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

Возможности снижения ft электрографитированных электро­ щеточных материалов при подъеме контакта на высоту за счет вве­ дения пропитывающих веществ иллюстрируется данными табл. 4-3,

торой работает скользящий контакт. Об этом, в частности, свиде­ тельствует политетрафторэтилен, который в наземных условиях не влияет на (х, а в условиях высоты снижает его в 1,5—2,0 раза. Здесь уместно упомянуть о существовании гипотезы, согласно ко­ торой эффективность действия пропитывающих веществ на \i повы­ шается по мере увеличения длины молекулярной цепи органического вещества, используемого при пропитке (Л. 1-9]. Помещение скользя­ щего контакта в среду жидкого диэлектрика изменяет природу сил, формирующих коэффициент трения. В данном случае происходит уменьшение сил взаимодействия трущихся поверхностей и появля­

ния, окружной скорости, температуры и плотности тока в контакте, находящемся в рассматриваемых условиях, остается примерно та­ ким же, каким оно было в воздушной среде.

Изложенные здесь экспериментальные данные о коэффициенте трения между элементами электрического скользящего контакта свидетельствуют о том, насколько названная характеристика чув­ ствительна к изменению условий, в которых протекает его работа. Указанное крайне затрудняет создание какой-либо общей теории,

* Введен в тело электрэщетки в виде «проб ж*.

60

ГЛАВА ПЯТАЯ

ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА

Рассмотренные ранее характеристики переходного падения на­ пряжения 2kU и коэффициента трения р, будучи чрезвычайно важ­ ными для обеспечения нормальной работы электрического скользя­ щего контакта, не давали непосредственного представления о его эксплуатационных свойствах. В отличие от них характеристика из­ носа, равно как и рассматриваемые далее коммутационная и виб­ рационная характеристики, самым непосредственным образом опре­ деляет надежность, долговечность и все другие эксплуатационные

Рис. 5- Перенос материала между электрощеткой и коллектором [Л. 5-1].

а — перенос материала с активированных электрощеток положительной (/) и отрицательной (2) полярности на коллектор; б — перенос материала с активи­ рованной электрощетки на коллектор ( A ? i ) и с коллектора на неактивирован­ ную .злектрощетку (Д72).

показатели скользящего контакта. Изучение износа элементов электрического скользящего контакта осуществляется двояким об­ разом. В одном случае исследования производятся на тех же лабо­ раторных установках, на которых изучаются характеристики 2Д£7 и р. В другом случае износы определяются на реальных электри­ ческих машинах, находящихся на лабораторных стендах или в нор­ мальной промышленной эксплуатации.

Остановимся вначале на некоторых деталях физического про­ цесса износа элементов электрического скользящего контакта. Ис­ следования с помощью радиоактивных методов (Л. 5-1] показали, что активированное вещество электрощетки переносится на вра­ щающийся коллектор и откладывается на нем не в виде сплошной пленки, а в виде отдельных полосок и островков. В исследовании отмечен также факт вторичного переноса продуктов износа с кон­ тактной поверхности коллектора на контактную поверхность другой установленной на нем электрощетки. Оценка отмечаемого явления приведена на рис. 5-1, из которого следует, что массовое количество

61

рис. 5-2 приведены данные ряда авторов, свидетельствующие о том, что имеют место случаи, когда интенсивность износа электрощеток различной полярности противоположна показанной на рис. 5-1.

