CC BY
61
ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРОПРИВОД
УДК 621.336.2
С.А. Ступаков, канд. техн. наук, доц.,
(3812) 31-18-66, 8-903-982-7903, [email protected]
(Россия, Омск, ОмГУПС)
ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ИЗНАШИВАНИЯ КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
Приведены результаты экспериментальных исследований изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта. Предлагаются математические модели электромеханического изнашивания и методика их использования. Приводится методика прогнозирования ресурса контактных пар.
Ключевые слова: контактная пара, изнашивание, математические модели изнашивания, прогнозирование ресурса.
Одной из актуальных проблем при создании электрических транспортных систем является обеспечение надежной и экономичной передачи электроэнергии подвижному составу. Решение этой проблемы связано с разработкой новых или модернизацией существующих устройств токосъема. Передача электроэнергии электрическому подвижному составу осуществляется через скользящий контакт «контактный элемент - токопровод», вследствие чего элементы этой пары функционируют в условиях повышенного электромеханического износа. Повышение срока службы элементов контактной пары может быть обеспечено за счет выбора материалов, позволяющих обеспечить качественный токосъем, и оптимальных параметров эксплуатации. В 2001 г. в России введена в эксплуатацию трасса Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС), основной
проблемой которой является высокий износ контактных элементов (КЭ) токоприемников при передаче электрической энергии на борт электроподвижного состава (срок эксплуатации КЭ составляет не более 14 дней).
Для решения проблемы проведены экспериментальные исследования, направленные на выбор материалов контактных пар, наилучшим образом отвечающих требованиям качества токосъема и износостойкости. На основании результатов экспериментальных исследований созданы математические модели, позволяющие выполнять расчет износа контактных пар.
Методика экспериментальных исследований
Фрикционное взаимодействие элементов трибосистемы «контактный элемент - токопровод» представляет собой нелинейный процесс [1], который определяется большим количеством взаимосвязанных факторов -как внутренних (физико-химические свойства материалов пары трения), так и внешних (динамические нагрузки, наличие электрического тока в контакте, температура элементов контактной пары, параметры внешней среды и др.).
Методика исследований изнашивания элементов трибосистемы «КЭ - токопровод» предполагает варьирование следующих параметров: контактного давления, скорости относительного движения элементов пары трения, режимов движения (возвратно-поступательное или однонаправленное), полярности и силы электрического тока, параметров окружающей среды (влажности, запыленности, температуры) и др.
Для каждого сочетания материалов контактной пары выполнялись последовательные исследования износа материалов:
- от механической нагрузки в контакте (трибосовместимость, зади-ростойкость и износостойкость);
- от токовой нагрузки (переменный ток, постоянный ток при анодной и катодной поляризации КЭ);
- от внешних параметров (запыленности, влажности, температуры, и др.) при наличии токовой нагрузки.
Экспериментальные исследования износа контактных пар со сложной геометрической поверхностью, характерной для систем токосъема монорельсового транспорта, выполняются на специализированной установке [2] возвратно-поступательного типа (рис. 1). Для реализации методики исследований конструкция установки позволяет выполнять подключение различных модулей: для исследования силы трения в скользящем контакте (с помощью датчиков силы трения), для исследования износа при высоких или низких температурах (посредством устройства подачи в зону контакта водогазовой смеси и хладагента), для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон токопровода и др. Кроме этого, установка дополняется внешними модулями - аэродинамическим и модулем токовой нагрузки.
Рис. 1. Установка возвратно-поступательного типа
Механическая часть установки представляет собой станину с направляющими, на которых установлено подвижное основание 1. На основании закреплен токоприемник с контактным элементом 2, взаимодействующий с токопроводом 3. Возвратно-поступательное перемещение основания 1 осуществляется приводом, блок 4 предназначен для подключения перечисленных выше модулей. Помимо возвратно-поступательного установка позволяет выполнять исследования при однонаправленном движении. Одностороннее движение реализуется с помощью копира 5,установленного на тяге. При движении ролика 6 по поверхности копира токопровод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют. При возвратно-поступательном режиме в зоне контакта образуется значительное количество частиц износа, воздействующих на элементы контактной пары как абразив. Односторонний режим движения соответствует реальному процессу взаимодействия.
При испытаниях контактных пар варьировались следующие параметры: нажатие в контакте - 10 80 Н; токовая нагрузка - переменный и постоянный ток (с анодной и катодной поляризацией контактного элемен-та) - 300 А; запыленность окружающего воздуха - 2-И 5 мг/м ; относительная влажность окружающего воздуха - 60-И 00 %, материал токопровода -БрНХ. Материалы КЭ:
• ПМГ - медно-графитовый композит, изготовленный способом порошковой металлургии. Используется для изготовления эксплуатируемых в настоящее время КЭ для ММТС;
• бронза - БрОЦС 5-5-5;
• сталь - конструкционная сталь;
• металлокерамика - металлокерамические накладки на медной основе для токоприемника магистрального электроподвижного состава.
