Гпава третья
ВЫБОР МАРКИ ЩЕТОК ДЛЯ МАШИН С ЗАДАННОЙ КОММУТАЦИОННОЙ НАПРЯЖЕННОСТЬЮ
Процессы расчета и выбора марки щеток, обеспечивающей эксплуатационную надежность электрической машины, являются весьма ответственными этапами ее создания. При выполнении этой работы следует рассмотреть комплекс разнообразных вопросов. С одной стороны, учитываются индивидуальные особенности проектируемой машины, условия и режим ее работы, свойства среды, для применения в которой она предназначена, и другие факторы, обусловленные собственно машиной и условиями ее использования. С другой стороны, в процессе конструирования машины приходится анализировать свойства и возможности материала, из которого будут изготовлены для нее щетки, рассчитывать их размеры и необходимое количество, определять геометрическую форму, выбирать элементы армировки, способ заделки токоведущего провода и т.п.
Очевидно, что все перечисленные вопросы взаимосвязаны и их следует решать совместно. Нельзя, например, закончить расчет деталей узла токосъема и системы щеткодержателей до выбора марки и конструкции щеток. В то же время окончательный выбор марки и конструкции щеток не может быть произведен без учета параметров, характеризующих узел токосъема. Следовательно, расчет и выбор марки щеток не являются самостоятельными операциями. Правильней полагать, что эти операции являются этапами конструирования щеточно-коллекторного узла машины в целом и первым из них должен явиться выбор материала, из которого следует изготовить щетки, или, что то же, выбор марки щеток.
Первое представление о способе выбора марки щеток для электрических машин специалисты получают из курсов и руководств по их проектированию. Типичная схема изложения в них относящейся к рассматриваемому вопросу информации состоит в том, что вслед за тщательно проработанным и математически аргументированным расчетом коммутационных характеристик машины читателю предлагается произвести выбор марки щеток, пользуясь сведениями соответствующего стандарта. Обращение к этому стандарту показывает, что в нем нормированы интервалы численных значений ряда лабораторно определяемых характеристик щеточных материалов и в самом общем виде указаны преимущественные области применения изготовленных из них щеток. Указанные области применения отнесены к щеткам всех марок, входящих в каждый из содержащихся в стандарте четырех классов щеточных материалов. Так, например, для всех изделий электрографитированного класса, в который входят щетки марок ЭГ2А, ЭГ2АФ, ЭГ4, ЭГ8, ЭГ14, ЭГ52, ЭГ61, ЭГ74, ЭГ74АФ и ЭГ85,в качестве преимущественной области применения указаны ’’генераторы и двигатели со средними и затрудненными условиями коммутации и контактные кольца”. Естественно, что при столь скудной информации об эксплуатационных вообще и коммутирующих, в частности, свойствах щеток излагаемая в курсах и руководствах по расчету электрических машин цепь логических рассуждений, определяющих выбор марки щеток, ’’разрывается'’, и задача своего обоснованного решения не получает.
Несколько более информативны каталоги на щетки. Здесь для каждой марки изделий более определенно указаны области применения, но оценка коммутационной напряженности электрических машин, для которых они предназначены, продолжает, как и в ГОСТ 2332—75, оставаться качественной.
Отдельные попытки разработать метод выбора марки щеток для электрической машины можно найти в некоторых работах, рассмотренных в гл. 2 настоящего издания. Так, в работе В. Гейнриха [12] отмечается, что высокографитные щетки можно успешно применять на машинах, качественный коэффициент коммутации ξ которых не превышает 7. В публикации И. Нейкирхена [13] содержится рекомендация об использовании для различных образом поляризованных щеток материалов различного класса. В статье [6] предлагается применять на высокоиспользуемых электрических машинах щетки, динамическая вольт-амперная характеристика которых отличалась бы большей крутизной подъема. Перечисленные сообщения опубликованы в 1929— 1957 гг., но ни они, ни появившиеся в последующие годы другие публикации на эту тему не дали исчерпывающего решения задачи о выборе марки щеток для определенной машины. Общим их недостатком является отсутствие количественных оценок как коммутационной напряженности электрических машин, так и коммутирующих свойств щеток. Первый шаг на пути устранения этого недостатка был сделан Я.С. Гуриным и В.И. Кузнецовым в книге [17], содержавшей рекомендации по выбору щеток, приведенные в таблице.
