книги из ГПНТБ / Аврух, В. Ю. Устройство и эксплуатация щеточных узлов современных турбогенераторов и турбовозбудителей

Таблица 4-1 Износ контактных колец и щеток турбогенераторов

При этом коэффициенты вариации износа щеток для колец обеих полярностей, существенно отличаются. Для щеток отрицательной полярности, где величина коэффи­ циента вариации выше, можно предположить, что харак­

терным для скользящего контакта является большая не­

равномерность трения и токораспределения по щеткам.

Подтверждением этому служит также нестабильность переходного падения напряжения, среднеквадратичное

отклонение которого во времени даже при 64 параллель­

но работающих щетках на кольцах турбогенераторов

300 тыс. кВт составляет 0,7 В (среднее значение Δi7=

= 1,8LB). Указанные параметры для скользящего кон­ такта щеток положительной полярности составляют со­ ответственно 0,3 и 1,4 В.

Йсследование зависимости между скоростью изнаши­ вания щеток и их твердостью и скоростью изнашивания щеток и переходным сопротивлением в заделке токове­

дущего провода показало, что связь между изучаемы­ ми показателями весьма слаба.

Статистическая обработка экспериментальных дан­

ных показывает, что неравномерное токораспределенш вызывает большой разброс скорости изнашивания электрощеток. Эти наблюдения хорошо согласуются

с данными [Л. ГО], согласно которым зависимость меж­ ду коэффициентом вариации скорости изнашивания ще­ ток и распределения тока в последних имеет линейный

41

характер (рис. 4-І). Неравномерный износ щеток явля­ ется признаком неравномерного токораспределеиия меж­ ду ними и зависит от многих причин, среди которых важнейшими являются характеристики и конструкция

тами: с одной стороны металл, отличающийся достаточно узкими значениями разброса свойств, с другой стороны—углеграфитовый материал, изготовленный методами порошковой ме­

таллургии, с характерным для таких материалов непостоянством величины контактной поверхности, инди­ видуальной обособленностью частиц, малой прочностью связи между частицами, отличающийся значительно большим разбросом свойств, чем металл с электропро­ водностью, увеличивающейся с ростом температуры.

Применяемые для контактных колец марки стали об­ ладают сравнительно низкой окислительной способ­

ностью.

Основные процессы протекают на поверхности разде­ ла сочлененных подвижных пар (металл — углеграфито­

вый материал) электрической цепи, а также в месте за­ делки токоведущего провода в углеграфитовый матери­ ал. Работа скользящего контакта вызывает различные

виды механического, электроэрозионного износа и кон­ тактной коррозии материалов.

Электроэрозионные и физико-химические процессы,

а также процессы трения и изнашивания, происходящие на поверхности раздела пары, являются термически а&-

42

тивируемыми процессами и изменяются при изменении количества энергии, выделяемой в контакте. Интенсив­ ность процессов зависит как от локальной температуры в точках проводимости, так и от общей температуры от­ дельных элементов контактной пары.

Воздействующие при эксплуатации факторы в усло­ виях активной работы элементов влияют на процессы воз­ никновения отказов путем постепенного изменения ха­ рактеристик и параметров элементов под воздействием

выделяющегося в контакте тепла в результате электри­

ческих и механических потерь, процессов деформации и

разрушения, изменения точек проводимости в условиях воздействия изменяющихся нагрузок и температур.

Постепенное изменение характеристик и параметров скользящего контакта при достижении некоторых опре­

деленных значений вызывает интенсификацию процес­ сов.

Дальнейший характер изменения процессов во време­

ни под влиянием эксплуатационного воздействия зависит от типа этого воздействия. При воздействиях, подчиняю­ щихся определенным закономерностям, происходит по­ стоянное накопление количественных изменений, кото­ рые при достижении определенной критической величины ведут к качественным изменениям, приводящим к необ­ ратимым процессам и отказам. При случайных воздейст­

виях в зависимости от их интенсивности характер изменений может либо повторять вышеописанный, либо, если воздействие чрезвычайно велико, приводить непосредственно к качественным изменениям, т. е. отказу.

