Ударно-акустическая обработка коллекторов электрических машин постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

УДК 621.313

. В. ПЕТРОЧЕНКО Л. Л. ФЁДОРОВ

Омский государственный университет путей сообщения Омский государственный технический университет

УДЛРНО-ЛКУСТИЧЕСКЛЯ ОБРЛБОТКЛ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МЛШИН ПОСТОЯННОГО ТОКЛ

В статье рассмотрена сущность ударно-акустической обработки (УЛО) коллекторов электрических машин постоянного тока (ЭПТ), представлена схема установки для УЛО ЭПТ, рассчитаны режимы для УЛО коллектора, приведено сравнение глубины и степени наклепа после обработки коллектора по существующей технологии — накатка роликом и предлагаемой технологии методом УЛО, приведены результаты исследований поверхности коллектора после УЛО на наличие «политуры», улучшающей коммутацию ЭПТ, сделаны выводы о целесообразности использования метода УЛО для финишной обработки коллекторов ЭПТ в условиях локомотиворемонтных депо.

Ключевые слова: электрическая машина постоянного тока, коллектор, ударноакустическая обработка.

Существующая технология ремонта коллекторов электрических машин постоянного тока (ЭПТ) электровозов [1] допускает в качестве финишной обработки рабочей поверхности коллектора накатку роликом [2, 3]. Накатка коллектора роликом, по сравнению с полировкой помимо снижения шероховатости рабочей поверхности коллектора преследует цель повысить износостойкость за счет создания на поверхности наклепанного слоя.

Из источника [4] известно, что электропроводность наклепанной меди снижается, что ухудшает коммутацию ЭПТ. Для повышения износостойкости рабочей поверхности коллектора без снижения электропроводности меди предлагается использовать ударноакустическую обработку (УАО) коллектора.

Ударно-акустический метод обработки относится к одному из способов поверхностно-пластического деформирования материалов (ППД). Поверхностнопластическое деформирование осуществляют для формирования микрорельефа и улучшения физикомеханических свойств поверхностного слоя.

Способ обработки рабочей поверхности коллектора с применением ударно-акустического метода представляет собой обработку рабочей поверхности коллектора с регулированием мгновенных (ударных) сил и изменением относительных скоростей инструмента и изделия при точечном или пунктирном сканировании поверхности [5].

Такой способ позволяет значительно увеличить контактную площадь поверхности, получить стабильные остаточные напряжения, высокую микротвердость и теплопроводность образованных структур, совместить необходимые триботехнические характеристики пар трения коллектор-щетка.

Для реализации этого способа использовалась установка (рис. 1), разработанная на кафедре «Технология машиностроения» машиностроительного факультета ОмГТУ, собранная на базе токарно-винторезного станка ФТ-11.

Установка состоит из корпусной детали 1, преобразователя магнитострикционного 2, ультразвукового инструмента 3 с криволинейной рабочей поверхностью 4, подвижной опоры 5, пружины 6, ограничителя 7, опорной поверхности 8, винтовой пары 9, коллектора 10, суппорта станка 11.

Режимы для УАО рассчитывались согласно [6].

Расчетная подача инструмента определяется по формуле:

°расч

= 2-^ -[і - КП ],

(1)

где Я1 — радиус индентора, мм; h — глубина внедрения индентора в поверхность заготовки, мм; Юп — коэффициент перекрытия в направлении подачи, показывающий какая часть площадки контакта в направлении подачи перекрывается соседней.

Частота вращения якоря определяется по формуле:

60! - л/2я2ь~

расч

-[1 - К],

(2)

где / — частота магнитострикционного преобразователя, Гц; Я2 — радиус обрабатываемой поверхности детали, мм; Кпп — коэффициент перекрытия в окружном направлении.

Сила статического прижима при обработке коллектора определяется по формуле:

Рст = 1,33И - а т ^Я1Я2 - (2 - КП) -д/1 - 4(1 - КП)2 , (3)

где <гт — предел текучести материала, МПа.

Коэффициенты перекрытия выбирались из [6]: К8 = 0,84, Кп = 0,997.

п ' ' п '

Согласно формуле (1) и следующим условиям: Я1 = 3 мм; Л = 0,02 мм; К8п = 0,84 определялась расчетная подача ультразвукового инструмента врасч, мм/об:

Рис. 1. Установка для ударно-акустической обработки коллектора: 1 - корпусная деталь; 2 - преобразователь магнитострикционный;

3 - ультразвуковой инструмент; 4 - криволинейная рабочая поверхность инструмента; 5 - подвижная опора; 6 - пружина; 7 - ограничитель; 8 - поверхность опорная;

9 - винтовая пара; 10 - коллектор; 11 - суппорт станка

Глубина, 1 ►

Рис. 2. Зависимость микротвердости поверхностного слоя медных образцов от глубины наклепанного слоя: 1 - токарная обработка;

2 - ударно-акустическая обработка; 3 - накатка роликом

Рис. 3. Исследуемая поверхность образца после УАО

®расч = 2 • л/2-3-0,02 • [1 - 0,84] =

= 2 • 0,346- 0,16 = 0,11 мм/об.

