Лившиц П. С.
Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация), Москва, «Энергия», 1974.
В книге обобщены результаты работ по обеспечению надежной эксплуатации скользящего контакта коллекторных электрических машин и электрических машин с контактными кольцами.
Рассмотрены специальные вопросы прохождения тока в скользящем контакте и описан подбор щеток для электрических машин, используемых на электростанциях, предприятиях металлургической промышленности, железнодорожном, авиационном и автомобильном транспорте и в других отраслях народного хозяйства. Показано, как решается аналогичная задача в промышленности ГДР, ЧССР, ПНР, Англии, Франции, Японии и ФРГ.
Книга предназначена для инженерно-технических работников и квалифицированного персонала, занятых изготовлением, ремонтом, наладкой, испытанием и эксплуатацией электрических машин.
ПАВЕЛ СЕРГЕЕВИЧ ЛИВШИЦ
ПРЕДИСЛОВИЕ
В деле обеспечения надежной эксплуатации современных коллекторных электрических машин и машин с контактными кольцами совершенно исключительная роль принадлежит элементам, обеспечивающим прохождение тока между взаимоперемещающимися частями этих машин. Особенность работы названных элементов, образующих скользящий электрический контакт, состоит в том, что она обусловлена действием значительного количества различных факторов, одна часть которых заложена собственно в машинах, а другая находится вне машин. Первая часть упомянутых факторов связана с расчетом и проектированием электрических машин, технологией их изготовления и используемыми материалами. Вторая часть обусловлена режимами эксплуатаций машин и состоянием среды, в которой эта эксплуатация осуществляется. Взаимодействие перечисленных факторов таково, что правильно рассчитанная, хорошо построенная и надлежащим образом отрегулированная коллекторная электрическая машина может перестать удовлетворительно работать только потому; что в составе окружающей ее атмосферы абсолютное содержание водяного пара оказалось меньше 1—3 г/см3, или потому, что в составе этой атмосферы на 1 млн. частей воздуха приходится 10 частей кремнийсодержащих веществ. Наряду с указанным можно, естественно, привести и такие примеры, когда удовлетворительное состояние окружающей среды не гарантирует надлежащую эксплуатацию электрооборудования из-за дефектов расчета и изготовления, приведших к расстройству режима работы скользящего контакта. Из изложенного следует, насколько существенно и важно для практики эксплуатации электрооборудования изучение различных обстоятельств, влияющих на характеристики используемого в нем контакта. Необходимость подобного изучения ощущалась на всех этапах развития электромашиностроения. Между тем знакомство с историей этого развития и с современным состоянием вопроса обнаруживает существование значительной диспропорции между степенями изученности различных факторов, влияющих на работу электрического скользящего контакта. Если одни из них изучены настолько полно, что поддаются вполне строгому количественному учету, то закономерности, определяющие влияние других, описаны только в самом общем виде. Как всегда бывает в последней ситуации, отсутствие основополагающей руководящей идеи приводит к необходимости рассмотрения большого числа частных случаев. Именно в подобном положении находится изучение влияния на характеристики скользящего контакта состояния окружающей среды, материала контактных элементов, вводимых в эти материалы легирующих добавок и пропитывающих веществ, температуры, давлений и ряда других показателей. Изучению влияния этих показателей на характеристики электрического скользящего контакта посвящено значительное количество исследований, опубликованных в самых различных изданиях. Особенность этих публикаций состоит в том, что они касаются отдельных частных вопросов проблемы и не объединены каким-либо руководящим принципом. Методическая особенность предлагаемой вниманию читателей книги состоит в том, что в ней предпринята попытка связать характеристики скользящего контакта с составом материалов, из которых изготовлены образующие его элементы, и рассмотреть изменения этих характеристик в зависимости от влияния факторов, определяемых как собственно электрической машиной, так и состоянием среды, в которой она эксплуатируется. Использованные автором многочисленные источники информации следует рассматривать как составные части коллективного эксперимента, конечной целью которого является создание общей теории работы скользящего контакта электрических машин. Автор отдает себе отчет в том, что в настоящем труде конечной цели полностью достичь еще не удалось. Тем не менее, определенные результаты на пути к достижению этой цели уже получены и их использование в практике наладки и эксплуатации коллекторных электрических машин и машин с контактными кольцами принесет несомненную пользу.