Изнашивание материалов при наличии токовой нагрузки в контакте определяется многими факторами: родом тока (переменный или постоянный), силой тока (или его плотностью), полярностью тока (анодная или катодная поляризация контактного элемента), температурой (градиентом)
элементов контактной пары, параметрами внешней среды (температурой, влажностью, наличием абразива) и др.
Форма графика изнашивания материалов при наличии токовой нагрузки в контакте принимает вид ^/-образной кривой как при переменном, так и при постоянном токе. Для всех исследуемых материалов наблюдается незначительное смещение минимума износа в сторону более высоких значений нажатия (при сравнении износа на переменном и постоянном токе в контакте). При сравнении графиков износа анодно- и катодно-поляризованных контактных элементов можно отметить следующее:
- для анодно-поляризованных КЭ из металлокерамики значение минимума износа ниже, чем для катодно-поляризованных;
- для анодно-поляризованных контактных элементов из медногра-фитового композита, бронзы и стали значение минимума износа выше, чем для катодно-поляризованных.
На рис. 2, а - г приведены ^/-образные зависимости электромеханического износа КЭ и приняты следующие обозначения: 1 - переменный ток; 2 и 3 - постоянный ток (2 - анодная и 3 - катодная поляризация КЭ).
В случае повышения плотности тока в контакте наблюдается снижение интенсивности изнашивания элементов пары трения. Это явление обусловлено возникновением в зоне контакта нового фактора - квазижидкого смазочного слоя (эффект токовой смазки). Однако оценку этого эффекта можно выполнить только при токосъеме без искрения, которое обуславливается как минимальными значениями механической нагрузки, так и повышенными значениями запыленности и влажности окружающей среды. Кроме этого, повышение плотности тока в контакте сопровождается ростом температуры элементов контактной пары, что, в свою очередь, приводит к увеличению их износа.
Анализ результатов эксперимента показывает, что наличие в контакте привнесенного абразива при токовой нагрузке (как постоянный, так и переменный ток) увеличивает значения износа всех исследуемых материалов, при этом форма кривой изнашивания (^-образная зависимость) сохраняется. Наименее износостойким при воздействии абразива является меднографитовый композит.
В реальных условиях эксплуатации повышение влажности окружающей среды сопровождается ухудшением качества токосъема в результате образования конденсата на токопроводе, что приводит к повышенному искро- и дугообразованию. Повышение влажности окружающей среды до 100 % в зоне исследований незначительно изменило минимальные значения износа исследуемых материалов по отношению к исходным значениям износа. Это объясняется тем, что минимальные значения электромеханического износа наблюдаются при значениях контактного нажатия, которое характеризуется отсутствием (или минимумом) искрения. При малых значениях нажатия износ значительно увеличивается у всех исследуе-
мых материалов, что объясняется повышенным искрением и дугообразо-ванием в условиях повышенной влажности.
Рис. 2. Электромеханический износ: а - ПМГ; б - бронза; в - сталь; г - металлокерамика
Результаты экспериментальных исследований изнашивания далее используются для расчета срока службы элементов контактной пары, исходя из условия минимума износа как КЭ, так и токопровода.
Методика моделирования электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема
Реализация методики экспериментальных исследований изнашивания элементов контактных пар устройств токосъема требует наличия специализированных экспериментальных комплексов, а также значительных затрат времени и ресурсов. Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован комбинированный способ - совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема. В соответствии с разработанной методикой необходимый объем экспериментальных исследований выполняется с помощью специализированного комплекса, а полученные результаты служат входными данными для дальнейшего выполнения расчетов и прогнозирования ресурсов контактных пар.
Контактная пара устройства токосъема электрического транспорта представляет собой узел, который функционирует в условиях электромеханического изнашивания. В связи с этим сформированы математические модели, позволяющие моделировать изнашивание от нагрузки в контакте и от токовой нагрузки. Входными данными для моделирования являются сведения о физико-механических и химических свойствах материалов элементов контактных пар устройств токосъема, о геометрических размерах и форме элементов, а также об условиях эксплуатации устройств токосъема.
Для каждой контактной пары «контактный элемент (КЭ) - токопро-вод» выполняются экспериментальные исследования, при которых значения параметров эксплуатации (нажатие в контакте, скорость движения, токовая нагрузка и др.) ограничивают только граничными (минимальным и максимальным) значениями диапазона каждого параметра. Определение значений износа в остальных точках диапазона выполняется расчетным путем. После построения зависимостей изнашивания могут быть выполнены экспериментальные исследования для диапазона, характеризующегося минимальным износом. Это позволит уточнить значения, полученные расчетным путем, и при необходимости выполнить корректировку расчета.
