Обобщенная динамическая вольт-амперная характеристика скользящего контакта угольная щетка — коллектор Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 211

1970

ОБОБЩЕННАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА УГОЛЬНАЯ

ЩЕТКА — КОЛЛЕКТОР

(Представлена семинаром кафедр электрических машин и общей электротехники)

Расчет коммутации и коммутационной устойчивости машин постоянного тока возможен только при наличии исчерпывающей информации о поведении скользящего контакта при различных условиях его работы. Учитывая многообразие факторов, влияющих на электрические свойства скользящего контакта, целесообразно получить его математическую модель экспериментально-статистическим методом.

Кратко напомним сущность метода [1].

На исследуемую систему, механизм явлений внутри которой полностью не изучен (в данном случае это скользящий контакт), воздействуют факторы х1 (в данном случае это факторы, существенно влияющие на вид вольт-амперной характеристики скользящего контакта). На выходе измеряется величина у, количественно описывающая вольт-амперную характеристику. Задача сводится к определению функции

Поскольку вид функции неизвестен, ее представляют полиномом вида

где коэффициенты Ь0, Ьь Ьш Ьц подлежат определению. Входные факторы X; изменяются по определенной программе, коэффициенты Ь0, Ьь Ьи, Ь^ определяются на основе обработки результатов эксперимента методом регрессионного анализа.

Эксперимент ставился на установке, подробно описанной в [2]. Коллектор, две противоположные пластины которого замкнуты, приводится во вращение двигателем постоянного тока, скорость вращения которого может изменяться в пределах от 300 до 2500 об/мин.

В течение времени, когда обе рабочие ламели находятся под щетками, через образовавшуюся цепь пропускается импульс тока от специальной импульсной установки. Амплитуда импульса, его длительность, форма, а также пространственное расположение относительно дуги контактирования ламели со щеткой могут изменяться в достаточных пределах. В течение одного оборота коллектора установка выдает через равные промежутки времени 2 совершенно одинаковых импульса, так что каждая ламель оказывается попеременно анодно- икатодно поляризованной, как это имеет место в реальной машине. Чтобы не вводить дополнительных погрешностей, при всех измерениях использовалась одна и та же щетка, полярность при этом изменялась переключением источника импульсов.

Применение специального щеткодержателя позволяет плавно регулировать нажатие на щетку, подогрев коллектора и щеток осуществляется при

Э. К. ДАММ, Л. Я. ЗИННЕР, А. И. СКОРОСПЕШКИН

У = / X

у = Ь0 + + х¿2 + 2Ьи

помощи спирали, температура коллектора измеряется при помощи термопары спай которой заложен в отверстие на торце одной из рабочих ламелей.

Так как в данном случае рассматривается влияние различных факторов на вольт-амперную характеристику скользящего контакта, то в качестве выходных параметров принимались коэффициенты аппроксимирующих выражений.

т

л

i \

X

У

/1 и

р-

Рис. I.

Вольт-амперные характеристики мягкой щетки марки ЭГ-4Э аппроксимировались выражением

и = Аат^ В], (1)

где и — переходное падение напряжения в контакте;

/ — плотность тока в контакте; А и В — постоянные для данной характеристики коэффициенты.

т

\

у у

/ "\

1 к ли

1

Рис. 2.

Вольт-амперные характеристики твердой щетки марки ЭГ-74 правильнее ь аппроксимировать выражением

U = A arch Bj, (2)

не имеющим асимптот, так как падение напряжения под щеткой ЭГ-74 неограниченно возрастает при увеличении плотности тока, в отличие от щетки марки ЭГ-4Э, у которой при больших плотностях тока переходное падение напряжения практически стабилизируется.

Первоначально в качестве входных факторов предполагалось взять следующие:

хг — средняя плотность тока в течение первого ламельного периода

контактирования ламели со щеткой, хг — температура щеток и коллектора, Xg — удельное нажатие на щетку, х4 — линейная скорость поверхности коллектора. Но в дальнейшем оказалось, что фактор скорости в данном случае не оказывал существенного однонаправленного влияния на вид вольт-амперной ха-

16

U

п

i.Q U йб 0,4 0.2 О

• о k 8 12 16 20 2k 28 32 36 4ff Рис. 3.

рактеристики. На рис. 1 и 2 в качестве примера приведены осциллограммы тока и переходного падения напряжения катодно-поляризованной щетки марки ЭГ-74 для окружных скоростей, соответственно равных 2,09 м/сек

и 8,4 м/сек при хх = 55 ^ , QK = 70° С, р = 250 Соответствующие

вольт-амперные характеристики приведены на рис. 3 и 4. Сравнение показывает их почти полное совпадение.

U J.4 П 1.0 0J8 П

oh

0Z

4 8 12 18 20 2k 28 32 36 (М Рис. 4.

