства, позволяющей рассчитать в процессе имитационного моделирования значения параметров, определяю-
О. В. КРОПОТИН
Омский государственный технический университет
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
На примере комбинированного герметизирующего устройства рассматривается применение методики прогнозирования надежности и ресурса герметизирующих устройств с использованием имитационного моделирования.
Ключевые слова: надежность, ресурс, герметизирующие устройства, имитационное моделирование.
