Разработка устройства для уменьшения искрообразования на основе исследований резонансных процессов в узле скользящего токосъема турбогенератора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Козырева Оксана Игоревна

• Козырева Оксана Игоревна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Козырева Оксана Игоревна

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. УЗЛЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1. Общие сведения о процессе токопередачи в скользящем контакте ... 15 1.1.1. Площадь токопередачи в скользящем контакте

1.2. Тепловые процессы в переходном слое параллельных скользящих контактов

1.3. Математическое моделирование динамики механического контактирования в узле скользящего токосъема

1.4. Способы уменьшения искрообразования в узлах скользящего токосъема

1.5. Выводы по главе и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЕРЕХОДНОМ СЛОЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА

2.1. Электрическая схема замещения переходного слоя скользящего контакта. Математическая модель для описания площади токопередачи, емкости и электрического сопротивления переходного слоя

2.1.1. Электрическая схема замещения переходного слоя

2.1.2. Математическая модель для определения площади токопередачи в скользящем контакте

2.1.3. Математическое описание емкости и электрического сопротивления переходного слоя скользящего контакта

2.2. Численный расчет площади токопередачи, емкости и электрического сопротивления переходного слоя контактирующих поверхностей при скольжении

2.3. Исследование параметрической неустойчивости контура одиночного щеточного контакта посредством решения уравнения Матье II порядка для системы с диссипацией

2.3.1. Динамическая модель отдельного скользящего контакта

2.3.2. Метод решения уравнений Матье. Преобразование уравнения контура скользящего контакта

2.3.3. Диаграммы Айнса-Стретта. Границы неустойчивости диссипативной системы для электромагнитного контура отдельного скользящего контакта

2.3.4. Условия для исключения параметрического резонанса в электромагнитном контуре отдельного скользящего контакта. Влияние дополнительной емкости на диаграммы Айнса-Стретта

2.4. Патенты

2.4.1. Устройство для уменьшения искрообразования в узле скользящего токосъема турбогенератора. Патент на полезную модель

2.4.2. Устройство для уменьшения искрообразования в узле скользящего токосъема турбогенератора. Патент на изобретение

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ПРОЦЕССОВ МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ЩЕТКАМИ УСТ ТГ

3.1. Электрическая схема замещения узла скользящего токосъема для п скользящих контактов с устройством для уменьшения искрообразования

3.2. Моделирование работы узла скользящего токосъема с тремя щетками на одном контактном кольце при нарушениях контактирования

3.3. Моделирование работы узла скользящего токосъема с тремя щетками на одном контактном кольце при нарушениях контактирования с использованием устройства для уменьшения искрообразования

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗОНАНСНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТ ТГ И СПОСОБА ИХ ДЕМПФИРОВАНИЯ

4.1. Описание, конструкция, функциональная и принципиальная электрическая схемы и принцип работы макета щеточно-контактного аппарата

4.2. Экспериментальные исследования эффективности влияния устройства для уменьшения искрообразования на тепловое состояние скользящего контакта при устойчивом и неустойчивом контактировании. Проверка влияния устройства на электромагнитные процессы в скользящем контакте

4.2.1. Описание эксперимента. Входные данные

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований. Временные характеристики температур для щеток с устойчивым и неустойчивым контактированием при отключенном и подключенном устройстве для уменьшения искрообразования

4.2.3. Результаты экспериментальных исследований. Осциллограммы мгновенного переходного падения напряжения на катодной и анодной щётках при отключенном и подключенном устройстве для уменьшения искрообразования

4.2.4. Термограммы. Анализ тепловой картины щеточного искрения

4.3. Экспериментальные исследования эффективности влияния усовершенствованного устройства для уменьшения искрообразования на электромагнитные процессы в скользящем контакте при устойчивом и неустойчивом контактировании

4.3.1. Описание эксперимента. Входные данные

4.3.2. Результаты экспериментальных исследований. Осциллограммы мгновенного переходного падения напряжения

4.3.3. Анализ Фурье. Построение спектров переходного падения напряжения

4.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

КК - контактное кольцо;

КП - контактная пара;

КС - контактный слой;

ПС - переходный слой;

СК - скользящий контакт;

ТГ - турбогенератор;

УСТ - узел скользящего токосъема;

УУИ - устройство для уменьшения искрообразования;

ЩКА - щеточно-контактный аппарат;

ЩК - щеточный контакт;

ЭМ - электромагнитный.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка устройства для уменьшения искрообразования на основе исследований резонансных процессов в узле скользящего токосъема турбогенератора»

Актуальность темы исследования.

Узел скользящего токосъема (УСТ) относится к одному из наиболее распространенных узлов электрических машин. Узел обеспечивает электрическое соединение роторной цепи с цепями, расположенными в неподвижных частях машины и состоит из двух контактных колец (КК), жестко закрепленных на роторе и скользящих по ним щеток, расположенных на неподвижной траверсе в щёткодержателях щеточно-контактного аппарата (ЩКА). УСТ широко используется в связи с его дешевизной и простотой конструкции по сравнению с бесконтактными системами. Примеры применения: городской железнодорожный транспорт (электропоезда, электровозы, электроподвижной состав метрополитена); турбогенераторы (ТГ) на тепло- и гидроэлектростанциях; асинхронные двигатели с фазным ротором; системы противообледенения лопастей винтов вертолетов; прокатные станы с регулируемой скоростью, энергетические установки морских судов и др. [93].

В то же время, УСТ является одной из менее надёжных частей электрической машины, например около 25% неисправностей в турбо- и гидрогенераторах происходит по причине нарушений в работе УСТ [39]. Это обусловлено следующими причинами. Работа токоведущих щеток в УСТ сопровождается вибрациями, возникающими в результате скольжения щетки по контактному кольцу при наличии эксцентриситета колец или шероховатостей, волнистости контактных поверхностей. В результате механических колебаний щеток происходят кратковременные нарушения электрического контакта в цепи «щетка - КК». Вследствие этого возникают скачки тока и напряжения в контактном слое (КС) щетки, которые вызывают щеточное искрение, тем самым ускоряя изнашивание щеток и приводя, в некоторых случаях, к круговому огню в УСТ.

Методы уменьшения искрообразования в щеточном контакте УСТ в настоящее время сводятся, в основном, к трем разновидностям, основанным на снижении влияния факторов, уменьшающих надежность работы ЩКА:

1) повышение механической устойчивости контактирования щеток за счет улучшения контактных характеристик поверхностей, снижения вибраций, совершенствование конструкций щеткодержателей и материала щеток;

2) улучшение электроконтактных и демпфирующих свойств переходного слоя (ПС) скользящего контакта (СК) за счет применения контактных смазок;

3) демпфирование параметрических электромагнитных (ЭМ) резонансов в электрических цепях УСТ.

Так как не существует стандартов полностью объясняющих причины возникновения искрения в УСТ, актуальным является поиск путей по снижению щеточного искрения, способных уменьшить влияние электромагнитных резонансных явлений на работу УСТ, снизить электроэрозионный износ в контактных парах, стабилизировать плотность тока щеток.

Цели и задачи диссертационной работы.

Цель работы - исследование электромагнитных резонансных процессов в узле скользящего токосъема турбогенератора, и разработка способа и устройства для уменьшения искрообразования на основе проведенных исследований.

Для достижения указанной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Изучить влияние электромагнитных и механических факторов на качество токопередачи и тепловое состояние УСТ ТГ; исследовать ЭМ причины щеточного искрения, приводящие к повышенному износу токоведущих щеток, провести анализ возможных способов для снижения искрообразования в УСТ.

2. Разработать электрическую схему замещения ПС СК с математическим описанием и численным расчетом параметров входящих в нее элементов для проведения теоретических исследований ЭМ резонансных процессов непосредственно в переходном слое и процесса токопередачи через электрический СК в целом.

3. Для определения ЭМ причины искрения и способов ее устранения, провести анализ и разработать методику для определения частотных областей параметрической неустойчивости ЭМ контура отдельного СК, определить условия вывода ЭМ контура из областей неустойчивости.

4. Сформировать электрическую схему замещения УСТ для п СК. Разработать математическую и имитационную динамическую модели для визуализации резонансных процессов в ЩКА.

5. Разработать устройство для уменьшения искрообразования в УСТ с целью повышения качества работы СК в ЩКА, провести теоретический расчет и имитационное моделирование работы устройства для определения влияния различных условий работы на переходные процессы в СК.

6. Провести экспериментальные исследования резонансных процессов в СК и его теплового состояния на макете ЩКА; сравнить результаты расчёта полученных моделей с результатами эксперимента для проверки адекватности построенной модели.