Книга рассчитана на четыре категории читателей. Первую из них, наиболее многочисленную, составят инженерно-технические работники и квалифицированный персонал, занятые ремонтом, наладкой и эксплуатацией электрических машин в самых различных отраслях народного хозяйства. Вторую категорию составят специалисты, проектирующие и изготавливающие электрические машины; третью — работники электроугольной промышленности, разрабатывающие и выпускающие электрощетки; четвертую категорию составят специалисты, проявляющие интерес к узкоспециальным вопросам теории и практики эксплуатации скользящего контакта в электромашиностроении.
Автор выражает уверенность в том, что читатели, которым адресовано настоящее издание, найдут в нем немало полезных сведений, использование которых позволит повысить надежность работы электрооборудования, эксплуатируемого в самых различных отраслях народного хозяйства.
В заключение несколько слов о принятой в настоящей книге системе единиц измерений. Для устранения существующего в различных странах многообразия этих единиц XI Генеральная конференция по мерам и весам (Париж, октябрь 1960 г.) приняла международную систему единиц (Systeme international), сокращенно обозначенную литерами СИ (SI). К настоящему времени многие страны ввели единицы системы СИ в качестве обязательных и число таких стран непрерывно возрастает. Внедряется эта система и в СССР. Впервые ее узаконил в нашей стране ГОСТ 9867-61. После ряда усовершенствований и дополнений Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР в 1970 г. опубликовал окончательную редакцию проекта государственного стандарта «Единицы физических величин», предписания которой в настоящей книге и использованы. Для преодоления затруднений, возникающих у читателя при восприятии цифровых данных, наряду с единицами Международной системы в скобках указаны единицы измерения в системах, применявшихся ранее. Кроме того, в приложении I приведены переводные коэффициенты для перевода старых единиц измерений в единицы СИ. Принятые в книге округления при соответствующих перерасчетах дают ошибку, не превосходящую 2%; для рассматриваемых задач подобная ошибка вполне допустима. В книге применены также кратные и дольные единицы, образованные с помощью десятичных приставок, например, «гПа» — гектопаскаль (100 паскалей); «сН» — сантиньютон (0,01 ньютона) и др.
ВВЕДЕНИЕ
Развитию электромашиностроения всегда уделялось особое внимание, и в настоящее время оно является одной из передовых и наиболее организованных отраслей промышленности всякой индустриально развитой страны. Подобное положение достигнуто в результате работ выдающихся ученых, экспериментаторов, изобретателей и организаторов производства, чьими творческими усилиями осуществлялись становление и прогрессирующее развитие различных отраслей деятельности, связанных с разработкой теории, конструкций и совершенствованием производства электрических машин. У истоков этого процесса, начавшегося в первой четверти прошлого века, стояли М. Фарадей, доказавший возможность превращения электрической энергии в механическую (1821 г.), открывший явление электромагнитной индукции (1831 г.) и построивший первый магнитоэлектрический генератор (1831 г.), член Петербургской академии наук Б. С. Якоби, впервые создавший электродвигатель с непосредственным вращением якоря (1834 г.), коллектор для выпрямления тока, речной бот с электрическим приводом (1838 г.) и открывший появление обратной э. д. с. при вращении якоря; член Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета Э. X. Ленц, которым обобщен и сформулирован закон магнитной индукция (закон Ленца), доказан принцип обратимости электрических машин (1838 г.), опубликована первая в мире работа по исследованию магнитоэлектрической машины, установлено и правильно объяснено явление реакции якоря. Работы пионеров электротехники и электромашиностроения успешно были продолжены во второй половине XIX в. В 1860 г. А. Пачинотти создает электродвигатель с кольцевым якорем; 6
Г. Уайльд в 1863 г. строит электрическую машину с независимым возбуждением, а еще через 4 года появляется первая электрическая машина с самовозбуждением. В 1870 г. 3. Грамм применяет кольцевой якорь при сооружении электрического генератора; в 1872 г. Ф. Гефнер- Альтенек изобретает барабанный якорь; десять лет спустя, в 1882 г., Т. Эдисон сооружает первую электрическую станцию общественного пользования с подземной канализацией электроэнергии. В 1888 г. Г. Феррарис открывает принцип вращающегося магнитного поля, М. О. Доливо-Добровольский изобретает систему трехфазного тока, а Н. Тесла получает патент на электродвигатель многофазного тока и строит двухфазный асинхронный электродвигатель. Через год, в 1889 г., М. О. Доливо-Добровольский изобретает трехфазный асинхронный двигатель, а еще через несколько лет, в 1899 г., Э. Арнольд разрабатывает теорию коммутации электрических машин, которую в настоящее время называют классической и в основе которой лежит представление о постоянстве удельного переходного сопротивления в скользящем контакте (∆rщ=const).