Явления, происходящие в скользящем контакте, мож­ но объяснить исходя из механизма образования прово­ димости переходного слоя. Прохождение тока между двумя поверхностями осуществляется как через площад­ ки непосредственного контакта, разделенные газовой оболочкой или поверхностной пленкой, так и благодаря

проводимости тока через частицы износа щеток и колец. Так как первый вид проводимости имеет решающее зна­ чение, то задача подбора контактирующей пары приво­ дит к необходимости определения материалов, обеспечи­ вающих большую площадь фактического касания. Это важно особенно в связи с тем, что при существующих удельных нажатиях на щетку в точках реального сопри­ косновения давление может достичь величин, лежащих

43

в области предела текучести металлов (несколько тонн на 1 см2).

C достаточной точностью для вычисления площади фактического касания можно воспользоваться формулой Герца [Л. 1], выведенной в предположении об идеально упругом контакте двух абсолютно

ГЯк Ящ ’ Æ - Ek + Em ’

Як, Ящ — радиус контактного кольца и радиус кривизны поверхности

скольжения щетки;

Ev, Ещ — модули упругости контактного кольца и щетки; b — ширина щетки (размер в плоскости вращения).

Контактирующие поверхности работают в зоне пре­ дела текучести материалов, поэтому по всей поверхно­ сти соприкосновения материал деформируется пластиче­ ски, кроме узкой краевой зоны. Исходя из этого, предпо­ ложим, что механическая составляющая износа,

связанная с динамическим воздействием контактирующих элементов и характеризующаяся постоянным изменением состояния поверхности контактирования, приводит в ко­

нечном счете к изменению характеристик, находящихся

в контакте тел. Причем* в механическом износе превали­ рующее значение имеет износ, определяемый пластичес­

кой деформацией материала в зоне контакта, связанный

сдействием сил трения (Л. 7]. Имеет место также износ

врезультате упругого деформирования (усталости контактных материалов), а также абразивный и фрик­ ционный вид износа.

Условия, определяющие увеличение износа при про­ хождении тока в скользящем контакте, связаны, по на­ шему мнению, с довольно высокой температурой точек контактирования даже при отсутствии искрения.

Высокие температуры в точках проводимости явля­ ются источником возникновения тепловых ударов. Дей­ ствие теплового потока в короткий промежуток времени

приводит к термическому расширению материала в зоне контакта, в результате чего возникают контактные теп­ ловые напряжения. Величины этих напряжений обуслов­ ливаются различием в коэффициентах термического рас­ ширения компонентов, образующих композицию. В пе-

44

риод возникновения контактных напряжении при тепло­ вом ударе появляются механические напряжения, воз­

действующие на контактирующиечастицы, которые спо­

собствуют образованию микротрещин на поверхности соприкосновения частиц. Последующие* тепловые ,и ме­ ханические удары ведут к развитию этих трещин, обра­ зованию новых вокруг данной, частицы и, наконец, к полному отрыву частицы.

Подобные явления могут возникать и в самой части­

це. В этом случае тепловые импульсы создадут концен­ трации напряжений в частице в силу большого градиен­ та температуры, и при наличии механического воздей­

ствия будет происходить разрушение этих частиц, т. е.

износ материала щеток.

Исходя из этих представлений, следует рассмотреть влияние отдельных факторов как эксплуатационного, так и технологического характера. Постоянные эксплуатаци­ онные воздействия приводят к образованию на контакт­ ной поверхности толстого слоя частиц щеток. Электриче­ ские потери в контакте резко увеличиваются, и появля­ ется искрение. Это еще более ускоряет процесс

изнашивания. В этих условиях к материалу щеток должны предъявляться определенные требования, из ко­ торых наиболее важные с нашей точки зрения — это вы­ сокая теплопроводность, более однородный композици­ онный состав (материалы, входящие в состав щеток, должны значительно отличаться коэффициентом линей­ ного расширения), отсутствие частиц с повышенной

микротвердостью й примесей из различных соединений.

Значительное влияние на надежность эксплуатации узла токосъема турбогенераторов, срок службы щеток и контактных колец оказывают материал, из которого изготовлены контактные кольца, качество обработки по­ верхности скольжения и особенно конструктивное испол­ нение кольца.

Требуемые свойства у конструктивных сталей, при­ меняемых при 'изготовлении контактных колец, получа­ ются за счет отжига и нормализации, а также при закалке и высокотемпературном отпуске. Однако оба вида термообработки не обеспечивают требуемой одно­ родности структуры и, следовательно, физико-механиче­

45

личных мест, указывают на неодинаковую зернистость материала.