Принципиальная особенность приведенной рекомендации, выгодно отличающая ее от всего, что ранее рекомендовалось другими авторами, состоит в том, что здесь дана хотя и весьма грубая, но все же количественная оценка условий работы электрических машин, выраженных значением коммутационной напряженности (реактивной ЭДС) ег. Что касается КСЩ, то и здесь своей оценки она не получила, так как все щетки электрографитированного класса в этом отношении оказались равнозначными.
Отмеченные недостатки методов не послужили препятствием для повторения рекомендаций в книге, вышедшей шесть лет спустя [18]. Очевидно, для получения окончательного решения задачи выбора марки щеток для заданной машины представляется необходимым произвести более дифференцированную оценку ег электрических машин, в целом увязав ее с дифференцированными значениями свойств щеток разных марок. Решение сформулированной таким образом задачи представлено номограммой, изображенной на рис. 5. В этой номограмме обобщен почти сорокалетний опыт работы автора в области наладки коммутации электрических машин самых различных назначений и мощностей (вплоть до предельных), эксплуатируемых на промышленных предприятиях разных отраслей народного хозяйства.
Р и с. 5. Номограмма для выбора марки щеток к электрической машине с заданным значением реактивной ЭДС
значениями ег, и коммутационные способности щеток, определяемые значениями индекса коммутации N. Из номограммы следует, что машины, характеризуемые значениями ег < 2,5 В, могут удовлетворительно эксплуатироваться со щетками марки 61 ЮМ, машины, у которых значения ег доходят до 3,5 В, могут оборудоваться щетками марки ЭГ4, машины, у которых ег = 2 -г 4,5 В, — со щетками марки ЭГ2А и т.д.
Описываемое решение вопроса выбора марки щеток для машины с заданной коммутационной напряженностью следует полагать логическим завершением работ, начатых В. Гейнрихом в 1929 г., когда он пытался связать группу щеточного материала с ’’качественным” коэффициентом коммутации машины ξ [12]. Таким образом, представляется возможным констатировать, что 60-летний поиск привел к результатам, позволившим дать практике достаточно полный ответ на рассмотренный здесь вопрос.
При пользовании номограммой следует иметь в виду, что даваемые ею рекомендации касаются обеспечения допустимой степени искрения на коллекторах электрических машин, обусловленной их коммутационной напряженностью. В реальных условиях эксплуатации возможна ситуация, когда искрообразование в скользящем контакте обусловлено действием механических факторов, к числу которых относятся всевозможные макро- и микронарушения рабочих поверхностей коллекторов, неуравновешенность якорей, неудовлетворительное состояние нажимных устройств щеткодержателей и, наконец, жесткость щеточных материалов. Последняя характеристика предопределяет виброустойчивость этих материалов, которая оказывается тем меньшей, чем большее количество технического углерода додержится в их составе. Таким образом, оказывается, что склонность щеток к вибрациям возрастает вместе с ростом их коммутирующих свойств. Качественно рост подобной склонности совпадает с характером возрастания линии N на рис. 4 Подобное обстоятельство объясняет, почему в некоторых случаях наладки коммутации искрение на коллекторе удается устранить, применяя щетки с меньшей коммутирующей способностью, но с большей виброустойчивостью. Описанная ситуация возникает в случае, когда причиной искрообразования являются механические, а не электрические факторы, связанные с коммутацией. Выявить подобную ситуацию можно, наблюдая за характером искрения. При действии механических факторов интенсивность искрения не зависит от нагрузки на машину, оно возникает не только под сбегающим краем щетки, а и под всей ее контактной поверхностью, и его можно уменьшить, повышая давление на щетки и уменьшая окружную скорость на рабочей поверхности коллектора. Характерным для рассматриваемого вида искрения является цвет, в котором преобладает зеленая окраска.