Уравнение для решения задачи об оптимальных условиях механического изнашивания при поиске области оптимума приведено в работе [3] Э.Д. Брауна, Ю.А. Евдокимова, А.В. Чичинадзе. В этом уравнении в соответствии с положениями теории подобия в соответствующие критерии были объединены следующие факторы:
первый критерий - нагрузка в контакте, удельная теплоемкость, теплопроводность;
второй критерий - скорость скольжения, время испытания; третий критерий - твердости элементов пары трения. Еще один критерий, который входит в уравнение в виде самостоятельного фактора, показывает содержание в материале меди. В качестве параметра оптимизации принят износ массы 1М. Однако анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных при различных параметрах окружающей среды, подтвердил необходимость внесения в модель критериев, учитывающих состояние окружающей среды.
Таким образом в модель включены следующие факторы: нагрузка на образец Р, Н; интегральный коэффициент поверхности r, м; скорость скольжения и, м/с; время испытания t, c; содержание меди в материале контактного элемента М, %; твердость материалов КЭ и токопровода Н1 и Н2; теплопроводность материала контактного элемента Вт/(мК); удельная теплоемкость токопровода с2, Дж/(кгК); относительная влажность окружающей среды ф, %; количество абразива (запыленность) х, %.
Воспользуемся уравнением для вычисления износа, приведенным в работе [3], дополнив его факторами, учитывающими состояние внешней среды:
\ат
1м{Р) = ° О
г\)
Фо Ф1
41111
хо
XI
Л05»/
(1)
где а0 - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; ат, уш, £пь сош - коэффициенты, определяемые экспериментально; /{г^Х^ - комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента - передавать тепло); у ¿/г- отношение пути трения к коэффициенту поверхности контактного элемента; Т^//^ ~~ отношение твердостей элементов контактной пары; М - симплекс, учитывающий содержание меди в элементе контактной пары; Ф1/Ф2- отношение среднего значения относительной влажности окружающей среды за пять лет к значению относительной влажности на момент исследований, XI ~~ отношение среднего значения запыленности окружающей среды за пять лет к значению запыленности на момент исследований. После обработки экспериментальных данных получены значения коэффициентов уравнения (1).
Изнашивание контактных пар устройств токосъема от воздействия электрического тока можно представить с помощью функциональной зависимости между такими факторами как дугостойкость материала; количество электричества, прошедшее через дугу; контактное нажатие; длина пути трения; комплекс, учитывающий изменение шероховатости поверхностей; комплекс, учитывающий износ при токовой нагрузке без искрения; температура элементов контактной пары от токовой нагрузки.
Процессы, происходящие в электрическом скользящем контакте, описаны в работе [4] Р. Хольма; там же приведена формула для определения электрического износа элементов контактной пары:
Ж = у £> + ^
(2)
где у - коэффициент, характеризующий дугостойкость материала; Q - количество электричества, прошедшее через дугу; - коэффициент износа от механической нагрузки (без тока); Р - контактное нажатие; я - длина пути трения; g— коэффициент, характеризующий изнашивание материала вследствие повышения шероховатости поверхностей; Щ - коэффициент износа при токовой нагрузке без искрения.
Кратковременные потери контакта при токосъеме сопровождаются возникновением искрения (дугообразования), которое увеличивает значения износа: возникает испарение материала с поверхностей контакта, повышается их шероховатость и температура. Процесс изнашивания контактных пар при протекании через контакт тока заключается во фриттинге пленок поверхностей и электролизе, а также зависит от температурного
градиента
' * \ дт
д2
V у
по нормали к поверхности трения, где Т - средняя тем-
пература номинальной поверхности трения, г - координата по нормали к поверхности трения.
На основании анализа результатов экспериментальных исследований электромеханического износа материалов контактной пары выполнено преобразование уравнения (2) к форме, приведенной в работе [5]. Дополним его составляющей, которая позволит учесть температурный градиент поверхностей, и запишем:
1е(Р)
3(7\ф,Х)
где - коэффициент, зависящий от дугостойкости материала и
характеризующий электроэрозионный износ с учетом температурного градиента;
У = т(Аз>0 ~~ коэффициент дугостойкости, который зависит от материала, рода тока и полярности элемента контактной пары;
Q-Q{I,nJ) - количество электричества, которое определяется сред-
коэффициент влияния температурного гради-
ним значением тока дуги, количеством искрении и временем их горения; Т = аТа*+ь(—У3"
ента на интенсивность изнашивания - экспериментальные ко-
эффициенты);
£ - масштабный коэффициент перехода;
ЫУ3'"
- комплекс (см. уравнение (1);
X
1
\ г у
кх =^(-Ра), где а = 1,4-10 Зк3; к2 = к2 ), где р = 3,3 • 10"2 къ;
/с3 е [1; 2] - коэффициент, учитывающий род тока (переменный или постоянный) и полярность контактного элемента (анодно- или катодно-поляризованный);
Х2 = {М У™ - коэффициент, учитывающий содержание меди в материале (см. уравнение (1);
- коэффициент, учитывающий содержание графита в материале, %;
&(Г,ср,х) - коэффициент, характеризующий состояние окружающей среды (температуру, влажность, запыленность).