Согласно паспорту станка ФТ11 [7], фактическое значение подачи вф = 0,1 мм/об.

Исходя из условий: /= 17600 Гц; Л2 = 45 мм; Кпп =

= 0,997 по формуле (2) определялась расчетная частота вращения п : ш

г расч ^

Е

■ 17600. У2 -45 -0.02 ^ _ 0 9д7];

60

3,14 ■ 45

1056000.1,34.0,003

—-------------------— 30,04 об/мин М

141,3 об/мим. ш

Согласно паспорту станка ФТ11, выбиралась фактическая частота вращения якоря Пф = 31,5 об/мин.

С учетом полученных фактических значений вф и Пф были определены значения фактических коэффициентов перекрытия:

прасч

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

о

О

10000 -|

г

0І

£

£ те■

.І-н ° св 1 и 1 о 1 £

1

1 1 1

Рис. 4. Результаты рентгенофлуоресцентного анализа

Таблица 1

Результаты рентгенофлуоресцентного спектрального анализа

Элемент Энергия (кеУ) Массовая доля, % Погрешность, % Атомная доля, % Катион, К

Углерод, С 0,277 16,92 0,27 49,40 3,2846

Кислород, О 0,525 2,91 0,13 6,37 3,2110

Медь, Си 8, 040 80,17 0,22 44,23 93,5044

Всего - 100 - 100 100

Таблица 2

Результаты рентгенофлуоресцентного анализа на наличие оксидов

Элемент Энергия (кеУ) Массовая доля, % Погрешность, % Молярная доля, % Оксид Массовая доля, % Катион, К

Углерод, С 0,277 13,58 0,22 51,00 - 13,58 3,3936

Кислород, О - 17,38 - - - - -

Медь, Си 8, 040 69,04 0,24 49,30 СиО 86,42 96,6064

Всего - 100 - 100 - 100 100

К5пф = 1 ■

°расч

Кп = 1 -пф 60! ^2 • Я1И

(4)

(5)

кпф = і -

0,1

2 • V2 • 3 • 0,02 31,5 • 3,14 • 45

1 - 0,145 = 0,855

кпф =1 - - ,----------

ф 60 • 17600 • т]2 • 3 • 0,02

= 1 - 0,09 = 0,987

По формуле (3), согласно полученным в результате расчета фактическим коэффициентам перекрытия, определялась сила статического прижима:

Я. = 3 мм; Л = 0,02 мм; К ф = 0,855; Я2 = 45 мм;

1 ' ' ' Пф ' 1 2 1

стт = 70 МПа [8].

Рст = 1,33 • 0,02 • 70 • л/3 • 45 • (2 - 0,855) • ^1 - 4(1 - 0,855)2 =

= 1,862 • 11,618 • 1,145 • 0,957 = 23,7 Н.

Полученные в результате расчетов режимы использовались для УАО коллектора: частота вращения коллектора л = 31,5 об/мин, подача ультразвукового инструмента в = 0,1 мм/об, частота колебаний инструмента Ї = 17600 Гц, сила статического прижима Рст = 23,7 Н. Исходная твердость меди НВ = 400 МПа, марка меди М0, исходная шероховатость после предварительной токарной обработки Яа = 2,5 мкм.

После ударно- акустической обработки шероховатость рабочей поверхности коллектора уменьшилась до Яа = 0,8 мкм.

Для оценки степени и глубины наклепа меди после УАО, накатки роликом и токарной обработки образцы из меди марки М0 подвергались каждой из перечисленных видов обработки, изготавливались шлифы, и измерялась твердость на микротвердомере мод. ПМТ-3М в зависимости от глубины.

По результатам измерений были построены графики (рис. 2). Анализируя графики 1, 2 и 3, следует заключить, что степень наклепа на глубине 1 мм после токарной обработки составляет 30%. Степень наклепа меди после УАО и накатки составляет соответственно 40 и 39%. Максимальная глубина наклепанного слоя после УАО и накатки роликом составляет порядком 1,2 мм, что удовлетворительно согласуется с результатами исследований, полученных в работе [3]. Твердость меди после УАО составила НВ= = 780 МПа.

