книги из ГПНТБ / Лившиц, П. С. Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация)

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Изучение характеристик и свойств электрического скользящего контакта и выявление общих закономерно­ стей их формирования позволяют перейти к рассмотре­ нию вопросов, относящихся к эксплуатации скользящего контакта непосредственно на электрических машинах. Одним из первых среди них является вопрос о выборе режима работы контакта. Основными показателями, определяющими режим работы скользящего контакта электрических машин, являются окружная скорость на поверхности скольжения коллектора или контактного кольца v, удельное нажатие электрощетки на эту по­ верхность р и плотность тока в скользящем контакте /. Значения трех перечисленных показателей для конкрет­ ной электрической машины определяются в процессе ее расчета и увязываются с соответствующими значениями, содержащимися в технической документации на электро­ щеточные материалы. При этом, естественно, учитывают­ ся данные эксплуатации ранее изготовленных электри­ ческих машин, личный опыт расчетчика и другая, имею­ щаяся в его распоряжении информация. К сожалению

и нет ли возможности для его последующего усовершен­ ствования. Между тем накопилось достаточное количест­ во данных, позволяющих произвести аналитическое ис­ следование параметров, определяющих режим работы скользящего контакта и показывающих, что практикуе­ мые способы выбора величин этих параметров не всегда создают оптимальные условия для работы контактных элементов. С целью подтверждения этого заключения вычислим величину полных потерь в электрическом

верхности всех установленных на машине электрощеток, см2 ; ц — коэффициент трения электрощеток о поверх­ ность скольжения; v — окружная скорость поверхности скольжения, м/с; 2AU— переходное падение напряжения на пару электрощеток положительной и отрицательной полярности, В; / — ток, протекающий через контакт, А..

Если при рассмотрении учесть, что в условиях использования скользящего контакта на электрических машинах всегда справедливо соотношение

где / — кажущаяся плотность тока в зоне контакта, то формулу (8-1) можно представить в виде

Поскольку для применяемой марки электрощеток значения А, В, С и D являются заданными, а / и / свя­ заны между собой соотношением (8-2), полные потери в скользящем контакте можно рассматривать как функ­ цию трех переменных:

Р = Ч>(Р, v, /)•

Влияние каждой из переменных на величину Р можно выявить путем аналитического исследования (8-4). Для этого дважды продифференцируем ее по каждой из трех переменных и выявим условия существования для нее экстремальных значений:

132

Из рассмотрения (8-5) и (8-6) следует, что влияние удельного давления р на величину полных потерь явля­ ется однозначным: по мере увеличения р значение Р мо­ нотонно возрастает. Очевидно, что в условиях эксплуа­ тации необходимо стремиться к выбору возможно мень­ ших значений нажатия на электрощетки. Пределом здесь являются значения, при которых может наступить нарушение механического взаимодействия между эле­ ментами контакта.

Принципиально по-другому проявляет себя влияние

обращающего первую производную (8-7) в нуль, рассма­ триваемая функция будет иметь максимум. При диффе­ ренцировании по / первая производная (8-9) обратится в нуль в случае, когда

(8-12) в выражение для второй производной (8-10) всег­ да будет давать dzP/dj2>0. Следовательно, исследуемая функция в данном случае будет иметь минимум.

Графическая интерпретация произведенных выкладок хорошо иллюстрируется рис. 8-1—8-3. Первый из них иллюстрирует наличие максимумов в кривой полных по­ терь в зависимости от v, второй показывает, как рас­ полагаются точки минимума этих потерь при различных

133

-Р

Рис. 8-1. Зависимость полных потерь в скользящем кон­ такте электрической машины заданной мощности от окружной скорости коллектора при использовании элек­ трощеток марок 611М (а), МГ64 (б), ЭГ74 (е) и

ЭГ2А (г)

значениях /. Сопоставление рассчитанных описанным образом У э и / э со значениями окружной скорости vr и плотности тока /Г , рекомендованными приложением к ГОСТ 2332-63, произведено в табл. 8-1.