7. Провести экспериментальные исследования устройства для уменьшения искрообразования (УУИ) в УСТ. По полученным данным выполнить сравнительный анализ, в том числе анализ Фурье и анализ теплового состояния контактных пар (КП), для оценки эффективности влияния устройства на переходные и тепловые процессы в СК.

Предмет исследования.

Предметом исследования являются резонансные электромагнитные процессы в переходном слое контактной пары «щётка-контактное кольцо» узла скользящего токосъема турбогенератора, метод подавления искрения

путём демпфирования резонансных электромагнитных процессов в УСТ, устройство для уменьшения искрообразования в УСТ.

Объект исследования.

Объектом исследования является узел скользящего токосъема турбогенератора.

Методы исследования.

Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования проводились на базе научных основ теории электрических машин, теории электротехники, трибологии и электромеханики, теории колебаний, термодинамики, технологии машиностроения, теории сопротивления материалов, теории планирования эксперимента, метода конечных элементов, методов вычислительной математики, спектрального анализа, методов математического моделирования. При решении задач моделирования, вычислительных задач, в том числе анализа данных, термографического анализа использовались пакеты программ MatLab, MathCAD, Microsoft Excel, Proteus Design Suite, IRSoft

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры электроэнергетики, электропривода и систем автоматизации Псковского государственного университета на специально разработанном макете ЩКА ТГ с подключением двух УУИ при использовании современных контрольно-измерительных средств.

Научная новизна.

1. Выявлены и объяснены электромагнитные причины возникновения повышенного искрения при работе ЩКА ТГ, перегрева, ускоренного износа щеток и, в отдельных случаях, кругового огня.

Скольжение токоведущей щетки по КК сопровождается кинематическими возмущениями и, как следствие, механическими изменениями в зоне контактирования в совокупности с нарушениями

токопередачи в ЭМ цепи СК. В результате, в зоне контактирования возникают переходные ЭМ процессы, проявляющиеся в виде высокоамплитудных пиков тока и напряжения. Т.к. в электромагнитных контурах ЩКА присутствуют индуктивная и емкостная составляющая, пики тока и напряжения имеют колебательный характер и состоят из пакетов затухающих высокоамплитудных высокочастотных колебаний. Эти колебания приводят к пробою воздушного промежутка в СК, и, следовательно, к искрению, перегреву, ускоренному износу щеток.

2. Разработан способ и устройство для устранения ЭМ причин возникновения искрения, особенность которого состоит в том, чтобы принудительно снижать амплитуду скачков и частоту пакетов колебаний напряжения и тока в ПС СК при помощи подключения в электрическую цепь СК УУИ, содержащего в качестве основного действующего элемента демпфирующую емкость. Приведены описания двух патентов УУИ в УСТ. Экспериментально доказано значительное снижение искрения в СК при использовании обоих УУИ.

3. Разработана математическая модель для определения площади токопередачи КП «щетка-стальные КК» при скольжении (на примере щёток ЭГ-2АФ). Математическая модель представляет собой совокупность аналитических выражений для определения зависимостей площади токопередачи КП от механических свойств материалов, физико-механических параметров контактирования, геометрических характеристик, учитывающих микрогеометрию контактирующих поверхностей с учетом усилия нажатия и кинематических возмущений. Особенность модели состоит в том, что при она дает возможность определять зависимость емкости и электрического сопротивления ПС от динамически меняющегося значения площади токопередачи для определенной КП.

4. Проведен анализ и разработана методика определения частотных

областей параметрической неустойчивости электромагнитного контура СК

посредством решения уравнения Матье второго порядка для диссипативной

10

системы. В результате анализа выявлено, что при значениях электрического сопротивления и емкости ПС СК, соответствующих значениям при нарушении контактирования, собственный коэффициент модуляции ЭМ контура попадает в частотные области неустойчивости, определяемые по уравнению Матье. В результате, в контуре возникают высокочастотные колебательные явления.

5. Проведена оценка влияния добавочной емкости на резонансные ЭМ процессы и тепловые явления в системе. Даны рекомендации по подбору параметров УУИ, предназначенного для устранения неустойчивости в ЭМ контуре щетки, эффект от которого заключается в увеличении эквивалентной емкости ПС, позволяющей сместить области неустойчивости в направлении более высоких значений коэффициента модуляции, тем самым выводя ЭМ контур из частотных областей неустойчивости.

6. Разработана имитационная динамическая модель для визуализации резонансных процессов в УСТ. Модель разработана на основе схемы замещения узла скользящего токосъема для n скользящих контактов при использовании пакета для автоматизированного проектирования электронных схем Proteus Design Suite. Модель позволяет в динамике наблюдать за ЭМ процессами в СК при нарушениях контактирования, проверять влияние устройства для уменьшения искрения на резонансные процессы в переходном слое без проведения физического эксперимента, подбирать адекватные характеристики и параметры устройства для УСТ с различными контактными парами.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Приведены теоретические и экспериментальные результаты негативного влияния резонансных ЭМ процессов в ПС СК, вызываемых нарушениями контактирования между токоведущей щеткой и ТК, на качество функционирования УСТ ЩКА ТГ в целом.

2. Разработано и экспериментально апробировано устройство для

уменьшения искрообразования в УСТ ТГ.

11

3. Теоретически и экспериментально доказана высокая эффективность устройства для уменьшения искрообразования в устранении электромагнитной причины возникновения искрения в переходном слое УСТ. Устройство позволяет избежать искрения в скользящем контакте и его негативных последствий, уменьшает электроэрозионный износ, снижает тепловую напряженность, повышает плотность тока в зоне СК, продлевает срок службы щеток, обеспечивает значительное улучшение качества функционирования ЩКА ТГ в целом.

4. Предложена методика определения в ЭМ контуре скользящего контакта частотных зон неустойчивости, образованных в результате действия на щетку внешних параметрических воздействий со стороны вращающегося токосъемника. При условии попадания в зоны неустойчивости собственного коэффициента модуляции ЭМ контура в контуре возникают высокочастотные высокоамплитудные колебательные процессы.

5. Приведены результаты математических расчетов, выполненных в соответствии с разработанной методикой, подтверждающих положительный эффект от добавления в ЭМ контур СК устройства для уменьшения искрообразования. Даны рекомендации по подбору параметров устройства, обеспечивающего значительное снижение искрения под щетками при работе ЩКА с наличием вибраций.

6. Разработана математическая модель для определения площади токопередачи КП с учетом физико-механических и геометрических характеристик поверхностных слоев КП. Модель предназначена для выявления зависимости электрических параметров переходного контактного слоя от динамически изменяющейся площади токопередачи, и позволяет обоснованно задавать электрические параметры КП в имитационной модели.

7. Создана имитационная модель УСТ содержащая УУИ, позволяющая

в динамике наблюдать за ЭМ процессами в СК при нарушениях

контактирования; без проведения физического эксперимента проверять

влияние устройства для уменьшения искрения на резонансные процессы в ПС

12

и подбирать адекватные характеристики и параметры устройства для различных контактных пар.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретическое объяснение ЭМ причин повышенного электроэрозионного износа токоведущих щёток в ЩКА ТГ и обоснование способов снижения щеточного искрения путем устранения ЭМ причины искрения.

2. Устройство для уменьшения искрообразования в УСТ ТГ - схема, патенты, принцип работы.

3. Методика определения частотных зон параметрической неустойчивости ЭМ контура СК и методика выведения ЭМ контура из выявленных зон параметрической неустойчивости.

4. Математическая модель площади токопередачи КП с учетом физико-механических и геометрических характеристик поверхностных слоев КП.

5. Имитационная модель УСТ содержащая УУИ.

Апробация результатов работы.

Основные результаты и положения диссертационного исследования были представлены на X-XII международных научно-практических конференциях «Окружающая среда. Технологии. Ресурсы» (г. Резекне, Латвия, 2015, 2017, 2019), 3-ей докторской школе энергетики и геотехнологий «Doctoral School of Energy and Geotechnology III» (г. Курессааре, Эстония, 2018), на 19-ой Международной научной конференции по электроэнергетике «19th Intarnational Scientific Conferenceon Electric Power Engineering (EPE)» (г. Брно, Чехия, 2018), обсуждались на научно-технических семинарах кафедры электропривода и систем автоматизации (до 2019 г.), кафедры электроэнергетики и электропривода (с 2019 г.) ФГБОУ ВО «Псковский государственный университет». Всего опубликовано печатных работ 39. Из них, по результатам диссертационного исследования 24 работы, в том числе 6 в изданиях из перечня ВАК и 13 в изданиях, индексируемых в Skopus.