Степень наклепа коллекторной меди после УАО соизмерима со степенью наклепа меди после накатки роликом, следовательно, можно сделать выводы о целесообразности применения данного метода в качестве упрочняющей обработки при ремонте коллекторов ЭПТ.

На основании физики процесса УАО [9] авторами статьи была выдвинута гипотеза о насыщении поверхности меди кислородом с образованием оксидной пленки, состоящей из оксида меди СиО и внедренного углерода, по своему составу соответствующей так называемой «политуре», улучшающей коммутацию ЭПТ [10].

Для подтверждения этой гипотезы медные ролики диаметром 40 мм подвергались УАО с внедрением чешуйчатого серебристого графита, режимы обработки: частота вращения п = 31,5 об/мин, подача ультразвукового инструмента в = 0,1 мм/об, частота колебаний инструмента / = 17,6 кГц, сила статического прижима Рст = 23,7 Н. Был определен поэлементный состав данной пленки методом рентгенофлуоресцентного анализа с использованием растрового электронного микроскопа ЛБОБ ЛСМ-5700. Результаты анализа представлены на рис. 3, 4 и в виде таблиц 1, 2.

Анализируя результаты проведенных исследований необходимо отметить высокое содержание оксида меди на поверхности коллектора (86,42%), а также наличие внедренного углерода (13,58%), являющегося составной частью «политуры».

Выводы.

Предлагаемый метод обработки рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока может применяться в качестве упрочняющего метода за счет образования упрочненного слоя глубиной порядком 1,2 мм твердостью на поверхности НВ = 780 МПа, что соответствует глубине наклепанного слоя и твердости после накатки роликом. Проведенный рентгенофлуоресцентный анализ на наличие оксидов на рабочей поверхности кол-

лектора после УАО с внедрением графита подтвердил присутствие на поверхности оксида меди (86,42%), а также наличие углерода (13,58%), что позволяет сделать вывод о наличие на рабочей поверхности «политуры» улучшающей коммутацию ЭПТ. Полученные результаты исследований позволяют считать метод ударно-акустической обработки целесообразным в качестве финишной обработки коллекторов ЭПТ в условиях локомотиворемонтных депо.

Библиографический список

1. Правила ремонта электрических машин электроподвиж-ного состава [Текст]. (В ред. Указаний МПС России от 17.12.1996 № Н-1110у и от 15.12.1997 г. № К-1426у). — 106 с.

2. Пат. 34540 Российская Федерация, МКИ3 7 С 21 Б 1/40. Устройство для упрочнения коллекторов электрических машин [Текст] / В. Д. Авилов, А. А. Ражковский, А. В. Солдаткин; заявитель и патентообладатель Омск. ОмГУПС. № 2003116456/20 ; заявл. 03.06.2003 ; опубл. 10.12.2003, Бюл. № 34.—3 с. : ил.

3. Солдаткин, А. В. Исследование влияния поверхностной пластической деформации при ремонте коллекторов ТЭД [Текст] / Потенциал железнодорожного образования и науки на рубеже 21 века : сетевой инновационный форум «Транс-Сибвуз-2000» : матер. Междунар. на-уч.-техн. конф. / Омский гос. университет путей сообщения. — Омск, 2000. — С. 165 — 167.

4. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием [Текст] : справочник / Л. Г. Одинцов. — М. : Машиностроение, 1987. — 328 с.

5. Телевной, А. В. Технологические процессы повышения конструкционной прочности деталей машин [Текст] : учебное пособие для вузов / А. В. Телевной, В. А. Телевной. — Омск : ОмГТУ, 1993. - 122 с.

6. Скобелев, С. Б. Повышение износостойкости деталей пар трения путем выбора рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки [Текст] : дис ... канд. техн. наук / С. Б. Скобелев. — Омск, 2010. — 164 с.

7. Руководство по эксплуатации. Станок токарно-винторезный повышенной точности, модель ФТ-11 [Текст]: ФТ-11 00.000 РЭ, 1981. — 61 с.

8. Смирягин, А. П. Промышленные цветные металлы и сплавы [Текст] / А. П. Смирягин. — М. : Металлургиздат, 1956. — 555 с.

9. Телевной, А. В. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности / А. В. Телевной, А. А. Федоров // Омский научный вестник. — 2006. — № 3(36). — С. 104—107.

10. Кунц, И. С. Скользящий контакт электрических машин [Текст] / И. С. Кунц. — М. : Энергоатомиздат, 1948. — 132 с.

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения.

Адрес для переписки: е-шаИ: c.o.r.d.84@mail.ru ФЁДОРОВ Алексей Аркадьевич, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: е-шаП: aafedorov83@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 08.04.2011 г.

© С. В. Петроченко, А. А. Фёдоров

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