Влияние материала на работу скользящего контакта особенно проявляется из-за различной твердости, полу­ чаемой после высокотемпературного отпуска. Контакт­ ные кольца из стали марки 38ХВА имеют твердость рабочей поверхности 7∕b = 212—248, в то время как из

стали 35XH3MAP имеют твердость НБ =269—311. Если в первом случае при нормальном вибрационном состоя-

Рис. 4-2. Поверхность скольжения электро­

щеток с характерными дефектами.

нии узла контактных колец работа щеток с твердостью по Т/ф= 12—24 на минусовом кольце (марка ЭГ-2АФ) характеризуется устойчивым механическим контактом, то во втором случае при использовании щеток с теми же характеристиками наблюдается периодическое искрение, связанное с неустойчивостью скользящего контакта из-за неблагоприятного сочетания твердости пар трения, кото­ рое снижает срок службы элементов контактной пары. Причем лучшую работу показывает контактная пара, имеющая твердость щеток на верхнем пределе, т. е. для турбогенераторов с контактными кольцами, изготовлен­ ными из стали с высокими свойствами по твердости, не­ обходимо использование более твердых марок, например ЭГ2А, с твердостью /∕φ = 20. Одноименно для таких колец целесообразно осуществлять подбор из одной или нескольких партий одной марки по характеристикам

твердости.

46

Изучение процесса изнашивания щеток марки ЭГ-4

и продуктов их износа, взятых непосредственно из щеточ­

контактных колец менее 300 мкм, отсутствие видимого искрения), показало, что на скользящей поверхности электрощеток наблюдаются многочисленные углубления

ицарапины, располагающиеся по всей видимой поверх­ ности щеток. Образование подобных дефектов скользя­ щей поверхности электрощеток происходит за счет

неровностей кольца и попадания твердых частиц между щеткой и коллектором. Царапины, как видно из рис. 4-2,

иуглубления не имеют какой-либо преимущественной

ориентации и представляют собой образования различ­ ной формы и размеров, что связано с неодинаковым ме­ ханизмом их возникновения.

Это явление связано с тем, что при прохождении электрического тока в отдельных местах пленки, состоя­ щей из слоев окиси материала кольца, графита и внеш­ него слоя адсорбированного кислорода и влаги [Л. 11], происходит ее пробой с образованием побочных крате­ ров. При исследовании рабочей іТоверхности щеток было установлено, что «кратеры» чаще встречаются на щетках отрицательной полярности, т. е. там, где выше переход­ ное падение напряжения.

Анализ продуктов износа микроскопическими мето­ дами показывает, что по дисперсности они соответствуют продуктам износа, полученным в режиме с интенсивным искрением. Наблюдаются также отдельные частицы,

вырванные из материала щеток, являющиеся результа­

том переориентации частиц в поверхностном слое щетки. Фазовым рентгеноструктурным анализом было уста­ новлено, что, помимо углеводородистого продукта, в пы­

ли износа присутствует железо в количестве 25—30%,

а также большое количество кремния или двуокиси кремния.

Таким образом, проведенные исследования подтвер­ ждают предположенный ранее механизм изнашивания щеток, представляющий собой сочетание механико-теп- • ловых ударов и интенсивных электроэрозионных процес­

сов.

Необходимо, однако, отметить, что износ щеток и коэффициент трения определяются еще рядом других обстоятельств и характеристик. Среди них важнейшее

47

значение имеют характер динамических процессов, про­ исходящих в слое, разделяющем щетку и кольцо, а так­ же переходное сопротивление (переходное падение на­ пряжения). Поэтому скользящий контакт является одним из тех примеров, где зависимость износа щеток

от изменениякоэффициента трения не имеет однознач­ ного характера.

Объяснение этого явления состоит в том, что, как уже было установлено многими исследованиями скользящего

контакта, 'существуют два вида трения: трение через мельчайшие частицы (признаки трения качения) и тре­ ние двух скользящих зеркальных поверхностей. Большое значение при этом имеют температура нагрева контакт­ ной зоны и процессы адсорбции и десорбции водяных паров в контакте.