Получено два патента - патент на изобретение СПК Н02Н 7/06 № 2685695 и патент на полезную модель МПК Н02Н 7/06 № 132630 на УУИ в УСТ.

Внедрение результатов работы.

Результаты диссертационного исследования, разработки и практические рекомендации приняты к использованию на ПАО «Силовые машины - ЗТЛ, ЛМЗ, Электросила, Энергомашэкспорт».

Структура и объём диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 123 наименований. Общий объем текста диссертации составляет 142 страницы, содержит 32 таблицу, 55 рисунков, 3 приложения.

ГЛАВА 1. УЗЛЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1. Общие сведения о процессе токопередачи в скользящем контакте

Электрические СК широко применяются в электрических машинах различных типов в составе УСТ. Оптимизация работы СК неразрывно связана с исследованием фундаментальных закономерностей электрофрикционного взаимодействия. Будем далее рассматривать работу УСТ с КК, которыми оснащаются, например, ТГ.

В соответствии упрощенным вариантом теории коммутации, площадь контактирования токопроводящей щетки с рабочей поверхностью контактного кольца непрерывна [59]. Новые подходы, позволяющие расширить представления о процессе токопередачи в СК, были разработаны И. Нейкирхеном [50], Р. Мейером [45], Р. Хольмом [100], согласно которым токопередача в СК осуществляется непосредственно через участки непосредственного контактирования, а так же через графитовую пыль, смазочные материалы, посредством фриттинга, газового разряда, электролиза.

Для оценки качества функционирования УСТ используют вольт-амперные характеристики, показывающие зависимость падения напряжения в контактном слое от плотности тока, рис. 1.1. Здесь, линия а - вольтамперная характеристика СК [55], [56]. Форма вольт-амперной характеристики сопротивления контактного слоя имеет границы от линии б, для Кщ = const., до линии в, при ищ = const [1], [2], [6], [32].

AUm t

J

Рисунок 1.1 - Вольт-амперные характеристики СК

Р. Хольмом было начато и рядом исследователе продолжено изучение вопросов по тепловым процессам, сопровождающим работу скользящих контактов, в том числе задач теплопроводности [81], [54]. Были изучены физические закономерности электрофрикционного взаимодействия, математически описаны нестационарные динамические режимы электрофрикционного взаимодействия [100], [81], [46], [80], [54].

1.1.1. Площадь токопередачи в скользящем контакте

Объяснение процессов в электрическом СК в настоящее время сводится к следующему.

Контактирование поверхностей трения двух шероховатых поверхностей происходит на отдельных участках, на выступах, образованных микронеровностями. Площадь, через которую происходит контактирование микронеровностей, является площадью фактического контактирования деталей Аг и определяется суммой элементарных площадок фактического контакта А^, рис.1.2.

Площадь токопередачи через СК состоит из множества отдельных хаотично расположенных пятен токопередачи различной конфигурации, имеющих тенденцию образовывать компактные группы - кластеры проводимости АС1 , рис. 1.2. Отдельные пятна, элементы, составляющие кластеры, представляют, главным образом, площадки непосредственного механического контакта микровыступов двух взаимодействующих шероховатых поверхностей АГ1.

Рисунок 1.2 - Схема контактирования твердых тел. Аа1, Аа2- номинальная (геометрическая) площадь контакта первого и второго материала; Аг^ - элементарные фактические контактные площадки; Аа1 = Аа2 = а • Ь; Ас^ - единичные контурные площадки;

В контактном слое, в процессе передачи электрического тока от одной контактирующей поверхности к другой, к электрическому сопротивлению добавляется дополнительное сопротивление, обусловленное нарушением однородности потоковых линий. Это дополнительное сопротивление названо сопротивлением стягивания Яс.

Между контактирующими микронеровностями находятся микрополости заполненные продуктами износа, газовой средой или воздухом, смазочными материалами. Токопередача в СК осуществляется, также, и через продукты износа, например, графитовую пыль, а также при высоких температурах - через газовый разряд. Как показывает практика [19], доля проводимости через продукты износа и доля газовой проводимости в суммарной контактной проводимости достаточно малы, и ими можно пренебречь (менее 1%). Между контактирующими выступами находится оксидная пленка, проводимость через которую может занимать существенную долю суммарной проводимости СК, но при механическом взаимодействии микрорельефов доля плёночной проводимости не велика из-за разрушения плёнок и электрического пробоя.

Р. Хольм предложил и обосновал расчет электрического сопротивления области стягивания, расположенной в обоих контактных элементах, при допущении, что токопроводящий элемент - круглая сферическая площадка на плоской поверхности:

2г

где р - удельное сопротивление материала контактов; г - совокупный характеристический радиус пятна токопередачи [100].

Таким образом, электрическое сопротивление фактической площади контактирования двух проводящих поверхностей и, как следствие, полное сопротивление ПС контакт-деталей, в дальнейшем будем определять по формуле Хольма.

Работа УСТ сопровождается механическими колебаниями, вибрацией щеток, возникающей в результате взаимодействия щеток с поверхностью кольца. Наличие вибраций вызывает динамические усилия, при которых происходит нарушение токопередачи, в том числе появление кратковременных бестоковых пауз [21], [76], [58], [61].

В скользящем контакте качество контактирования оценивают коэффициентом относительной неустойчивости [53], [58], [61].

1 п

К = ТX Ах 1

1 = 1

где Т - время измерения; Ах - продолжительность 1-го интервала при нарушении контактирования.

п т

Т = X Ах 1 + 1 а^ 1 = 1 ] = 1 ,

где А^ - продолжительность ]-го интервала при устойчивом контактировании.

Т.к. в результате неустойчивого контактирования возникают кратковременные нарушения электрического контакта - разрывы в силовой цепи УСТ - это приводит к возникновению искрения в ПС СК, особенно на

сбегающем крае щетки. Искрение вызывает повышенный износ контактирующих поверхностей, перегрев СК, в ряде случаев может приводить к круговому огню в УСТ и выходу из строя всей электрической машины. Основные причины возникновения искрения в электрических машинах с щеточно-контактным аппаратом до конца не объяснены.

Описанные выше теоретические положения дополняются работами Плохова И.В. [59], Лившица П.С. [40], Забоина В.Н. [19], Кончица В.В. [37], [48], Р. Мейера, Авилова В.Д. [1], [20], М. Карасева [32], Мышкина Н.К.

1.2. Тепловые процессы в переходном слое параллельных скользящих

контактов

Значительное внимание оценке тепловой напряженности в СК уделено в работах Забоина В.Н. [19], [123]. Необходимость такой оценки обусловлена тем, что температура контактной поверхности и температура внутри щетки могут становиться выше температуры размягчения материала щетки и могут оказать значительное влияние на механические и электрические контактные характеристики, на интенсивность износа. В работе предложено решение задачи установившегося теплового баланса. Для расчета максимальной температуры внутри элемента с меньшей теплопроводностью в любой КП были получены расчетные формулы [33]. За основу расчета приняты уравнения Кольрауша-Хольма [37], [19], [18], [109] и уравнения Егера [33], [104].

В таблице 1.1 приведены рассчитанные значения для максимальных температур в КС щеток разных марок [19].

Таблица 1.1.

Расчетные значения для максимальных температур Qmax в КС щеток

Материал щетки ЭГ-2АФ ЭГ-2АФ МГСО МГСО

Материал кольца Сталь Медь Сталь Медь

О °с \smaxi ^ 513 122 300 72

Как видно из таблицы 1.1, максимальная температура в СК, например, в контактной паре щетки ЭГ-2АФ и стальные кольца, может превышать 500 градусов, что приближается к температуре рекристаллизации материалов КП.

Исходя из приведенной таблицы, можно ориентировочно определить диапазон допустимых температур в зоне СК при последующих экспериментальных исследованиях.

1.3. Математическое моделирование динамики механического

контактирования в узле скользящего токосъема

Модель динамики механического контактирования СК с учетом нелинейных распределенных параметров создана в работах [58], [59], [75].

В настоящее время разработан подход к исследованию динамики электрофрикционного взаимодействия с использованием метода конечных элементов [59], [60], [27], [64].

Для проведения математических операций в области контактирования двух деталей, переходный слой представляется отдельным телом, состоящим из множества областей, имеющих определенные свойства. Эти области, контактные элементы А, характеризуются физическими и электрическими свойствами входящих в их состав элементов. Контактные элементы математически объединяются в группы по сходным характеристикам и описываются соответствующими моделями. Для удобства расчетов переходный слой располагают в одной плоскости, находящейся по центру между контактными областями.