134

Из табл. 8-1 следует, что для большинства марок электрощеточных материалов значения vr и va не совпа­ дают; это благоприятно сказывается на величине полных потерь, улучшая условия работы элементов контакта. В случае, когда имеет место сходимость значений иг и иэ

из условия минимума полных потерь. Отмеченный факт свидетельствует о принципиальной возможности повы­ шения плотности тока в контакте за счет уменьшения суммарной контактной площади электрощеток. Общие потери в контакте при этом снизятся. Если не стремить­ ся к снижению этих потерь, а оставить их на уровне тех,

терпретируются построениями рис. 8-3, из которых сле­ дует, что данное значение Р может иметь место при двух значениях /. При этом не следует упускать из виду, что речь идет о случае, когда равенство / = / м будет достиг­ нуто за счет соответствующего уменьшения суммарной контактной поверхности электрощеток, а не за счет ка­ ких-либо иных мер.

Изложенная методика определения оптимального ре­ жима работы скользящего контакта электрических ма­ шин базировалась на выполнении требования минимума полных контактных потерь. Поскольку при этом выяви­ лось, что для оптимизации режима следует повысить плотность тока в контакте по сравнению с рекомендуе­ мой ГОСТ, то возникает необходимость в дополнитель-

136

ном изучении последствий, к которым подобное увели­ чение может привести. В самом общем виде эта новая задача может быть сформулирована следующим обра­ зом: каковы возможные значения плотности тока в сколь­ зящем контакте и как возрастание этой плотности по­ влияет на процесс коммутации электрических машин?

Принципиальная возможность нормального функцио­ нирования электрического скользящего контакта при весьма значительных плотностях тока убедительно дока­ зана практикой работы рельсового электрифицированно­ го транспорта. Контактная пара «троллейный провод — лыжа пантографа» соприкасается с поверхностью, пло­ щадь которой составляет доли сантиметра, и через этот скользящий контакт длительно проходят токи до 1 520 А (электровоз Н8).

Приведенный пример заимствован из области, где условия работы элементов контакта отличны от тех, ко­ торые имеют место в электрических машинах. Что каса­

что хорошо пришлифованные электрощетки могут рабо­ тать без искрения на гладкой поверхности контактного

электрографитированной электрощетки, снятая на кон­ тактном кольце при плотности тока, достигавшей 108 А/см2 . Описывая процедуру испытания, М. Хейс от­ мечает, что при / = 85 А/см2 переходное падение напря­ жения теряло свою определенность. Контрольные при­ боры фиксировали возникновение явлений, которые можно было принять за интенсивное дугообразование, но дуг, видимых невооруженным глазом, при этом не на­ блюдалось {Л. 8-2]. В [Л. 8-3] сообщается, что если элек­ трощетка работает на коллекторе при практически активном сопротивлении коммутируемой секции, то искрения не наблюдается при средней плотности тока 225 А/см2 и плотности тока под сбегающим краем щетки 350—400 А/см2 . В [Л. 8-4] описывается замена жидкост­ ного контакта униполярной машины на электрощеточ­ ный. Благодаря тщательной обработке поверхности скольжения и установке щеткодержателей, обеспечиваю­ щих изменение угла наклона медно-графитной электро­ щетки в соответствии с рельефом рабочей поверхности

137

контактного кольца, была достигнута безыскровая рабо­

сама по себе большая плотность тока в скользящем кон­ такте не является причиной, достаточной для появления искрения. Эти сведения служат доказательством прин­ ципиальной возможности работы высоконагруженного контакта и в электрической машине. Что касается прак­ тической возможности подобной работы, то она доказы­ вается прямыми опытами. На рис. 8-4 воспроизведены заимствованные из различных источников безыскровые зоны ряда электрических машин при последовательном уменьшении суммарной площади установленного на них комплекта электрощеток. Первый из них — рис. 8-4,а по­

марки ЭГ4 с размерами сечения 12,5x25 мм. Зона 1 снималась, когда на машине находился полный комплект электрощеток, состоящий из 16 шт.; зоны 2 я 3 были

12 зона безыскровой коммутации не ухудшилась (в дан­ ном случае даже несколько улучшилась), а сам факт наличия широкой зоны при / я = 350 А указывает на воз­ можность дальнейшего увеличения тока якоря. После­ дующее уменьшение числа щеток до восьми не изменило ширины зоны в области номинального тока машины (7Н =210 А), хотя плотность тока в электрощетках при этом достигла 17,5 А/см2 . Анализируя результаты опи­

между ним и числом установленных на машине электро­ щеток представляется следующими цифрами:

Т. Г. Амбарцумова, Е. М. Коварского и Г. И. Гершкови- ча на электродвигателях постоянного тока мощностью до 20 кВт с окружной скоростью на поверхности сколь-

138