CC BY
15
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ПРОГРЕСС
УДК 621.313
КОММУТАЦИЯ В ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ С НОВЫМ СКОЛЬЗЯЩИМ КОНТАКТОМ
\В. Д. Авилов,\ Ф. Веселка*
Омский государственный университет путей сообщения, *Технологический университет, г. Брно, Чешская республика
В данной статье обсуждается работа машин постоянного тока со скользящим контактом. Представлено использование инновационного скользящего контакта на машинах различной мощности и конструкции. Инновация заключается не только в щетке и щеткодержателе с тефлоновым покрытием, но и в новой концепции системы съема со вспомогательной щеткой. Представлены результаты после длительной эксплуатации этих машин, которые ориентированы не только на оценку степени износа щеток, но и на качество внешней поверхности коллектора и ряда других вторичных факторов.
Ключевые слова: машина постоянного тока, скользящий контакт, щеткодержатель, коллектор, тефлон
Кафедра энергетики и электротехники факультета электротехники и связи Технологического университета Брно (ЦГУБЕ FEKT) имеет долгосрочное успешное сотрудничество с ОмГУПС. Всё взаимодействие направлено на улучшение работы электрических машин, особое внимание уделяется машинам со скользящим контактом. За эти годы удалось добиться очень интересных результатов. В Чешской Республике результаты постоянно внедряются для использования на практике. Разработанные и апробированные решения для инновационных узлов трения были успешно применены в работе DPMB (департамент транспорта города Брно), на железных дорогах Чехии и т. д.
Скользящий контакт является единственным практическим способом для преобразования электрического тока от неподвижной части вращающихся электрических машин и наоборот. Вращающаяся металлическая часть скользящего контакта называется коллектором. Неподвижная часть скользящего контакта - щетка, удерживаемая щеткодержателем. Этот контакт оказывает весьма значительное влияние на надежную работу машины. Необходимым условием для правильного выбора щетки является выполнение сложных и долгосрочных экспериментов. Целью этого является проверка
соблюдения требований для угольных щеток, среди которых:
- обеспечение высокого срока службы щетки с наименьшим износом коллектора;
- малые потери;
- высокие электрические и тепловые нагрузки;
- высокая механическая прочность;
- низкая чувствительность к атмосферным воздействиям;
- обеспечение равномерного распределения
тока.
Требование к длительному сроку службы щеток логично и относится к минимизации эксплуатационных расходов. Срок службы зависит не только от углеродного материала, но и от конструкции машины и рабочих условий. Самое большое влияние по классической теории скользящего контакта на срок службы коллектора имеют его окружная скорость, округлость, температура, ток нагрузки щетки, окружающая среда (по составу и характеристикам) и влага.
Окружающая атмосфера добавляет влагу на классический скользящий контакт, необходимую для его бесперебойной работы. Критическое значение относительной влажности - около 0,4 г воды на 1 м3 воздуха. Одним из важных факторов является
Научно-технический прогресс
правильное давление на щетку. Имеется требование в отношении «малых потерь», по которому определяется лучший способ использования машины для равномерного прогрева коллектора. Чем потери меньше, тем меньше коэффициент трения и падение напряжения на щетке. Однако оба этих свойства не могут быть произвольно уменьшены. Низкий коэффициент трения делает работу скользящего контакта нестабильной. Уменьшение коэффициента трения идет до определенного значения.
Угольные щетки можно рассматривать как керамический материал, его структура состоит из своего рода скелета или сетки, которая хранится в графитовых зернах. В идеальном графите атомы углерода расположены в параллельных плоскостях. На этом уровне атомы образуют сетку с повторяющимся гексагональным узором.
На поверхности коллектора образуется пленка. Толщина пленки варьируется. В процессе работы происходит постоянная «борьба» двух процессов:
- окисление поверхности и тем самым увеличение толщины пленки;
- истирание пленки и щеток.
В идеале эти два процесса должны быть в равновесии.
Таким образом, можно сделать вывод:
- скользящие контакты - очень сложная меж-дисциплинарнаяпроблема;
- важную роль играют все части и составляющие скользящего контакта;
- сильиаое знсчение для рнлоцы сиильзсщегп контакта пмеет окрлжаыщаа средб, в яотоя-а рабо-тастскользящий поаиакт;
- скользящий контакт требует постоянного внимания, осмотра и изучения.
Iе гфоьшюм онимааие было со средоточено яраа-рым обргмом оа машиянхгюеесзмносб тока; с нонта ьт давопстбых годов - иа машрнах перемеьного азна с коллектором, на электрических машинах с кольцами. Во время улучшения эксплуатационных харак-тертыьиз узлов трюмет бьню рассмоереыю ресколько вариантов. —иьам из рзиецективнмы: метод он рвля-ется конструкция щеток, показанная на рис. 1.
Рис. 1. Иллюстрациявозможного вариантаинновационной щеткиснанесеннымслоем тефлона: а)навнутреннюю частьщетки;Ь) нанаружную часть
щетки;1-выводыщетки;2 - щетка; 3 - разделительный слой между щеткой и тефлоном; 4- тефлоноваяпластина
Результатом приложенных усилий к тому, чтобы обеспечить максимальный срок службы скользящего контакта при различных условиях окружающей среды, режимах работы и технических параметрах машины является инновационный скользящий контакт. В нашем случае он включает в себя компоненты скользящего контакта, которые применяются для конкретных слоев, последним из которых является всегда слой тефлона. Опыт показал, что тефлон оказывает благоприятное влияние на ход электрических машин, значительно уменьшает величину износа скользящего контакта и увеличивает срок службы узла трения. Тефлон является кристаллическим полимером, по внешнему виду напоминающим парафин. Характеризуется высокой молекулярной массой и содержанием только атомов углерода и фтора с высокой прочностью связи, что определяет его характеристики. Его преимущества заключаются в том, что это физиологический предохранитель в рабочем диапазоне температур, имеющий низкую адгезию и отличную герметичность. Основные свойства тефлона при его использовании: высокие химическая стойкость и стойкость к высоким температурам, отличные диэлектрические свойства, низкое водопоглощение и устойчивость к растворителям, хорошие свойства скольжения.