При работе УСТ возникающие динамические процессы делятся в основном на четыре категории: механические, тепловые, ЭМ, химические.

Скользящий обладает электрической емкостью, составляющей десятые

доли мкФ и переходным сопротивлением, составляющим сотые доли Ом [59].

Областям непосредственного контактирования соответствуют наибольшие

значения переходной емкости и минимальные значения переходного

сопротивления. При увеличении расстояния между контакт-деталями

20

происходит нарушение контактирования, в этом случае переходная емкость уменьшается, переходное сопротивление увеличивается до десятков кОм, протекание силового тока в ПС практически прекращается. Также, токоведуще элементы обладают сопротивлением и индуктивностью. Таким образом, в силовых цепях УСТ имеется множество колебательных LC-контуров с модулируемыми в процессе работы параметрами переходной контактной емкости и переходного контактного сопротивления. Это приводит к возникновению параметрически возбуждаемых ЭМ резонансных колебаний в LC-контурах, содержащихся в узле скользящего токосъема. При кратковременных разрывах в СК, как показывают расчеты, математическое моделирование и эксперименты, возникают высокочастотные (более 1 МГц) высокоамплитудные резонансные пакеты ЭМ колебаний, которые обусловливают возникновение искрения [71], [59].

Приведем систему с двумя параллельными СК, в которой каждый контакт представлен в виде синхронно работающей группы [59]. Схема замещения УСТ, содержащего две щетки в параллельной ветви, изображена на рисунке 1.3.

Динамика токораспределения описана системой интегро-дифференциальных уравнений:

dI х dI 0

11К1 + 1+ 1 к 1 + 10к 0 + 10—7- = Е , dt dt

dI 2 dI 0

12 к 2 + 12—7- + 1 к 2 Кк 2 + 10 К 0 + 10—7- = Е , dt dt

1 т 1 т

1К1 Кк1 " С-| 1С1 ^ = 0' 1К 2 Кк 2 - С-| 1С 2 ^ =

С к 10 С к 2 0

11 + 12 - 10 = 11 - 1С1 - 1К1 = 0, 12 - 1С 2 - 1К 2 = 0-

МС1

С

К1

К

К1

Токоподводящие элементы 1 -й щетки

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козырева Оксана Игоревна, 2021 год

i -

2е-005 3.14286 е-005 4.2S571 e-0Ü5 3.42857 е-005 6.37143е-005 7.71429е-005 8.85714е-005 0.0001

Time (seconds)

4-j

О >

6000 4000 2000 0

-2000 -4000 -6000

Ill 1

И с I

1

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

Time (seconds)

Рисунок 1.5 - Напряжение в переходном слое второй группы щеток при

нарушениях контактирования

По осциллограммам на рис. 1.5 видно, что пики напряжения в переходном слое достигают значений порядка киловольт с частотой затухающих колебаний около 3 МГц, то есть амплитуда таких колебаний во много раз превышает рабочий ток щеточного контакта [62]. Длительность резонансных скачков не превышает миллисекунды.

1.4. Способы уменьшения искрообразования в узлах скользящего токосъема

УСТ в турбогенераторах применяется для подвода к обмотке возбуждения постоянного тока.

Система подачи питания к обмотке возбуждения ТГ (рис. 1.6) реализуется через СК, состоящий из 2 - щеток, закрепленных на 1 -неподвижной траверсе и 3 - двух КК, закрепленных на вращающемся роторе

[4].

Б

Рисунок 1.6 - УСТ ЩКА ТГ. А - ЩКА со щеткодержателями, установленными аксиальными группами (одно КК). Б - ЩКА со щеткодержателями, установленными на концентрически расположенных токоведущих шинах (в процессе измерения бесконтактным датчиком тока отдельной щетки)

УСТ ТГ содержат два контактных кольца - катодное и анодное.

Контактные кольца монтируются на изолирующую втулку, либо на

25

изолированный вал, располагаются на консольном участке вала ротора генератора и соединяются через систему шин с обмоткой возбуждения ротора [10], [41].

Контактные кольца изготавливают из проводящих материалов, способных выдерживать высокие скорости вращения, например из конструкционных сталей. Размеры колец определяют исходя из количества устанавливаемых токоведущих щеток. Например, в ТГ при максимально допустимой плотности тока под щетками 8-9 А/см2, при токах возбуждения 3500-5000А, диаметр колец будет 450-500 мм с шириной 150-200 мм.

Для улучшения токораспределения между параллельными щетками на контактную поверхность колец наносят нарезку сложной конфигурации (ромбическую, комбинированную) или винтовую канавку. Также, в близи от контактной поверхности выполняются вентиляционные отверстия.

Щеточная траверса УСТ устанавливается со стороны возбудителя на основание подшипника генератора или через подставку на фундаментную плиту. Щеткодержатели крепятся к токоведущим шинам траверсы. Нажимной механизм с цилиндрической пружиной сжатия применяется в щеткодержателях у мощных ТГ с большим числом щеток. Подобная конструкция позволяет ступенчато регулировать нажимное усилие. Для облегчения замены щеток широко применяются съемные кассеты.

Щетки марки ЭГ-4 применяются для ТГ мощностью до 150 МВт, в то время как в более мощных ТГ для обеспечения нормального токосъема применяются: для анодного кольца - щетки марки ЭГ-2АФ, для катодного -611ОМ.

Окружная скорость контактных колец составляет 70-90 м/с. При этом, при наличии эксцентриситета колец или шероховатостей, волнистости контактных поверхностей, работа токоведущих щеток сопровождается вибрациями [85], [89]. Обеспечение механической устойчивости контактирования щеток, стабильности токопередачи в УСТ ТГ является весьма важной и сложной задачей.

Для УСТ ТГ важной задачей является обеспечение равномерного распределения тока по большому количеству параллельных щеток. Количество щеток у мощных ТГ достигает 120 штук на одно кольцо.

В процессе работы УСТ его эксплуатационные и технические характеристики могут значительно изменяться под воздействием многих факторов. Улучшения качества работы можно добиться в результате анализа технического состояния и конструкции СК, условий работы, эффективных способов уменьшения искрообразования.

Методы уменьшения искрообразования щеток УСТ сводятся в настоящее время, в основном, к трем разновидностям, основанным на снижении влияния факторов, уменьшающих надежность работы ЩКА:

1) улучшение механики контактирования щеток за счет улучшения контактных поверхностей, снижения вибраций, совершенствования конструкций щеткодержателей и щеток;

2) улучшение электроконтактных и демпфирующих свойств ПС СК за счет применения контактных смазок [93];

3) демпфирование параметрических ЭМ резонансов в электрических цепях УСТ [59], [71].

Первый из перечисленных методов включает в себя:

- проточку, шлифование и полирование в сборе КК УСТ с целью достижения наименьших значений шероховатости, волнистости и эксцентриситета контактной поверхности;

- применение различного типа нарезок на поверхностях КК с целью уменьшения аэродинамических усилий в СК и разбиения электродугового промежутка на несколько фрагментов [20];

- использование податливых и разрезных щеток, с целью уменьшения удельного нажатия и износа более чем в 2 раза с тем же скоростным режимом [87-89], [97-99];

- применение модифицированных нажимных механизмов щеткодержателей с повышенным механическим демпфированием колебаний, и другие методы.

Жесткость контактного слоя [17] больше жесткости нажимной пружины щеткодержателя на несколько порядков и оказывает основное влияние на демпфирование колебаний щетки [37].

Для уменьшения влияния вибраций со стороны КК на работу щеточного контакта применяют реактивные щеткодержатели. Для повышения устойчивости прикладывают усилие нажатия ближе к сбегающему краю щетки [22]. Качество контактирования в щеточном контакте, а также износостойкость и прочность материала щетки увеличивают при помощи специальных пропиток [78], [83].

Снижение износа и уменьшение искрения можно достичь путем нанесения на контактирующие поверхности смазок, например диэфиров, полиалкиленгликолей, растворов металлоорганики в минеральных маслах и др. Смазки бывают твердые и жидкие. Жидкие наносятся на контактные поверхности однократно, твердые смазки, например дисульфид молибдена, вносятся в тело щетки в виде порошка или гранул (Г-24, Г-27). В зависимости от проводимости смазывающие пленки делятся на толстые, больше 1 нм и тонкие, меньше 1 нм. При использовании толстых пленок износ контакта снижается, но ухудшаются условия токопередачи. Использование тонких пленок значительно улучшает условия токопередачи [103], [3], [11], [82], [2326].