испытания графитных электрощеток на контактных кольцах диа­

62

с большим содержанием меди (марки МГ64) на коллекторе элек­ трической машины типа АДН и натуральнографитных электрощеток марки 611М, на стальных контактных кольцах синхронного компен­ сатора. Разнообразие результатов подтверждается также публика­ циями в Японии и ФРГ. Так, японские авторы сообщили, что раз­ личие в полярном износе, подобное показанному на рис. Б-2,а, имеет место при испытании на бронзовых кольцах электрощеток «цветных» марок, содержащих в своем составе более 60% медного порошка. Испытания электрощеток с меньшим содержанием меди и электрощеток графитного класса дают результаты, подобные изо­ браженным на рис. 5-2,6, в, г и д [Л. 5-2]. По сведениям, опубли­ кованным в ФРГ, влияние полярности на износ электрощеток также связано с их составом: электрощетки из «черных» материалов при использовании на коллекторах влияния полярного эффекта не испы­ тывают; этот эффект особенно отчетливо проявляется при исполь­ зовании электрощеток из «цветных» материалов на контактных кольцах, причем он будет таким, как это описано в (Л. 5-2].

Столь противоречивые результаты исследования влияния поляр­ ности на износ электрощеток объясняются чрезвычайной сложностью явления. Явление простого механического износа само по себе явля­ ется достаточно сложным. В условиях рассматриваемой задачи на него накладываются еще процессы прохождения тока через скользя­ щий контакт. Последнее существенно осложняет наблюдения и пре­

к изучению механизма явления. В соответствии с установившимися взглядами износ представляет собою результат динамического * взаимодействия контактирующих элементов; его следствием явля­ ются уменьшение размеров этих элементов, изменение состояния поверхностей взаимодействия и, в конечном счете, изменение слу­ жебных качеств, находящихся в контакте тел [Л. 5-3, 5-4]. В самом общем виде износ обусловлен действием механических, электриче­ ских, химических, и электролитических факторов. Действие механи­ ческих факторов проявляется путем нарушения связей между части­ цами перемещающихся относительно друг друга твердых тел. Опи­

зоны контактов; 4 — упругого деформирования.

Абразивный износ вызывается выступающими частицами одного из контактирующих элементов, прорезающими поверхность другого контактирующего элемента. При этом с последнего срезаются струж­ ки или отдельные зерна материала. Фрикционный износ обязан своим происхождением молекулярным силам сцепления, действие

* В самом широком смысле этого слова, включая и электро­ динамическое взаимодействие.

63

приварились, и превращаются в продукты износа. Износ, опреде­ ляемый пластическим оттеснением материала из зоны контакта, свя­ зан с действием сил трения, а износ, определяемый упругим де­ формированием, связан с поверхностной усталостью контактов ма­ териалов, происходящей вследствие действия на ограниченных участ­ ках действительного контакта повторяющихся деформирующих уси­ лий.

Износ, определяемый действием сил трения и упругим дефор­

где Е — модуль упругости; Р — коэффициент, зависящий от микро­ геометрии контакта; Сто — исходная прочность; | i — коэффициент тре­ ния; р—удельная нагрузка нЗ поверхности трения; t — коэффици­ ент, характеризующий противоусталостные свойства материала со­ гласно уравнению

(5-2)

Здесь К — постоянная; Т — сила трения; п — число циклов до разрушения нагруженного образца.

Доля механической составляющей в общем объеме износа элек­ трощеток оценена в работе [Л. 5-2]. Авторы упомянутой работы счи­ тают, что у катодно-поляризованной электрощетки механическая со­ ставляющая износа занимает 1/3 общего износа, а у анодно-поля­ ризованной электрощетки даже 1/2.

Действие факторов, определяющих электрический износ элемен­ тов электрического скользящего контакта, следует учитывать двоя­ ким образом: при отсутствии искрения в контакте и при наличии такового. Все показанные на рис. 5-2 графики построены по данным

ционально току. Наряду с указанным наблюдались случаи, когда эта общая закономерность нарушалась. Объяснение влияния тока на рассматриваемый процесс содержится в работе Р. Хольма [Л. 1-9],

званные процессы связаны, естественно, с полярностью, и это дает

чество катионов пропорционально току, то сила тока и определяет интенсивность совершаемых ими воздействий. Характер такого воз­ действия помимо тока будет определяться еще и видом электро-

64

Исходя из изложенного и анализируя, многочисленные экспери­ ментальные данные, можно заключить, что наиболее вероятные соотношения износов различным образом поляризованных электро­ щеток будут следующими:

ны главным образом усредненные значения наблюдаемых резуль­ татов.