Напряжение | 6-12 | 12-25 | 25-60 60-80 | 80-110 |
Марка щеток МГ1 | МГ2 | МГ4 | Ml; Мб М20 | 61 -110 |
Удельное электрическое сопротивление, 0,04-0,12 мкОм·м | 0,1-0,25 | 0,3-1,3 | 2-5; 1-6 3-13 | 8-22 |
Переходя к выбору марки щеток для электрических машин низкого напряжения в качестве определяющего фактора следует использовать в соответствии с отмеченным ранее значения их рабочего напряжения. Машины низкого напряжения в большинстве случаев оборудуются щетками металлографитного класса, коммутирующие возможности которых коррелируются с характеристикой удельного электрического сопротивления материалов, из которых они изготовляются. Как показано на рис. 4, особенность этой корреляции состоит в том, что коммутирующие способности щеток уменьшаются по мере увеличения содержания в их составе количества меди. Следовательно, содержание этого компонента должно быть тем меньшим, чем более высоким является рабочее напряжение электрической машины. Поскольку увеличение содержания меди в составе материала щеток самым непосредственным образом влияет на уменьшение их удельного электрического сопротивления, то изложенное правило можно сформулировать и так: для машины более высокого рабочего напряжения следует применять щетки с более высоким удельным электрическим сопротивлением.
Практическая реализация изложенного правила осуществляется путем выбора для электрических машин низкого напряжения щеток марок, указанных в табл. 1.
При выборе марки щеток в дополнение к указанному ранее необходимо располагать информацией по их параметрам, содержащейся в нормативно-технической документации (табл. 2). Эти сведения предназначены главным образом для контроля за ходом технологического процесса производства материалов, используемых при изготовлении щеток, и определяются в соответствии с ГОСТ 9506—74. Удельное электрическое сопротивление и твердость для щеток всех марок определяются одними и теми же методами. Переходные падения напряжения, коэффициент трения и износ для щеток разных марок определяются по- разному. В одних случаях используются короткозамкнутые коллекторы типа КЗК-280, а в других — типа КЗК-95.
Таблица 2. Параметры щеток, изготавливаемых в СССР
Марка | Номинальная плотность тока, А/см2 | Допустимая | Удельное | Удельное электрическое сопротивление, мкОм·м |
МГ4 | 24 | 30 | 20-25 | <1,3 |
МГ4С | - | — | — | 1.7 ± 1,3 |
МГС01 | - | - | - | <0,3 |
МГСОА | - | - | - | 0,2 ± 0,1 |
МГС01А | - | - | — | <0.8 |
МГС5 | 24 | 35 | 20-25 | 8,5 ± 6,5 |
МГС9А | - | — | — | <10 |
МГС20 | — | — | — | <0,4 |
МГС51 | - |
| — | 7,5 ± 5,5 |
6110М | 15 | 90 | 12-22 | 15 ±7 |
| ||||
Твердость, 107 Па | Переходное падение напряжения на пару щеток, В | Коэффициент трения, не более | Износ за 20 ч, мм, не более | Нормативный документ |
16 ±6 | <1,6 | 0,2 | 0,3 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.211.037 |
- | 1,1 ±0,5 | 0,2 | 0,3 | ТУ 16.538.063-76 |
13 ±7 | <3,5 | 0,25 | 0,60 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.211.037 |
29 ± 15 | 0,3 ± 0,2 | 0,24 | 0,60 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.267.001 |
13 ±7 | <0,5 | 0,25 | 0,60 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.267.001 |
13+7 | 1,3 ±0,6 | 0,22 | 0,4 | ТУ 16.538.351-80 |
25 ± 13 | <2,0 | 0,25 | 0,4 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.267.001 |
15 ± 10 | 0,65 ± 0,35 0,25 | 0,6 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.267.001 | |
13+7 | 1,85 ± 0,65 0,22 | 0,35 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.267.001 | |
9 ±3 | 1,2 ±0,5 | 0,3 | 0,4 | ТУ 16-88, ИЛЕА.685.211.037 |
Примечание. Для щеток металлографитного класса приведен износ за 50 ч.
Окружные скорости, плотности тока и нажатие на щетки в коллекторах для названных типов различны. По указанной причине следует предостеречь от попыток сравнивать между собой значения трех последних характеристик для разных марок. Следует также отметить, что приводимые в табл. 2 значения износа характеризуют износостойкость щеток при испытании их на короткозамкнутом коллекторе, а не на реальной электрической машине.