Демпфирование параметрических ЭМ резонансов в электрических

цепях УСТ [59], [71], приводит к значительному снижению амплитуд

переходных падений напряжения под щетками и токов разрыва,

сопровождающих нарушения СК. Это в свою очередь обусловливает

существенное снижение искрения щеток [59], [72], [73], [91]. Однако

предложенное устройство и способ достаточно надежно работают лишь при

малом количестве щеток в УСТ. Когда число щеток достигает нескольких

28

десятков, устройство, как показывают эксперименты и моделирование, становится неэффективным. Однако принцип его действия весьма показателен, что привело к дальнейшим исследованиям и изобретениям.

В настоящее время ведутся работы по теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов токопередачи в узле токосъема. Однако, современные УСТ все еще имеют относительно низкий ресурс и малую надежность. В частности, по причине нарушений в работе УСТ происходит около 25% неисправностей крупных электрических машин (рис. 1.7) [39].

Рисунок 1.7 - Статистика по неисправностям в ТГ

1.5. Выводы по главе и постановка задач исследования

Таким образом, кратко описано состояние проблемы снижения искрения в УСТ с КК и моделирования физических процессов в СК электрических машин. Рассмотрены современные представления о физике процессов токопередачи и контактирования, известные способы для уменьшения искрения, математические модели узлов узла токосъема.

Нужно отметить высокую актуальность работ, направленных на разработку и внедрение средств по снижению искрения в УСТ. Так как, в настоящее время вопросы моделирования процессов, возникающие в процессе токопередачи в скользящем контакте, не имеют единого подхода, поэтому, при разработке новых эффективных решений основная часть исследований должна быть направлена на физический эксперимент. Весьма актуальной становится разработка математических имитационных моделей, позволяющих исследовать характеристики и особенности работы УСТ дополняя, а в некоторых случаях заменяя дорогостоящие эксперименты. В особенности это относится к поиску возможных способов по уменьшению искрения, повышению плотности тока под щетками, снижению электроэрозионного износа.

Таким образом, для достижения цели диссертационного исследования -исследования резонансных ЭМ процессов в узле скользящего токосъема турбогенератора, и разработки способа и устройства для уменьшения искрообразования на основе проведенных исследований - были сформированы следующие задачи:

1. Разработать электрическую схему замещения ПС СК с математическим описанием и численным расчетом параметров входящих в нее элементов для проведения теоретических исследований процесса токопередачи через электрический СК в целом и ЭМ резонансных процессов непосредственно в переходном слое.

2. Для определения ЭМ причины искрения и способов ее устранения провести анализ и разработать методику для определения частотных областей параметрической неустойчивости ЭМ контура отдельного СК, определить условия выхода ЭМ контура из областей неустойчивости.

3. Сформировать электрическую схему замещения УСТ для п СК. Разработать математическую и имитационную динамическую модели для визуализации резонансных процессов в ЩКА.

4. Разработать устройство для уменьшения искрообразования в УСТ с целью повышения качества работы СК в ЩКА, провести теоретический расчет и имитационное моделирование работы устройства для определения влияния различных условий работы на переходные процессы в СК.

5. Провести экспериментальные исследования резонансных процессов в СК и его теплового состояния на макете ЩКА; сравнить результаты расчёта полученных моделей с результатами эксперимента для проверки адекватности построенной модели.

6. Провести экспериментальные исследования УУИ в УСТ. По полученным данным, для оценки эффективности влияния устройства на переходные и тепловые процессы в СК, выполнить сравнительный анализ, в том числе анализ Фурье и анализ теплового состояния контактных пар.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПЕРЕХОДНОМ СЛОЕ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА

Вторая глава посвящена проведению математического исследования электромагнитных процессов в контуре электрической щетки и контактного кольца, с учетом физико-механических характеристик поверхностных слоев контактных поверхностей, кинематических воздействий, нагрева контакта, а также исследованию причин искрообразования в ЩКА и поиску возможных способов его снижения.

2.1. Электрическая схема замещения переходного слоя скользящего контакта. Математическая модель для описания площади токопередачи, емкости и электрического сопротивления переходного слоя. 2.1.1. Электрическая схема замещения переходного слоя

Переходный слой - это абстрактный объект, позволяющий проводить математическое моделирование ЭМ процессов в цепи КП. Так как ПС образован токопроводящими элементами различных видов - окисные пленки, продукты износа, низкотемпературная плазма - он принимает свойства входящих в его состав элементов.

Представим ПС СК, как третье тело, состоящее из двух частей, относящихся к соответствующим контакт-деталям и существующее только в тех зонах, через которые осуществляется токопередача, рисунок 2.1 А, [115].

Щётка

2

Кольцо

Рисунок 2.1. А) - ПС СК; Б) - его электрическая схема замещения.

32

1 - тело щётки; 2 - тело КК; 3 - часть ПС СК, принадлежащая щётке; 4 -часть ПС, принадлежащая КК; 5 - ПС всего СК; 6 - оксидные пленки; Rк и Ск -активное сопротивление и ёмкость ПС СК.

С точки зрения электрической схемы КС «щётка-кольцо» приближенно замещается параллельным включением активного сопротивления Дк и ёмкости Ск [59], [9], [65-70], рисунок 2.1. Б.

В результате того, что в процессе работы СК площадь фактического контактирования изменяет свою величину, емкость и сопротивление ПС также являются переменными.

В ПС СК, т.е. в зоне непосредственного механического контакта, в процессе токопередачи происходят высокотемпературные тепловые вспышки. Это обусловлено следующим. Ток протекает через а-пятна проводимости -зоны стягивания электрического тока и теплового потока. При плохой токопередаче возникает электрическая дуга, и площадки проводимости могут плавиться и испаряться, что при длительном действии вызывает существенное повышение общей температуры проводящего слоя и всей щетки. Таким образом, у искрящей щетки наблюдается значительное тепловыделение в зоне

контакта в сравнении с неискрящей щеткой (рис. 2.2), [108], [112], [29].

_____

Рисунок 2.2 - Термограммы, снятые в процессе эксперимента (Глава 4, п. 4.2) для искрящей А) и не искрящей Б) щеток. Свидетельствуют о более высоком нагреве контактной зоны щетки, работающей с повышенным искрением

Вследствие прохождения электрического тока через сопротивление стягивания, в щетке выделяется джоулево тепло, кроме того в контакте выделяется тепловая мощность, обусловленная трением между щеткой и КК. Значительное влияние на нагрев контактной зоны оказывает дугообразование.

В некоторых случаях, например, при частом возникновении электрической дуги, температура ПС может превысить температуру рекристаллизации одного из материалов КП, вследствие этого механические и электрические характеристики контакта ухудшаются, ускоряется износ контакт-деталей. В этом случае площадь токопередачи будет быстро нарастать.

2.1.2. Математическая модель для определения площади токопередачи в скользящем контакте

Для моделирования переходных процессов на динамической модели (Глава 3) необходимо численное определение диапазона изменений электрического сопротивления и емкости ПС в зависимости от условий работы СК - устойчивого или с нарушениями контактирования. Для этого, выведем математическую модель для расчета фактической площади контактирования или площади токопередачи в СК. В модели ограничимся только непосредственной контактной проводимостью при упругом взаимодействии контактных поверхностей.

В ПС щетки выделим три площадки контактирования: Аа - номинальная (геометрическая) площадь контактирования, является площадью зеркала щетки; Ас - контурная или воспринимающая усилие нажатия, образована смятием отдельных волн и шероховатостей; Аг -фактическая (физическая) площадь контактирования.

Фактическая площадь касания двух материалов представляет собой

сложную зависимость геометрии отдельных неровностей, физико-

механических свойств материалов, нагрузки, температуры. При наличии

скольжения между деталями значительное влияние на нее оказывают трение

скольжения, изменения температуры за счет трения, вибрации, изменения напряженного состояния материалов КП, усталостные и др. явления. Фактическая площадь определяется, как сумма элементарных фактических площадок касания Ar Ari и, как правило, составляет сотые доли процента от номинальной площади контакта [111], [114], [51].

Площадь токопередачи через СК примем равной непосредственной фактической площади контакта Аг. Это допущение возможно, т.к. более 90% токопередачи происходит через фактическую площадь контакта. Средняя величина Аг незначительно изменяется в интервале температур до температуры рекристаллизации Трк одного из материалов КП при постоянном контактном давлении и разности потенциалов превышающих напряжение фриттинга оксидных пленок.

Математическую модель для определения площади контактирования двух шероховатых поверхностей СК - графита и стали - зададим при условии, что контакт осуществляется, как упругий между шероховатой и гладкой поверхностью.

Рассмотрим непосредственно саму шероховатость щетки и КК. Шероховатость поверхности - совокупность неровностей поверхности с относительно малым шагом [16] при отношении шага S к максимальной высоте с микронеровностями S/Rmax < 40 [42].