Новая концепция комплекса инновационного скользящего контакта для машин постоянного тока показана на рис. 2.
]
Рис. 2. Концепция нового комлекса системы съема для машины постоянного тока
Качественное изменение в характере при применении тефлонового покрытия происходит в структуре щетки и на внутренней поверхности щеткодержателя. Существует структурное изменение покрытия, как показано на рис. 3-4.
////////✓/////////////
Рис. 3.1^лннчейе струкчуоыколлечтнре: 1 - свободные частицы заполняют все неровности поверхности коллектора, 2 - графитовая пленка, 3 - окисление пленки, А - щетка, В - медь коллектора
Рис. 5. Модель щеткодержателя
Рис. 4. Структура пленки, созданная инновационными щетками вскоре после начала использования
Применение тефлонового покрытия на внутренней стороне щеткодержателя помогает уменьшить зазор между щеткой и щеткодержателеч (уменьшение силы Т щеткодержателя см. на рис. 5), улучшает использование пружин сжатия, которое, в конечном счете, отражается, к примеру, на расширении зоны контакта (рис. 5, 6), улучшает структуру пленки, уменьшает влияние условий эксплуатации на качество пленки и снижает влияние температуры на качество и стабильность пленки.
Существует также снижение и стабилизация коэффициента тренил. Можнс сказаыы, сто применение тефлона -редставллет коипленсныи вурект и в конечном результате - расширение темной зоны машины.
Инновации в конструкции щетки позволяют добиться улучшения динамики щетки в щеткодержателе, тушения исср и нускичесива плинки; снижиния коэффициента старения; изменяет существующее поиясие с^ми узлов трения. Давле-
ние на щетку задается исходным блоком коллектора.
Рис. 6. Расширение зоны контакта проводимости тока в скользящем контакте при применении тефлоновой щетки
Улучшения происходят на нескольких уровнях:
- физические: коллектор, щеткодержатель;
- химические:политура;
- электрические: увеличение сопротивления краев щетки.
Инновации в конструкции щеткодержателя позволяют добиться:
- уменьшения трения щетки в щеткодержателе и, следовательно, улучшение динамических свойств; лит - уменьшения размеров щеток в щеткодержателе;
- гарантируется улучшение контроля щеткой активнойповерхности коллектора.
Изменения позволяют системе съема на практике реализовать и продлить жизнь скользящего контакта.
При применении инновационных щеток на машинах постоянного тока ТДН 12 Аб был обнаружен значительно меньший износ угольных щеток - ниже 80 %, снижение потемнения колец возбуждения синхронного генератора. Это было в полной мере отражено в широком диапазоне скоростей до 3000 мин-1.
Научно-технический прогресс
т
Ei ОмГУПС при рзаимаом сотр^ничестве были изучены все основные инновации скиеьзящего контакта при знзделирсизнии нУИЕИтело0 поктогнного еока.
-220
Рис. 7. Схема модели машины постоянного тока
Рис. 8. Темная зона коммутации машины: -щетки с тефлоном;----щетки без тефлона
В качестве сравнительного критерия была выбрана ширина темной зоны коммутации. Измерения далиследующие результаты (рис. 8).
При применении инновационных щеток получены также другие преимущества, такие как:
- стабилизация в обеспечении скользящего контакта;
- возможность более эффективного планирования потребления и сокращение запасов щеток;
- более эффективное использование машин.
При применении инновационных щеткодержателей были получены аналогично следующие дополнительные преимущества:
- равномерный износ всех щеток;
- улучшенная равномерность нагрузки щеток.
Эти нововведения для скользящего контакта
могут дать значительный экономический эффект для эксплуатируемых машин.
Практически все результаты и долгосрочные измерения подтвердили правильность существующего подхода и создали предпосылки для улучшения качества работы электрических машин постоянного тока со скользящим контактом в различных отраслях промышленности и внесли вклад в развитие существующего сотрудничества между ЦГУБЕ FEKT и ОмГУПСом.
Эта работа была выполнена Центром исследования и использования возобновляемых источников энергии проект № CZ.1.05/2.1.00/01.0014 при поддержке Европейского фонда регионального развития, а также при сотрудничестве с ОмГУПС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Chmelik K., Veselka F. Kluzny kontakt v elektrickych strojich // KEY Publishing s.r.o. Ostrava. - Ostrava, 2007.
2. Авилов В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.
3. Авилов В. Д. К вопросу о повышении износостойко-
сти щеток электрических машин / В. Д. Авилов, Ф. Веселка, П. Г. Петров, Ю. А. Мацько // Промышленная энергетика. - 2009. - № 5. - С. 12-15.
4. Veselka F.: Zlepsovani komutacnich pomerü elektrickych strojü: TZ 135 // KESAP FE VUT v Brne. - Brno, 1990.
| Авилов Валерий Дмитриевич | - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Статья поступила в редакцию
«Электрические машины» Омского государственного университета путей сообщения. 11 декабря 2013 г.
Веселка Ф. - доцент-инженер, доктор философии технического университета, г. Брно, Чешская республика.
© В.Д. Авилов, Ф. Веселка, 2013.