Щетки металлографитного класса, перечисленные в табл. 1, имеют еще одну область применения — контактные кольца синхронных (щетки марок МГ1, МГ4, Ml) и асинхронных машин (щетки марок МГ1, МГ2, МГ4, М20) и одноякорных преобразователей (щетки марок МГ2, МГ4, Ml).
Выбирая щетки для электрических машин с контактными кольцами, следует иметь в виду материал, из которого изготовлены последние. В общем электромашиностроении для указанной цели применяется бронза, латунь, медь, сталь и чугун. Систематизированных сведений о достоинствах и недостатках каждого из перечисленных материалов в применении к контактным кольцам в настоящее время не имеется. Можно только отметить, что по данным обследования большого количества электрических машин (принятых за 100%) относительное количество случаев использования перечисленных материалов оказалось следующим:
Материал контактного кольца | Количество электрических машин, имеющих контактные кольца из данного материала, % | |
асинхронных | синхронных | |
Бронза | 38 | 10 |
Латунь | 20 | 14 |
Медь | 15 | - |
Сталь | 15 | 69 |
Чугун | 12 | 7 |
Рассмотрим далее принцип выбора марки щеток для коллекторных двигателей переменного тока. Как было отмечено ранее, коммутационная напряженность названных машин определяется сочетанием реактивных и трансформаторных ЭДС, причем значения последних всегда являются большими. По указанной причине значения этих ЭДС и определяют выбор марки щеток, используемой на коллекторах машин рассматриваемого типа. В случае, если у них низкие значения трансформаторной ЭДС (порядка 1,3-1,9), следует применить щетки марки Г26. При средних значениях этой ЭДС переходят к применению щеток марки Г22. При дальнейшем повышении ЭДС удовлетворительную эксплуатацию обеспечат щетки марки ГЗО. Изложенные рекомендации основаны на результатах всестороннего исследования работы щеточноколлекторных узлов коллекторных машин переменного тока, описанных в [19].
Там же указано, что эта рекомендация справедлива прежде всего для многофазных электродвигателей, возбуждаемых со стороны ротора. Для электродвигателей с шунтовой характеристикой, питаемых со стороны статора, возможно также использование щеток марок ЭГ14, ЭГ51 и ЭГ74, о которых сообщалось ранее. Технические характеристики щеток марок Г22, Г26 и ГЗО приведены в табл. 2. Щетки этих марок имеют одну особенность, отличающую их от других электроугольных изделий, рассмотренных в настоящем издании. Упомянутая особенность состоит в использовании при их изготовлении синтетических связующих веществ. Подобное обстоятельство обеспечило придание изделиям перечисленных марок весьма высоких эксплуатационных свойств. Об этом свидетельствует опыт их использования на коллекторных электрических машинах переменного тока, импортированных в страну в составе закупленных за рубежом промышленных комплексов. В публикации [20] сообщено о результатах наблюдений за работой таких электрических машин, изготовленных в самых различных странах. На этих машинах в состоянии поставки находились щетки нескольких десятков марок, изготовленные ведущими фирмами Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, США и других стран. После отработки ресурса поступивших из-за рубежа щеток все они были заменены отечественными изделиями марок Г22, Г26 и ГЗО. Оценка эксплуатационных свойств последних, показывающая, какое относительное количество щеток (в процентах) попало в различные группы показателей их работы, видна из табл. 3.
Приведенные цифры свидетельствуют о практически одинаковой коммутационной способности сравниваемых изделий и несколько большей износоустойчивости отечественных.
Помимо коллекторов электрические машины рассматриваемого типа имеют еще и контактные кольца. Здесь используются щетки марок МГ1, МГ4, 61 ЮМ, ЭГ4 и ЭГ14, сведения о которых приводились ранее.
Процедура выбора марки щеток для электрических машин общепромышленного назначения изложена ранее в настоящей главе.