В результате произведенного здесь рассмотрения также уста­ новлена прямо пропорциональная зависимость между износом элек­ трощеток и их токовой нагрузкой. Если работа скользящего кон­ такта происходит без искрения, то на основании большинства гра­ фиков, показанных на рис. 5-2, можно утверждать, что износ элек­

67

Оценить новое слагаемое можно с помощью рис. 5-4, на котором показано, как изменяется величина износа электрощеток, отнесенная к длине пути пробега по коллектору, при включении в электрическую цепь устройств, способствующих искрообразованию. В качестве та­ ковых в описываемом опыте, проведенном Куртом Биндером [Л. 5-6], использовались индуктивные катушки с различным числом витков w. График на рис. 5-4,а получен ори некотором начальном числе витков катушки ау0. Последующие графики получены при последо­ вательном удвоении числа этих витков. Несмотря на то что токи при этом в такой же пропорции уменьшались, общий износ элек­ трощеток существенно возрастал.

Рис. 5-4. Влияние индуктивности электрической цепи и частоты вра­ щения коллектора на износ электрощеток.

а — w0; 6 — 2 Wc\ в — 4 Wo.

Еще одна иллюстрация влияния искрообразования на износ электрощеток получена в опытах А. Я. 'Глускина с сотрудниками. Опыты ставились на электрической машине постоянного тока типа ПН-28 и состояли в том, что вначале ее коллектор замыкался на­ коротко, а затем короткозамыкающие перемычки снимались и маши­ на с электрощетками марки ЭГ-14 работала при различных поло­ жениях щеточных траверс и различных режимах подпитки. Подоб­ ные мероприятия позволили искусственно расстраивать коммутаци­ онный процесс и создавать искрение разной интенсивности. Пропор­ ционально последнему изменялась скорость изнашивания электро­ щеток (табл. 5-2).

Помимо информации о влиянии индуктивности на износ электро­ щеток рис. 5-4 содержит сведения о влиянии на эту характеристику еще и угловой скорости коллектора. Последняя вместе с показате­ лями его окружной скорости, общего и местного биения, чистоты поверхности, вибраций и удельного давления на электрощетки обра­ зует комплекс механических воздействий. Объединяющим признаком, с помощью которого перечисленное воздействие оказывает влияние

68

Т а б л и ц а 5-2

Скорость изнашивания электрощеток марки ЭГ14

на режим работы электрического скользящего контакта, является перераспределение путей прохождения носителей тока через кон­ тактную зону, подробно описанное в гл. 2. Очевидно, что при воз­ растании скорости, биений, вибраций, шероховатости поверхности и снижения удельных давлений р происходит уменьшение площади непосредственного контакта и возрастает токовая нагрузка на те участки контактной зоны, .в которых носители тока выходят в окру­ жающую контакт среду. Очевидно также, что при изменении пере­ численных показателей в указанных направлениях происходит изме­ нение характера механического взаимодействия между контактирую­ щими элементами.

В результате общий характер влияния окружной и угловой ско­ рости коллектора, его общего и местного биения, чистоты поверх­ ности и вибраций на скорость изнашивания электрощеток представ­ ляет собою плавную линию, описываемую уравнением порядка выше первого. Подобное обстоятельство свидетельствует о том, что по мере возрастания показателей, принятых в качестве аргументов, происходит интенсификация элементарных процессов, вызывающих изменение Функций, в данном случае скорости изнашивания элек­ трощеток. Степень этой интенсификации для различных электро­

Так, по литературным данным, влияние окружной скорости коллек­

Представленная здесь степень возрастания vm при последова­ тельном увеличении v для различных электрощеточных материалов является различной. Минимальной она оказывается у материалов

69