Рисунок 2.3 - Профилограмма и параметры для нормирования и обозначения поверхностной шероховатости по ГОСТ 2789

На рис.2.3:

Яа - среднее значение смещения участка шероховатости в пределах заданной

линейной области I, Яа = у/ог|у(х)|йх « |; п - число выбранных

точек участка в заданной линейной области; у - отклонение профиля от медиальной линии. Я2 - высота неровностей участка по десяти точкам, Я2 =

+ £?=11Уш1), где Ур1 - высота ього наибольшего возвышения на

участке, отклонение от медиальной линии т; у^ - глубина i-ого наибольшего заглубления участка, смещение от медиальной линии т. Ятах- наибольшая высота участка в передах заданной линейной области, Ятах = уР1 + у^.

В случае, когда радиусы закругления вершин неровностей в продольном

'прод

и поперечном гпопер направлениях для поверхностей СК различаются,

неровность будем считать сферической с приведенным радиусом, равным г =

^Гпрод • Гп

'прод 'попер-

В процессе статического контактирования поверхностей, первыми принимают нагрузку находящиеся напротив друг друга наиболее выступающие элементы участка шероховатости с высотами Rmax, образуя при

этом контактирующие площадки. При увеличении нагрузки в контакт вступают элементы, имеющие меньшие высоты.

Приведем расчетные формулы для выявления зависимости площади фактического касания Аг от геометрических особенностей контактирующих поверхностей, механических характеристик материалов, силы нажатия при статическом нагружении [42], [38].

Для начала, определим контурную площадь контакта, которая составляет, как правило, порядка десяти процентов от номинальной

vw

Л — Л • Ь • Ь

"■с

т1/2 •<>•?«

Рм+З

(2.1а)

и контурное давление

— ^ • — (2.2а)

N

где ра — ~ - номинальное контактное давление, возникающее в зоне Аа

контакта, при номинальном усилии Ы; Ш, - параметры волнистости поверхностного слоя более твердого материала пары; Ш — Rmax - высота волнистости; Rmax — 1,5 • Rz - максимальная высота шероховатости; Rz -

5 2

высота неровностей профиля по десяти точкам; Rw — - приведенный

радиус волнистости; ку, б - коэффициенты, зависящие от влияния шероховатости на деформацию волн; Sw - средний шаг местных выступов профиля в продольном направлении; к№ - коэффициенты, зависящие от наличия волнистости.

Численные значения коэффициентов задаются в зависимости от типа шероховатостей поверхностей и условий сопряжения. При контактировании двух тел с различными характеристиками площадь фактического контактирования вычисляется при использовании физико-механических параметров более мягкого материала, при задании микрогеометрии поверхности для более твердого тела. Коэффициенты микрогеометрии определяются для более твердого материала КП - для стали.

Упругая постоянная материалов КС определяется как в = X , где =

-1-— упругие постоянные для каждого материала из КП, при модулях

упругости материалов и коэффициентах Пуассона ^.

Определив контурную площадь и давление, можем рассчитать среднюю фактическую площадь одного пятна касания для статического контакта.

ДЛГ = 0,5£ггДа (-У/2 (2.3а)

и количество пятен касания на номинальной площади Аа

„^-^(Е^2, (2.4а)

Г кгГИаКРг;

где рг - фактическое давление, кг - коэффициент деформации, Ra- среднее арифметическое отклонение профиля; г = ^гпродгпопер - приведенный радиус неровностей шероховатости, где гпрод и гпопер - радиусы кривизны вершин неровностей шероховатости в поперечном и продольном направлениях.

Фактическое давление в зоне контакта при упругой деформации шероховатой и гладкой поверхности определяется по формулам Герца

/К \ °-4

Рг = 0,8 • • рс0,2. (2.5а)

Таким образом, площадь токопередачи определим, как

Аг = ЛЛГ • пг. (2.6а)

Площадь не участвующая в токопередаче А' = Аа — Аг.

В зависимости от материала, класса шероховатости, условий эксплуатации, стадии приработки и т.д. фактическая площадь ориентировочно составляет 0,01^0,5% от номинальной площади.

Приведенные выше формулы получены для неподвижного контакта. Они могут быть справедливы для СК, если напряжение при переходе от покоя к скольжению изменяется незначительно. В нашем случае в скольжении участвуют приработанные поверхности, без учета этапа приработки. Это случай, когда микрогеометрия поверхностей - установившаяся, типичная для данных условий трения. В этом случае имеет значение изменение площади

касания только при сдвиге на расстояние, равное диаметру пятна касания, потому что после этого единичный контакт разрушается и процесс повторяется. Сравнивая площадь контакта в неподвижном состоянии при действии только вертикальной силы с площадью контакта при сдвиге с приложением тангенциальной силы, фактическая площадь при сдвиге приблизительно на диаметр пятна касания не превышает площадь контакта в неподвижном состоянии более чем на 7% [38].

При скольжении, в отдельных зонах фактического контактирования могут появляться высокотемпературные очаги достигающих значений температур плавления материалов контактной пары. Период проявления эффекта составляет порядка 10-3...10-8 с, при этом упругая деформация переходит в пластическую и диаметр отдельных пятен фактического контакта увеличивается [38]. Таким образом, примем, что увеличение фактической площади за счет скольжения, нагрева, изменения напряженного состояния, оттеснения неровностей, усталостных и др. явлений составляет 10% от площади неподвижного контактирования, т.е. АГ5 — Аг + 0,1 • ААГ • пг.

При движении щетки по стальному кольцу номинальное контактное давление имеет постоянную и переменную составляющую, первая из которых определяется постоянным усилием нажатия на щетку, а вторая определяется наличием кинематических возмущений, являющихся результатом тангенциальных, радиальных и аксиальных колебаний неровностей контактной поверхности кольца. В результате модуляции переменной составляющей внешнего воздействия, происходит изменение площади фактического контактирования деталей за счет изменения количества контактных площадок пг в ПС, при сохранении их размеров ААГ практически неизменными.

Экспериментально подтверждено, что при изменении нагрузки изменение количества контактирующих пятен происходит значительно интенсивнее, чем изменение площади одного пятна [38].

Так как в результате кинематических возмущений возможно сильное нарушение контактирования в СК, введем следующие допущения.

Сделаем допущение, что при скольжении с нарушениями контактирования, снижение фактической площади контактирования у контакт-деталей обусловлено уменьшением давления на щетку в kred раз.

Высота КС, определяемая, Rz - параметром шероховатости более твердой контактной поверхности, то есть кольца, а также параметром Ra, увеличатся в kred раз, kred - коэффициент корректировки давления. Тогда, параметры контактирования изменятся следующим образом:

Pa_red = Pa/kred - номинальное контактное давление;

Rzred = Rz • kred - высота ПС.

Тогда Wred = Rmax • kred = W • kred - высота волнистости; Rmax _red = 1,5 • Rz • kred = Rmax • kred - максимальная высота шероховатости; Rw_red =

— = Rw/kred - приведенный радиус волнистости.

ъшге(1 8 ш-кгей

Контурная площадь контакта изменится в соответствии с коэффициентом корректировки давления кгеа.

л = л •и •и

Г\г ГОЛ П Г1 А, 1*7

Vw

1/2

(2 Rw/kredy/¿ л

vw+S

= Ac • kA_red, (2.16)

-2vw

где kAc red = kredv™+s

Контурное давление также изменится в соответствии с коэффициентом

kr

lp_red■

i fwk V^w+S) ¿

Pe red = —— [z^rí I • (Pa/kred)Vw+S = Vc-kp red, (2.26)

vw-K.y \ ¿--i 1

^red

vwS

где kpred = kredv™+s.

Средняя фактическая площадь одного пятна касания:

Rw

AAr red = 0,5krRakred • - (—_ ) = AAr • kAred, (2.36)

Kred ^-Vrjred'

0,4^-0,2

где kA red = kred"v™+s

и количество пятен касания на номинальной площади Аа

2-^с гей

= пг • геа, (2.4б)

гевУ

^^ ^^^ ^ I |

о -0 2 О,4(уш-5)-2Уш _0 2

где = кгей^+5 • ' ' = игей

рассчитываются при следующем фактическом давлении в зоне контакта:

Л о (*а*геЛ\°А 0 2 ! 0.2^+0.4 ...

Рггеа = 0,8 • •Рс_геа0,2 =Рг •Кеа . (2.5б)

В результате, площадь токопередачи при скольжении с нарушениями контактирования измениться в кгей раз:

^г гей Д^г_гей • ^г_гей ^гб • ^Аг_гей, (2.6б)

0,8(Уш-5)-2Уш 0 4

где кАг гей = ' , = + 0,1 • • пг - площадь

токопередачи при скольжении.