Расмотрение характеристик трения показало, что при работе щеток на цилиндрических контактных кольцах

коэффициент трения зависит как от марки щеток, так и от условий их работы. Влияние условий работы в зави­ симости от марки щеток сказывается по-разному. Из вышеупомянутых марок самая большая величина потерь

трения была отмечена у щеток марок ЭГ-4 и ЭГ-2АФ при'работе их без прохождения тока в скользящем кон­ такте. Для щеток этих марок суммарные потери трения

могут достигать 27 кВт для узла контактных колец тур­ богенератора мощностью 200 МВт, что, естественно,

может привести к опасному разогреву щеточного аппа­ рата. Однако в процессе работы под нагрузкой коэффи­ циент трения щеток марок ЭГ-4 и ЭГ-2АФ значительно уменьшается. Уменьшение происходит довольно быстро

уже при плотности тока 5 А/см2.

Коэффициент трения щеток марки ЭГ-2АФ уменьша­ ется при работе под нагрузкой при плотности тока 10 А/см2 до 0,014 и возрастает при холостом ходе до 0,36.

Это явление может быть объяснено, во-первых, тем, что при повышении плотности тока возрастает скорость износа щеток и в зоне контакта увеличивается чиело частиц износа, которые вызывают переход работы кон­ такта от трения скольжения к промежуточному виду — трению скольжения и качения.

Во-вторых, происходит образование окисной пленки с внедрением в нее частиц графита, в результате чего скользящий контакт работает в области граничного тре­ ния. При дальнейшем увеличении плотности тока мо-

48

жет произойти разрушение (пробой) пленки, а при высо-= ких температурах в контакте происходят процессы сва­ ривания (спекания) и увеличение коэффициента трения.

Уменьшение плотности тока в скользящем контакте не приводит к резкому увеличению коэффициента тре­ ния. Даже при мгновенном уменьшении плотности тока

Рис. 4-3. Характер изменения коэффициента трения в зависимости от плотности тока.

У щеток марки 61IOM по сравнению со щетками марок ЭГ-2АФ и ЭГ-4 нет такого резкого различия ха­ рактеристик работы в зависимости от наличия тока в

скользящем контакте, хотя и в этом случае прохожде­ ние тока в скользящем контакте играет существенную

роль, ведет к уменьшению коэффициента трения. Потери трения при работе щеток марки 61IOM лежат в преде­ лах 9,0—1,5 кВт. Характер изменения коэффициента трения в зависимости от плотности тока в скользящем

контакте в начальный момент работы при быстром из­ менении плотности тока для -щеток марок 61IOM и

ЭГ-2АФ и ЭГ-4 представлен на рис. 4-3.

При работе щеток марки 61,1 OM не обнаружено столь тесной взаимосвязи между коэффициентом трения и плотностью тока в скользящем контакте. В начальный период работы щеток по мере увеличения плотности тока

с увеличением проходящего в нем тока, так как в про­ цессе длительной работы щеток при колебаниях нагруз­ ки увеличение'плотности тока приводит в ряде случаев к увеличению потерь трения. Коэффициент трения ще­ ток марки 61IOM колеблется в пределах 0,15—0,040 при

изменении плотности тока от нуля до 10 А/см2.

Качество обработки поверхности скольжения кон­ тактного кольца оказывает существенное влияние на устойчивость работы щеточного контакта. Причем влия-

ниє чистоты обработки рабочей поверхности существен­ но различается для различных форм поверхности сколь­

жения. Эксперименты, проведенные на стенде, показали, что на контактных кольцах без нарезки следует избе­ гать чрезмерной полировки выше V7 поверхности сколь­ жения, так как в этом случае контакт становится меха­ нически неустойчив (рис. 4-4). Из рис. 4-4 следует, что

при чистоте рабочей поверхности контактного кольца Ѵ8

□

а — кольцо без нарезки с чистотой обработки ξ∕5; б — кольцо без нарезки с чистотой обработки γ8; в — кольцо с нарезкой с чистотой обработки γ5; г — кольцо с нарезкой с чистотой обработки γ9; t — время одного оборота.

контакт менее стабилен, в результате чего на осцилло­ граммах переходного падения напряжения наблюдается

Уров’ень пульсаций на осциллограммах переходного па­ дения напряжения снижается..

Механический износ контактных колец и щеток в зна­ чительной степени определяется специфическими усло­

виями работы узла контактных колец на консольной части вала ротора с амплитудой вибрации, часто превы­ шающей 300 мкм.

Контактные кольца ротора турбогенератора являют- ^ ся тем источником кинематических возбуждений, кото-

50