Попутно необходимо заметить, что перед проведением эксперимента поверхность коллектора весьма тщательно обрабатывалась абразивным бруском Р30 при одновременном наблюдении за осциллограммой профиля коллектора, полученной с применением измерителя профиля [3]. Общий бой коллектора не превышал 4—5 микрон, перепады между соседними коллекторными пластинами не превышали 1 микрона. Относительная влажность воздуха по возможности поддерживалась постоянной, равной 55%.

5 Сборник научных трудов т. 211

129

Таблица 1

№ опыта Л'2 X» 2 2 х2 2 Хххъ х\х3 ХгХг Лк ¿к ^к »а Аа Ва

1 — 1 —1 — 1 + 1 +1 +1 +1 +1 +1 0,7275 0,1207 0,3650 0,0882

2 + 1 —1 —1 + 1 + 1 +1 —1 —1 +1 0,5660 0,0730 0,5460 0,0717

з — 1 +1 —1 + 1 + 1 +1 —1 +1 —1 0,4490 0,0950 0,3000 0,0762

4 + 1 + 1 — 1 + 1 +1 +1 +1 —1 0,5650 0,0646 0,2280 0,0449

г 0 — 1 — 1 +1 + 1 +1 +1 + 1 —1 —1 0,3570 0,0844 0,2380 0,0595

6 4-1 —1 +1 + 1 +1 +1 —1 +1 —1 0,4140 0,0507 0,303Э 0,0438

7 _1 +1 + 1 + 1 +1 +1 —1 —1 +1 0,3110 0,0775 0,2490 0,0608

8 + 1 + 1 +1 + 1 +1 +1 +1 +1 +1 0,3230 0,0344 0,2340 0,0361

9 —1,682 0 0 +2,828 0 0 0 0 0 0,3300 0,1310 0,5190 0,0614

10 +1,682 0 0 + 2,828 0 0 0 0 0 0,6140 0,0558 0,3060 0,0239

11 0 — 1,682 0 0 + 2,828 0 0 0 0 0,4660 0,1070 0,4025 0,0624

12 0 +1,682 0 0 + 2,828 0 0 0 0 0,2915 0,0435 0,2380 0,0213

13 0 0 — 1,682 0 0 + 2,828 0 0 0 0,4620 0,1680 0,4570 0,0688

14 0 0 -И ,682 0 0 + 2,828 0 0 0 0,3370 0,0403 0,4590 0,0262

15 0 0 0 0 0 0 0 0 0,4440 0,082 0,376 0,0525

В соответствии с изложенным был составлен план ротатабельного уни-форм-планирования второго порядка для трех независимых переменных вариируемых на трех уровнях (табл. 1). Пределы изменения входных параметров выбирались из условий работы реальных машин (табл. 2).

Таблица 2

Фактор Уровни Р азмерность

— 1 ,682 — 1 0 + 1 + 1 ,682

21,4 35 55 75 88,3 а см2

х2 53 60 70 80 87 °С

х3 166 200 250 300 334 г см'2

Эксперимент проводился в следующем порядке. После механической обработки поверхности коллектора все ламели замыкались и постоянным током наводилась нормальная коллекторная пленка в течение 100—150 часов. После этого коллектор размыкался, выделялись две рабочие пластины, щетки подключались к импульсной установке. Сначала ставились все эксперименты при одном нажатии на щетку, затем при другом и так далее. После изменения нажатия на щетку последняя в течение 10 часов снова тщательно притиралась к коллектору. При данном нажатии сначала ставился эксперимент для наименьшего значения *ь затем для большего и так далее. В каждом опыте кривые ламельного тока и переходного падения напряжения для обеих полярностей щетки фотографировались с экрана двух-лучевого осциллографа. После обработки для полученных вольт-амперных характеристик находились коэффициенты аппроксимирующих выражений, которые для щетки марки ЭГ-74 приведены в табл. 1. В качестве выходных параметров были, приняты А и произведение АВУ так как последнее имеет конкретный физический смысл. АВ численно равно удельному переходному сопротивлению контакта при нулевой плотности тока.

Ниже приводятся выражения для обобщенной характеристики щетки марки ЭГ-74, полученные в результате обработки результатов эксперимента, приведенных в табл. 1.