Формулы математической модели скользящего контакта (2.1а-2.6а) при статическом контакте и формулы для динамического контакта, с учетом снижения контактного давления в кгей раз (2.1б-2.6б) и соответствующих параметров шероховатости, сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

Математическая модель для расчета площади токопередачи в скользящем контакте

Наименование Расчетные формулы

При статическом контакте (2.1а-2.6а) При скольжении с учетом снижения контактного давления в kred (2.16-2.6 б)

Номинальное контактное давление N Я а Pa_red Pa/kred

Контурная площадь Ас — Аа • kw • kv vw \1/2 ■(иГ) vw-S ^cjred — Ac • кдc_red, где ^4c_red — kredVw+s

Контурное давление 1 Vc — v -к I w > "w 2 Ow + S) 5 ■ P</w+5 Vw Pc_red Pc • kp_red, где kp_red kre^2(Vw+S^

Средняя фактическая площадь одного пятна AAr — 0,5fcrr#a (Ei) w 1/2 0 4Vw~S 0 2 AAr red — A^r • kA_red, где kA red — fcred

Количество пятен на номинальной площади n = ПГ TiY крг) L/2 0,4(Vw-5)-2Vw 0 0 ^r_red • kn re^, где kre^ vw+S

Фактическое давление в зоне контакта Vr — 0,8 • (r Ra ■02 ^0,4 ■ Pc0'2 и 0.2 ^"V04 Pr_red Pr • ^red w

Площадь токопередачи ^^ — A^^ • я r . ^r red ^rs • k^r red, 0,8(VW-S)-2VW 0 1 где kAr red — fcred ^w+5 ' , — Ar + 0,1 • Ar

Площадь не участвующая в токопередаче A — Ar A' , — И — A , " red a r_red

2.1.3. Математическое описание емкости и электрического сопротивления переходного слоя скользящего контакта

Электрическое сопротивление фактической площади контактирования двух проводящих поверхностей - сопротивление ПС контакт-деталей -определяется, как электрическое сопротивление стягивания пятна

токопередачи по формуле Хольма Я = где р - удельное сопротивление

материала контактов; г - совокупный характеристический радиус пятна токопередачи [100].

Приняв допущение, что совокупная площадь токопередачи Аг в плоскости ПС является единым круглым пятном с радиусом г, совокупный

радиус токопередачи определим, как г = ^^ [100].

Электрическое активное сопротивление ПС «щетка - КК» Яп складывается из сопротивлений стягивания для отдельных полупространств -

для щетки и для КК Дпщ = , Дпк = , где рк , рщ - удельные

2- 2-

у п уж

сопротивления материалов области ПС,

Кп = Кпк + Кпщ=1^-г- (Рк + Рщ). (2.7)

Переходная емкость образуется между контактными поверхностями в зонах, через которые не осуществляется токопередача [9]

л'

Сп = Е-£о-± , (2.8)

где А' = Аа— Аг площадь обкладки образующегося конденсатора в ПС СК; Rz - высота ПС, высота неровностей профиля по десяти точкам для более твердого материала КП, стали, = Я2к ; £« 50 - относительная диэлектрическая проницаемость переходного слоя; £0 = 8,854 ■ 10~12 Ф/м -электрическая постоянная.

2.2. Численный расчет площади токопередачи, емкости и электрического сопротивления переходного слоя контактирующих поверхностей при скольжении.

Учитывая теоретические выкладки пункта 2.1, определим с некоторым приближением характеристики переходного слоя для контактной пары «щетка - КК» макета УСТ:

Тип КП

Щетка 20x32x64 Графит ЭГ-2АФ

КК Сталь 38ХВ

У обеих поверхностей в СК эксплуатационная шероховатость контактных поверхностей по виду технологической обработки соответствует полированию, класс шероховатости 8.

Определим параметры микрогеометрии поверхности стали, как более твердого тела в КП, таблица 2.2, 2.3 и физико-механические параметры графита, как более мягкого материала, таблица 2.4 [42].

Таблица 2.2.

Параметры шероховатости поверхностного слоя КК

Класс шероховатости Ятах Ш 5 Гпрод попер г

мкм мкм мкм мкм мкм мкм мкм мкм мкм

8 0,5 3,2 4,8 4,8 585, 9 150 500 300 387, 3

Я2- высота неровностей профиля по десяти точкам, рис. 2.3; Яа- среднее арифметическое отклонение профиля; Ятах = 1,5 • Я2 - максимальная высота

5 2

шероховатости; Ш = Ятах - высота волнистости; = ^ - приведенный радиус волнистости; - средний шаг местных выступов профиля в продольном направлении; г = ^гпродгпопер - приведенный радиус

неровностей шероховатости, где гпрод и гпопер - продольный и поперечный радиусы кривизны вершин неровностей шероховатости.

Таблица 2.3.

Вспомогательные коэффициенты для расчета микрогеометрии КП

кУ б кг

2 1,8 0,92 2,85 21

ку, б - коэффициенты, зависящие от влияния шероховатости на деформацию волн, определены при Ятах/Ш = 1; кш - коэффициенты, зависящие от наличия волнистости, кг - коэффициент деформации.

Таблица 2.4.

Значения физико-механических параметров КП

F N Ег Е2 ¡ в! в2 в

Па Н Па Па 1/Па 1/Па 1/Па

20103 10,24 206109 530106 (0,24-0,28 ) 0,25 4,5510-12 1,7710-9 1,7710-9

F - нормальное давление в описываемой КП; N = F • Аа - нагрузка на щетку; Аа - номинальная площадь контактирования с учетом нарезки; Е1,Е2 -модули упругости для стали и графита соответственно; л - коэффициент Пуассона для стали и для графита; в = вг + в2 - упругая постоянная материалов КС.

Дальнейший расчет произведен с использованием формул аналитической модели, таблица 2.1 или (2.1)-(2.7).

Таблица 2.5.

Расчетные параметры микрогеометрии КП, при нормальном давлении. Расчет проведен по формулам (2.1а)-(2.6а)

Ра Рс Рг S щ ла А: ААГ пг А'

Па Па Па м2 м2 м2 м2 м2 м2

20- 0,239- 6,671- 640- 512- 38,5- 58,27- 2,371- 1,381- 510,6-

103 106 106 10-6 10-6 10-6 10-9 103 10-6 10-6

Ра> Рс> Рг - номинальное, контурное и фактическое давления соответственно; Ла- номинальная (геометрическая) площадь контактирования (при использовании КК с нарезкой геометрическая площадь контактирования Аа = (0,5 ^ 0,8)5щ, где 5щ - площадь зеркала щетки); Ас, Аг - контурная и фактическая площади контактирования соответственно; пг - количество отдельных пятен касания на номинальной площади, имеющих единичную фактическую площадь ААГ ; А' = Аа — Аг площадь не участвующая в токопередаче на номинальной площади.

В зависимости от материала, класса шероховатости, условий эксплуатации, стадии приработки и т.д. контурная площадь контакта

составляет, как правило, менее 10% от номинальной площади Лс% =

7,52%, найденная величина попадает в предполагаемый диапазон.

Фактическая площадь контакта ориентировочно составляет 0,01^0,5%

. Аг 100% оптп/

от номинальной площади. Л%тах =-= 0,297%, найденная величина

Аа

также попадает в предполагаемый диапазон.

Увеличение фактической площади за счет скольжения, нагрева, изменения напряженного состояния, оттеснения неровностей, усталостных и других явлений составляет 10% от площади неподвижного контактирования, т.е. площадь токопередачи при скольжении Ars = Ar + 0,1 • AAr • nr = 1,52 •

-i а—6 2 л Ar 100% „ ЛОГ10/

10 м2; тогда процентная доля площади токопередачи Л% =-= 0,029%;

Лс-100% Аа

а площадь, не участвующая в токопередаче при скольжении: А5' = 510,5 • 10_6м2.

Таблица 2.6.

Расчетные значения электрических параметров КП при нормальном давлении на щетку, при скольжении, рассчитанные по формулам (2.7), (2.8)

А Ая' Сп

м2 м2 Ом Ф

1,52- 510,5- 9,454- 4,708-

10-6 10-6 10-3 10-8

рк = 0,15 10-6 Ом м - удельное сопротивление материала кольца; рщ = 13 10-6 Ом м - удельное сопротивление материала щетки; £ « 50 - относительная диэлектрическая проницаемость переходного слоя; £0 = 8,854 • 10_12 Ф/м -электрическая постоянная; Яп - полное активное сопротивление ПС с учетом сопротивлений стягивания для отдельных полупространств «щетка - КК» Япк = 1,078 10-40м, Дпщ =9,346 10-30м; Сп- переходная емкость, создаваемая близлежащими контактными поверхностями, не участвующими в процессе токопередачи.