На рис. 3, а показаны графики (расчет и эксперимент) электромеханического изнашивания КЭ, на рис. 3, б - то же для токопровода; приняты следующие обозначения: 1 - расчет механического износа; 2 -расчет электрического износа; 3 - суммарная расчетная зависимость электромеханического износа; 4 - электромеханический износ (экспериментальные данные).
Сравнение ^/-образных расчетных и экспериментальных кривых изнашивания (рис. 3), показывает, что отклонение данных составляет не более 6 %. В связи с этим достаточно выполнить эксперимент только для граничных значений диапазона контактного нажатия, а полученные данные использовать в качестве входных значений для расчетов зависимостей изнашивания на математической модели. В случае необходимости уточнения границ диапазона, характеризующегося минимальными значениями износа элементов контактной пары, может быть выполнен дополнительный эксперимент.
16
мкм/км 8 4 О
..... 3
2^
1 __
25 45
Р--
Н
85
3
мкм/км
- 3
2 \ /4 У
1
25 45 II
Р--
85
О
Рис. 3. Расчетные и экспериментальные графики изнашивания а - меднографитового КЭ, б - токопровода
Прогнозирование ресурса контактной пары «КЭ — токопровод»
Необходимым условием прогнозирования износа контактных пар является получение результатов эксперимента (или расчета), а также наличие сведений о режимах эксплуатации устройств токосъема: скорости движения, контактном нажатии, значении тягового тока и напряжения, сведений об окружающей среде и т.п. На рис. 4, а показан график контактного нажатия Ркт на участке трассы длиной L; отклонения соответствуют ударам КЭ при прохождении стыков токопровода.
Реальный график контактного нажатия Ркт с учетом динамики подвижного состава от состояния пути и особенностей токопровода, токовой нагрузки, а также влияния других факторов может быть получен в результате пробных поездок подвижного состава. График Ркт может быть также
117
получен в результате расчетов, выполнных с учетом условий эксплуатации (длин пролетов, стрел провеса токопровода и т. д.).
Затем выполняется обработка графика контактного нажатия Ркт на заданном участке: определяется среднее значение контактного нажатия, значения предельных отклонений (и количества отклонений). Далее выполняется определение износа элементов контактной пары с использованием графиков, полученных при обработке экспериментальных исследований. Окончательный расчет износа КЭ и токопровода, а также прогнозирование их ресурса осуществляется путем компьютерной обработки графика контактного нажатия и зависимостей изнашивания контактной пары.
100 Н
60 р 40
*кт 20 0
t
1 1 1 'TL 1—
н и
10
мкм/км 6 4
Ук 2 0
t
100 200 300 400 500 600 700 800 м 1000
L-►
а
mLm -Li. II LhL . 1 .
100 200 300 400 500 600 700 800 м 1000
L-►
100 200 300 400 500 600 700 800 м 1000
I-►
В
Рис. 4. Графики для прогнозирования срока службы элементов контактной пары: а - контактного нажатия; б - износа контактного элемента;
в - износа токопровода
Выводы:
1) создана математическая модель расчета электромеханического износа контактных пар устройств токосъема;
2) методика и результаты исследований использованы при выборе материалов контактных элементов токоприемников монорельсовой системы ОАО «Московские монорельсовые дороги».
Список литературы
1. Чичинадзе А.В., Браун Э.Д., Гинзбург А.Г., Игнатьева З.В. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар. М.: Наука, 1979. 267 с.
2. Сидоров О.А., Ступаков С.А., Голубков А.С., Кутькин А.Н., Филиппов В.М. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом. Патент на полезную модель №58463. МПК B60L 3/12. Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33. 2006.
3. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А. В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982. 191 с.
4. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Иностранная литература, 1961. 480 с.
5. Ступаков С.А., Филиппов В. М., Охрименко Т.В. Математическое моделирование износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №1. 2011. С. 240 - 243.
S.A. Stupakov
MATTERS OF RESERCHES OF WEAR CONTACT PAIRS OF PICKUP DEVICES MONORAIL ELECTRIC TRANSPORT
Results of experimental researches of wear contact pairs of pickup devices electric transport are considered in the article. In the article are proposed mathematical models of wear contact pairs of pickup devices electric transport and research technique. Prediction technique of durability contact pairs are presented in the article.
Key words: contact pair, wear, mathematical simulators of wear, prediction of durability.
Получено 17.05.12
