CC BY
10
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 212
1971
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОКРАЩЕНИЯ ПЕРИОДА КОММУТАЦИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА
Э. К. Стрельбицкий, В. С. Стукач, А. Я. Цирулик
(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и аппаратов и общей электротехники)
На кафедре электрических машин ТПИ исследовалось сокращение периода коммутации в зависимости от степени рассеивания механических параметров коллекторно-щеточного узла. Случайная задержка начала коммутации на набегающем крае XI и случайное опережение окончания коммутационного периода на сбегающем крае х2 входят в уравнение для остаточного потокосцепления [1].
Рис. 1. Схема контактирования щетки с коллектором: А — точка возникновения контакта на набегающем крае щетки; Б — точка прекращения контакта на сбегающем крае щетки
Как видно из рис. 1,
х, = х/ + Д1„, х2 = х2' + Д^ + Вц,
где х/ и хг' обусловлены закругленностью краев щетки и пластины коллектора, нестабильностью момента начала и окончания контакта под влиянием микронеровностей поверхности коллектора и щеток под влиянием вибраций и т. п.;
ви — ширина межламельной щели;
Д^ — технологические отклонения коллекторного шага. Параметры ви и Д1к могут быть определены в статистическом плане путем измерений для разных типов коллекторов и разного уровня технологии производства. Параметры х/ и х2' должны быть определены для разных марок щеток и типовых конструкций щеткодержателей как функции перепадов уровней пластин, эксцентриситета коллектора, контактного
нажатия, окружной скорости вращения коллектора, температуры коллектора, влажности среды и т. п.
При щеточном перекрытии, большем единицы, х/ и х2' будут являться функциями нескольких перепадов, так как под щеткой находится несколько пластин. Такие функции нужно определить для следующих случаев:
1) при 0 <Ьщ<^; + Ьи
х/ = \ (ДО; х2/-Ь(Л!); (2)
2) при 1к+Ьи<Ьщ<21:К+Ьи
х/ = й (Ах Д2); = и (Ль Д2); (3)
3) при 2^+Ьи<Ьщ<3^+Ьи
х/ = и (Дь Д2, Дз); х2'=!2 (Дь А2, Дз)
и т. д. (4)
Здесь
Ьщ — ширина щетки;
А\ — разность уровней соседних пластин в месте начала (при определении ¡\) и в месте окончания (при определении Ь) контактирования щетки и пластины;
Д2, Д3,...— следующие по порядку перепады, находящиеся под щеткой.
Перепад будем считать положительным, если следующая по ходу движения щетки пластина стоит выше предыдущей, х/ и х2' будем измерять в долях коллекторного шага.
Аналитическое определение зависимостей ¡\ и Ь не представляется возможным ввиду многочисленности входных параметров и случайного характера их проявления. Эти зависимости можно определить экспериментально, используя математические методы планирования экспериментального поиска и регрессионные методы обработки результатов [2].
Для измерения х/ и х/ в динамике был разработан и использован следующий метод. Измерительная щеточка ИЩ (рис. 2) устанавли-
Рис. 2. Схема для измерения сокращения периода коммутации
вается на набегающем (при измерении х/) или на сбегающем (при измерении х2') крае основной щетки. Грани основной и дополнительной щеток точно совпадают. Если рабочая щетка имеет контакт с пластиной, то импульс падения напряжения под щеткой поступает на вход осциллографа. Одновременно на вход осциллографа поступает высокочастотное напряжение от генератора высокой частоты ГВЧ (4—6 мггц). Когда ИЩ находится на пластине коллектора, ГВЧ шунтируется, и на экране осциллографа можно видеть развертку коллектора (рис. 3), измерить действительные значения коллекторного шага и ширину межламельной щели, определить статистики технологического разброса этих параметров. Для повышения точности измерения измерительная щеточка жестко защемлена в подвижной части специального щеткодержателя, а сама
Рис. 3. Осциллограмма развертки коллектора
подвижная часть его может поворачиваться для обеспечения контактного нажатия на безлюфтовой оси (на кернах). Это исключает неопределенность положения измерительной щеточки.
Параметры х/ и х2' в масштабе времени соответствуют сдвигу между высокочастотным импульсом, определяющим геометрическое положение рабочей щетки относительно пластины, и импульсом напряжения между щеткой и пластиной при возникновении и при обрыве контакта (рис. 4, а и 4, б). Ввиду кратковременности процессов (несколько микро-
секунд) требуется очень жесткая синхронизация осциллографа. Это осуществляется точным механическим датчиком ДС и схемой преобразования сигнала синхронизации СПС. Одновременно синхронизируется строботахометр СТ, с помощью которого можно видеть номер наблюдаемой пластины. Поворачивая датчик синхронизации, можно осуществлять обзор и фотографирование сигналов от всех пластин коллектора.