Для расчета параметров КП для процесса скольжения при уменьшенном давлении, зададим коэффициент корректировки кгеа = 10 . Расчетные параметры микрогеометрии будут следующими, Таблица 2.7.

Таблица 2.7.

Расчетные параметры микрогеометрии КП, при уменьшенном давлении. Расчет проведен по формулам (2.1б)-(2.6б)

Ра_гей рс_гей рг_гей я щ Аа Ас_гей ^Аг_гей ^г_гей Аг_гей А' ^ ^ гей

Па Па Па м2 м2 м2 м2 м2 м2

20- 0,159- 6,154- 640- 512- 5,765- 4,958- 3,02- 1,498- 511,9-

102 106 106 10-6 10-6 10-6 10-11 102 10-7 10-6

Сопротивление и емкость ПС, при уменьшенном давлении на щетку, рассчитанные по формулам (2.7), (2.8) будут иметь следующие значения: Яп = 0,03 Ом , Сп = 4,721 • 10_9 Ф.

Допустим, при максимальном нарушении контактирования расстояние между контакт-деталями увеличится таким образом, что количество единичных контактных пятен в ПС уменьшиться до единицы пг = 1. Тогда, площадь токопередачи будет определена площадью единичного пятна, сопротивление и емкость ПС будут иметь значения, приведенные в таблице 2.8.

Таблица 2.8.

Расчетные параметры микрогеометрии КП, при максимальном нарушении контакта, рассчитанные по формулам (2.7), (2.8)

А А ■ ^ тт ^п_тт С

м2 м2 Ом Ф

58,27-10-9 51210-6 1,655 4,722-10-10

Мы нашли диапазон значений емкости и сопротивления ПС СК при устойчивой работе и при максимальном нарушении контактирования, Таблица 2.9.

Таблица 2.9.

Значения переходной емкости, переходного сопротивления и доли фактической площади контакта при устойчивом и максимально неустойчивом контактировании

Устойчивое контактирование в СК Максимально неустойчивое контактирование в СК

А%/тах Дп, Ом Сп ,Ф А//0тт Кптт, Ом Сп_тт, Ф

0,297 9,454 10-3 4,708-10-8 0,011 1,655 4,722-10-10

Найденные значения А0/отах и А%т;п попадают в заданный диапазон 0,01-0,5%.

В дальнейшем для расчетов нам потребуется ряд значений емкости и сопротивления ПС СК при переменном контактировании. Проведем их расчет.

Т.к. при контактировании без нарушений, процентная доля A%max = 0,297%, примем это значение за максимально возможное. За минимальное значение примем процентную долю при максимально неустойчивом контактировании A0%min = 0,011%. Тогда, промежуточные значения определим, исходя из предположения, что сопротивление и емкость ПС меняются по линейному закону - пропорционально фактической площади контактирования.

Используем метод линейной интерполяции в программе Matlab:

x=[0.2 97 0.011];% доля фактической площади контактирования

y1=[4.708e-8 4.708e-10]; %емкость ПС

y2=[9.454e-3 1.655]; %сопротивление ПС

xi = 0.297:0.00001:0.011;

y1i = interp1(x,y1,xi);

y2i = interp1(x,y2,xi);

subplot(2,1,1);

plot(x,y1,'or',xi,y1i,'r-');

hold on;

y1i = interp1(x,y1,xi,'spline');

plot(x,y1,xi,y1i) ;

grid on;

xlabel('Ar%');

ylabel('Cп');

hold off

subplot(2,1,2);

plot(x, y2,'or',xi,y2i,'gb');

hold on;

y1i = interp1(x,y2,xi,'spline');

plot(x,y2,xi,y2i) ;

grid on;

xlabel('Ar%');

ylabel ( 'R^) ;

hold off

е

е

и

Я

Рисунок 2.5 - Линейная зависимость переходной емкости от фактической

площади контактирования

2

О

0.05

0 1

0.15 Аг%

0.2

0.25

0.3

Рисунок 2.6 - Линейная зависимость переходного сопротивления от фактической площади контактирования

По графикам 2.5 и 2.6 определим промежуточные значения емкости и сопротивления ПС и сведем их в таблицу 2.10.

Таблица 2.10.

Значения переходного сопротивления и переходной емкости СК в зависимости от фактической площади контактирования

х% Дп Сп

% % Ом Ф

0,297 100 9,454-10-3 4,708-10-8

0,2916 98,2 0,04 4,624-10-8

0,286 96,3 0,07 4,535 10-8

0,281 94,6 0,1 4,46110-8

0,229 77,1 0,4 3,593-10-8

0,011 3,7 1,655 4,722-10-10

Рассчитаем индуктивность тела щетки и провода как индуктивность прямого проводника I = ^(¿п^ - 0,75), ¿щ = ¿тела щетки + ¿провода, ^0 =

4п • 10_7и сведем в таблицу 2.11. Численные значения заданы в соответствии с параметрами макета УСТ.

Таблица 2.11.

Индуктивность щетки с проводом для макета УСТ

^щетки ^провода ^щетки ^провода ¿тела щетки ¿провода ¿щ

м м м м Гн Гн Гн

64 10-3 12010-3 29 10-3 5 10-3 1,848-10-8 9,154-10-8 1,110-7

Где ^щетки , ^провода , ^щетки , ^провода длина и диаметр щетки и

токоподводящего элемента. ¿тела щетки , ¿провода , ¿щ - индуктивности тела щетки, токоподводящего элемента и суммарная индуктивность.

Таким образом, мы нашли все необходимые параметры для составления схемы замещения СК, в том числе и ряд значений динамически меняющихся электрических параметров переходного контактного слоя «щетка-КК», табл. 2.10, 2.11.

2.3. Исследование параметрической неустойчивости контура одиночного щеточного контакта посредством решения уравнения Матье II порядка для системы с диссипацией

На основе полученных данных, выполним исследование причин возникновения искрения в ЩКА и проведем поиск возможных способов его

устранения. Для этого разработаем методику определения зон параметрической неустойчивости ЭМ контура отдельной щетки УСТ посредством решения уравнения Матье II порядка для системы с одной степенью свободы и диссипацией [43], [44], [49], [79], [107], [116], проведем анализ электромагнитных резонансных процессов в контуре щетки и дадим рекомендации по подбору параметров устройства для их устранения.

2.3.1. Динамическая модель отдельного скользящего контакта

В связи с тем, что в электрических контурах щетки постоянно испытывают динамические воздействия, в контактном слое значения ёмкости и сопротивления имеют переменные значения. За счет этого, в области контактирования происходят процессы, вызывающие при определенных условиях ЭМ резонансные явления, которые могут являться причиной повышенного искрения и износа, а также кругового огня [100], [106], [107], [122], [63]. Резонансные явления обусловлены совпадением частот параметрической механической модуляции переходного сопротивления и переходной ёмкости СК с собственными частотами колебаний ЭМ контура ЩКА [60], [59], [28], [27].

Проведем построение областей параметрической неустойчивости для ЭМ контура скользящего контакта, выполним подбор параметров устройства сглаживающего колебания исследуемой системы. Для расчетов будем использовать часть схемы замещения УСТ, рис. 3.1а - схему замещения одиночного СК, рисунок 2.8.

¿Щ1 , - индуктивность и электрическое | Lв Lщ1 сопротивление тела щетки с проводом на первом

КК;

, £П1 - электрическое сопротивление и

Rb

ч1)Ев ^ „ ёмкость ПС щеточного контакта на первом КК;

' Сп1

, Ьв , Ев - электрическое сопротивление,

Рисунок 2.8. Схема замещения индуктивность и ЭДС источника одиночного скользящего контакта

электропитания обмотки возбуждения ТГ.

Электрический контур имеет операторное сопротивление:

Z±=L^p + R +

Rrn

1+Кп1Сп1р '

где R = R^ + RB; L = L^ + LB - суммарное сопротивление и суммарная индуктивность щетки и источника.

Тогда, операторное уравнение цепи Z1I1 = ЕВ , при подстановке Z± имеет вид:

[LRn1Cn1p2 + (L + RRn1Cn1)p + (R + Rni)]/i = (1 + RniCuP) • Ев .

Переводя переменные из p-области в t-область получаем линейное дифференциальное уравнение II порядка с периодическими коэффициентами.