Таблица 3. Сравнительная оценка эксплуатационных свойств щеток марок Г22, Г26 и ГЗО и ряда марок щеток зарубежного производства
Машины этого назначения эксплуатируются на промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйства. Условия, в которых они эксплуатируются, и режимы их работы весьма разнообразны. Наряду с ними в этих отраслях распространено большое количество типов электрических машин, условия использования и режимы работы которых в достаточной степени определены. Предназначенные для них марки щеток специализированы по областям применения. Номенклатура этих марок постоянно пополняется за счет разработки новых изделий. В последующем изложении будут рассмотрены главным образом те из них, которые разработаны в последние годи и эксплуатационные свойства которых являются наиболее высокими. Рассмотрение начнем со щеток, предназначенных для электрических машин рельсового транспорта. Тяговые двигатели электровозов, тепловозов и мотор-вагонов следует оборудовать щетками марок ЭГ61, ЭГ61А, ЭГ74 и ЭГ75. Для тяговых двигателей метро и трамваев предназначены изделия марок ЭГ62 и ЭГ84-1. Изделия двух последних марок предназначены также и для тяговых двигателей троллейбусов.
Что касается транспорта на резиновом ходу, укажем, что электрические машины автомобильной серии ориентированы на использование щеток марок ЭГ13, ЭГ13П, ЭГ50 (генераторы постоянного тока), ЭГ51А, Ml А (генераторы переменного тока), МГС9А и 96-0 (вспомогательные машины). Особую группу в серии щеток автомобильного назначения составляют щетки стартеров. В эту группу входят изделия марок МГСОА, МГС01, МГС20, МГС5 и МГС51. Первые три из перечисленных марок предназначены для использования на стартерах, напряжение которых не превышает 12 В, остальные — для стартеров, напряжение которых достигает 24 В. Нормативно-техническим документом на щетки автотракторного электрооборудования является ТУ 16—88, ИЛЕА. 685.267.001 ТУ. В соответствии с содержащимися в нем характеристиками и производится выбор последних для стартеров конкретного типа.
Электрооборудование приборов бытовой техники и электроинструментов следует снабжать щетками марок Г21 и ГЗЗ. Для универсальных малогабаритных электрических бритв постоянного и переменного тока отлично работают со щетками марки ЭГ17.
Использование электроугольных изделий на оборудовании электростанций в последние годы начало сокращаться. Происходит это из-за начавшегося в 70-х годах распространения бесщеточных систем возбуждения. Имея в виду, что иногда создаются резервные системы возбуждения, напомним, что контактные кольца отрицательной полярности турбогенераторов мощностью 300 и 500 МВт оборудуются щетками марки ЭГ2АФ, а кольца противоположной полярности — щетками марки 61 ЮМ. Изделия последней марки могут применяться на кольцах обеих полярностей турбогенераторов мощностью до 300 МВт. Выбор марки щеток возбудителей турбогенераторов определяется их мощностью. При мощности 200—250 кВт возбудители удовлетворительно работают со щетками, индекс коммутации которых близок к единице (ГЗ, ЭГ4, 61 ЮМ). Более мощные возбудители требуют применения щеток с повышенной коммутационной способностью (ЭГ74).
Коснувшись области производства электроэнергии, упомянем о щетках, используемых в системе ее распределения. Здесь имеются в виду щетки, предназначенные для синхронных компенсаторов. Выбор щеток для тех из них. в которых сохраняется электрический скользящий контакт, определяется условиями его работы. Синхронные компенсаторы, контакт которых располагается в обычной воздушной среде, оборудуются щетками марки ЭГ2АФ (компенсаторы типов КС5000—6, КС7500—6, КС 15000-6, КС 15000-11, КС30000-11). В компенсаторах типов КСВ37500-11 и КСВ75000-11 скользящий контакт располагается в объеме, заполненном водородом. В этом случае следует воспользоваться изделиями марки ЭГ74АФ. При возникновении некоторых особых условий эксплуатации электрического скользящего контакта всегда нужно использовать специально предназначенные электроугольные изделия. Так, например, если в окружающей контакт среде присутствуют пары кремнийорганических соединений, удовлетворительная работа контакта обеспечивается применением щеток марки ЭГ74К. Для электрических машин, используемых в кратковременном цикле, температура коллектора которых достигает 350 °С, следует воспользоваться изделиями марки ЭГ63. Для высокомоментных электрических машин с кремнийорганической изоляцией предназначены щетки марки ЭГ86.
В заключение заметим, что изложенные в настоящей главе рекомендации по выбору марки щеток являются обобщением многолетней деятельности ВНИИЭИ — головной в стране организации по электроугольным изделиям. При возникновении каких-либо затруднений в обеспечении нормальной эксплуатации элементов скользящих контактов электрических машин целесообразно обращение в эту организацию.