В качестве примера рассмотрим метод определения зависимости Х2 от величины перепадов уровней пластин коллектора при разных нажатиях на щетку ЭГ74. Опыт производился на машине П 32 при скорости вращения якоря 1610 об/мин, Коллектор был проточен с помощью приспособления прямо в машине в собственных подшипниках для исключения влияния эксцентриситета. Перепады уровней пластин А были спланированы по центральному композиционному ротатабельному плану второго порядка для трех переменных: (Дь Д2 и А3), случай 3, выражение (4) [2]. Формирование перепадов пластин на коллекторе осу-
Рис. 4. Осциллографическое измерение сокращения периода коммутации: а) на набегающем крае щетки; б) на сбегающем крае щетки
ществлено гальваническим методом, как описано в статье [3]. Матрица планирования и значения х2' в миллиметрах приведены для разных нажатий в табл. 1.
Таблица 1
Матрица Значения х2 ' для раз-
Д варьирования ных нажатии, г
О 03 ^ О А! а2 Аз 202 270 370 470
1 + 1 -г + 1,31 1,25 1,20 1,27
2 + + 0,45 0,37 0,50 0,43
Г з -г + 1,24 1,20 1,17 1,00
4 - — + 0,52 0,37 0,11 0,43
5 + + — Г,22 1,20 1,30 1,20
6 - + — 0,41 0,27 0,09 0,45
7 + __ — 1,24 1,25 1,20 1,17
8 — .— 0,69 0,62 0,47 0,50
9 а 0 0 1,22 1,34 1,14 1,20
10 — а 0 0 0,28 0,25 0,11 0,33
11 0 а 0 0,31 0,30 0,50 0,33
12 0 — а 0 1,25 1Д7 1,14 1,20
13 0 0 а 0,34 0,33 0,74 0,47
14 0 0 — а 0,62 0,50 0,30 0,50
15 0 0 0 0,45 0 0,05 0
16 0 0 0 0,46 0,20 0,05 0,43
17 0 0 0 0,25 0,06 0,05 0,55
18 0 0 0 0 0,10 0,05 0,60
19 0 0 0 0,08 0 0,05 0
20 0 0 0 0 0,33 0,05 0
Интервалы варьирования входных параметров выбирались с учетом реального технологического разброса перепадов уровней пластин коллектора для машин серии П 1-6 габаритов и представлены в табл. 2 в мк.
Таблица 2
Звездное плечо (±а)
Наименование пределов варьирования в мк
А, а2 Аз
Единица варьирования (±) 1 1 1
Нулевой уровень (0) 0 0 0
Верхний уровень (-{-) 1 1 1
Нижний уровень ( —) — 1 — 1 — 1
1,682
1,682
1,682
Вид зависимости х27 = (Дь Д2, Дз) задаем полиномом второй степени:
ха' = Ьо + 2 Ь,Л, + | ЬИЛ,2 + V ЬцЛ, Д^ (5)
¡ = 1 \ < j
В табл. 3 представлены коэффициенты уравнения (5), полученные на основе обработки данных табл. 2. Величина х2' выражена в долях коллекторного шага.
Таблица 3
Нажатие в г
202 270 370 470
Ьо 0,200 0,110 0,048 0,276
Ь1 1,146 1,293 1,376 1,088
ь2 0,476 0,459 0,237 0,307
Ь3 0,121 ОД'Ю 0,166 0,061
Ь\2 0,599 0,525 0,180 0,525
1)13 0,329 0,225 0,270 0,015
Ь23 0,449 0,673 1,048 0,434
Ьп 2,776 3,225 2,596 2,380
Ь22 2,903 2,971 3,423 2,380
Ьзз 1,632 1,615 2,152 0,069
к 0,916 0,958 0,952 0,840
Так как множественный коэффициент корреляции К близок к единице, уравнение (5) достаточно адекватно описывает эксперимент.
На рис. 5 даны зависимости коэффициентов уравнения (5) от величины нажатия на щетку (сечение щетки 10 X 12 мм).
Рис. 5. Зависимость коэффициентов уравнения (5) от величины нажатия на щетку
Аналогично можно найти зависимости х/ и хг' от перепадов пластин при других скоростях вращения, другой температуре коллектора и других условиях среды. Все новые переменные необходимо варьировать по определенному плану в соответствии с требованиями теории планирования эксперимента [2]. Тогда может быть получена универсальная зависимость нестабильности контакта на набегающем и сбегающем крае щетки от технологических отклонений параметров коллекторно-щеточно-го узла и условий эксплуатации.
Выводы
1. Разработан метод непосредственного измерения величины сокращения периода коммутации, обусловленного нестабильностью контакта на набегающем и сбегающем крае щетки.
2. Предложена экспериментально-статистическая методика определения зависимости величины сокращения периода коммутации от технологических отклонений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Э. К. Стрельбицкий, В. С. Стукач, А. Я. Ц и р у л и к. Учет влияния^технологии на коммутацию при проектировании машин постоянного тока. Известия ТПИ, т. 190, 1968.
2. В. В. Налимов, Н. А. Чернова. Статические методы планирования экстремальных экспериментов. «Наука», М., 1965.
3. А. И. С ко рос пе ш к и н, Л. Я. Зиннер, Э. К. Да мм. Метод моделирования профиля коллекторов для исследования влияния состояния поверхности коллектора на электрические и механические характеристики щеточного контакта. Известия ТПИ, т. 190, 1968.