ик = Ак агзИ ^ / (3)

иа = Аа агзЬ ^ у , (4)

где ¿Ук — переходное падение напряжения между ламелью и щеткой катодной полярности;

иа— переходное падение напряжения между ламелью и щеткой анодной полярности;

Лк - 0,44 + 0,05563^ — 0,052я-2 — 0,08238*3 + 0,0203*? —

— 0,0125*2 — 0,004x1 + 0,029*!* 2 + 0,014*^ + 0,01781*2*3; (5)

Лк Вц = 0,0767 — 0,0207*! — 0,01208х2 — 0,0235*3 + 0,0039*? —

—0,00589*2+0,0043*з+0,0008625*1*2+0,0000375*1*з+0,00136*2^3*» (6)

Аа = 0,3755 — 0,01449*! — 0,05257*2 — 0,03016*3 — 0,0059*? —

— 0,0378*2+ 0,0103*з — 0,0416*1*2— 0,07375* !*3— 0,04062*3*3; (7)

АаВа = 0,0521 — 0,01103*! — 0,008439*2 — 0,00762*3 — 0,002*? —

5*

131

—0,00031x2+0,00167x1—0,00297x^+0,000925x^+0,00405 х2 х3. (8>

В выражениях (5) —(8)

„ ._ /ср (¿к) "50 . г _ вк—70 . _ р—250 Х1~~ 17,2 ' ¡0 ' Хз" 50 '

где

/ср </к) — средняя плотность тока в контакте в течение первого ла-

о а

мельного периода контактирования ламели со щеткой^ '» 6К — температура коллектора °С;

Г

р — удельное нажатие на щетку ^ .

Полученные выражения позволяют получить вольт-амперные характеристики скользящего контакта при изменении условий его работы в пределах, определяемых табл. 2.

Чтобы убедиться в том, что при планировании эксперимента были учтены все факторы, существенно влияющие на вид вольт-амперных характеристик, можно вычислить коэффициенты множественной корреляции для выходных параметров.

V 1 Ъ(у-у? •

где у— среднее значение выходных параметров;

у — значения выходных параметров, определяемые из полученного

уравнения регрессии; у — значения выходных параметров, полученные из эксперимента.

Таблица 3

Параметр ^к вк Аа Аа ва

Я 0,911 0,92 0,917 0,91

Значения указанных коэффициентов приведены в табл. 3. Если = 1„ то это означает, что учтены все факторы, влияющие на выходную величину. Значения коэффициентов К, полученные в данном случае, говорят о том, что все существенно влияющие факторы были учтены. На долю неучтенных и неконтролируемых факторов приходится не более 9%, что вполне удовлетворительно для такого объекта, как щеточный контакт.

Рассмотрение уравнений для обобщенных вольт-амперных характеристик показывает, что фактор хг оказывает весьма существенное влияние. Вид водьт-амперной характеристики контакта в сильной степени зависит от условий формирования контактной проводимости в первый ламельный период контактирования. На это впервые было указано в работе [4].

На рис. 5 кривая II представляет статическую характеристику анодной щетки ЭГ-4Э, снятую на короткозамкнутом коллекторе при 0К= 70° С, р

р ~ 250^2 при возрастающей плотности тока. Кривая I представляет динамическую характеристику, снятую на описанной выше экспериментальной установке при тех же значениях 0К и р. Разница состояла лишь в том, что плотность тока в контакте составляла в первый момент времени контактирования ламели со щеткой примерно 90 снижаясь к концу периода

контактирования до нуля, как это имеет место при ускоренной коммутации. Сравнение кривых I и II показывает их значительное расхождение при относительно небольших плотностях тока. Сопротивление контакта при малых

плотностях тока в реальных условиях его работы (кривая Г) оказывается значительно меньшим, чем определяемое статической характеристикой (кривая И').

Таким образом, итогом проведенного исследования является разработка методики расчета обобщенной динамической вольт-амперной характеристики щеточного контакта. Эта методика позволяет учитывать основные факторы (температуру, токовую нагрузку и характер коммутации, изменение контактного давления при наличии радиальных колебаний щеток), определяю-

и &

и и ов аз Ш 8,2

дгД р ип-ш)

\ \

\

\ Л-

/7'

Г

(4)

8.Ш М4 ол 0.1

0,04 ОМ О

)0 Ь 8 п 16 29 гк 28 32 36 № Рис. 5.

щие вольт-амперную характеристику щеточного контакта, и с достаточной достоверностью вводить ее в расчет коммутации.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. В. Налимов, Н. А. Чернова. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. Изд. «Наука», Москва, 1966.

2. А. И. С к о р о с п е ш к и н, Л. Я. 3 и н н е р, Э. К. Д а мм, В. П. К о р о-т а е в. Установка для экспериментального исследования скользящего контакта щетка — коллектор. «Изв. ТПИ», т. 212 (в печати).

3. Л. Я. 3 и н н е р, А. И. С к о р о с п е ш к и н. Прибор для измерения малых перемещений. «Изв. ТПИ», т. 172, 1967.

4. Ю. П. Галишников, А. И. Скороспешкин. Естественные вольт-амперные характеристики скользящего контакта угольная щетка — коллектор. «Изв. Т П И», т. 172, 1967.

1