В текущем столетии работы по развитию электромашиностроения приобрели принципиально новый характер. На смену ученым-одиночкам пришли мощные хозяйственные и научно-исследовательские организации, объединившие целые коллективы исследователей и организаторов промышленности. В нашей стране талантливыми руководителями научных школ, разрабатывавших теоретические вопросы электромашиностроения, и выдающимися организаторами электромашиностроительной промышленности являлись академики АН СССР Г. М. Кржижановский и К. И. Шенфер, академик АН УССР В. М. Хрущев, члены-корр. АН СССР М. А. Шателен и К. А. Круг, профессора Д. В. Ефремов, П. Л. Калантаров, В. Т. Касьянов, С. И. Курбатов, Л. М. Пиотровский, В. А. Толвинский и многие другие. В результате к настоящему времени созданы теория работы и методы расчета электрических машин самых различных мощностей и назначений. В основе разработанных методов лежат точные количественные соотношения, позволяющие рассчитывать магнитные и электрические цепи машин, их пусковые, регулировочные, рабочие, тепловые и прочие характеристики.
Эта отлично систематизированная и достаточно строгая схема расчета охватывает все части и детали электрических машин за исключением тех, которые участвуют в образовании электрического скользящего контакта. Физико-химические процессы, происходящие в зоне этого контакта, подвергающиеся влиянию окружающей среды, оказались настолько сложными, что до сих пор не удалось создать достаточно стройную теорию, позволяющую производить количественную оценку происходящих в скользящем контакте явлений. Вследствие указанного обстоятельства в практике эксплуатации возникают случаи, когда элементы скользящего контакта рассчитанной по оптимальному варианту, хорошо построенной и правильно отрегулированной электрической машины начинает плохо работать только потому, что в составе окружающей ее атмосферы на 1 млн. частей воздуха приходится 10 частей кремнийсодержащих веществ.
Приведенный пример, характеризующий влияние внешней среды на работу скользящего контакта электрических машин, является далеко не единственным. Период зарождения высотной авиации дал немало других примеров нарушения работоспособности скользящего контакта электрооборудования высотных летательных аппаратов, причем эти нарушения были столь значительными, что делали невозможной эксплуатацию названных аппаратов в условиях высоты.
Описанные примеры заимствованы из практики эксплуатации электрических машин в течение последних двух-трех десятилетий. Много других примеров воздействия на электрический скользящий контакт различных факторов можно найти на протяжении почти всего периода его развития. Так, уже в 1834 г. Б. С. Якоби, создавая свой электродвигатель с вращающимся якорем, особое внимание уделил разработке коммутирующего устройства, явившегося прообразом современного коллектора и электрощеток. Предложения, имевшие целью усовершенствовать работу электрического скользящего контакта, вносили У. Стерджен (1834 г.), В. Кайданов (1839 г.), 3. Грамм (1870—1872 гг.), Т. Эдисон (1880 г.), О. Шульц (1884 г.), Фешингер (1888 г.), Пфейлер (1890 г.), К. Кох (1892 г.) и Л. Будро (1895 г.). Все перечисленные авторы задачу повышения работоспособности электрического скользящего контакта решали путем совершенствования конструкции образующих его элементов. Материал коллекторов и электрощеток оставался все время неизменным: при изготовлении первых, применялась медь, а при изготовлении вторых — медь или ее сплавы. Основным наблюдавшимся в то время недостатком подобной контактной пары являлся интенсивный износ. Для устранения этого недостатка Л. Будро, использовав разработанный еще в 1826 г. П. Г. Соболевским метод изготовления изделий из прессованных порошков, сделал в 1895 г. заявку на электрощетки, спрессованные из бронзового порошка. Подобный способ изготовления электрощеток в первоначальном варианте оказался малоэффективным, однако идея изготовления электрощеточных материалов методами порошковой металлургии и угольной керамики оказалась весьма плодотворной. Весь последующий период совершенствования характеристик скользящего контакта электрических машин связан с использованием электрощеточных материалов, изготовленных этими методами. В период 1900— 1927 гг., решая задачу повышения коммутирующих свойств и снижения износа элементов электрических скользящих контактов, промышленность последовательно создает все известные в настоящее время классы рассматриваемых материалов: металлографитный (1900 г.), угольно-графитный, графитный и электрографитированный (патент фирмы Шунк и Эбе, 1927 г.). Решающую роль в создании этих материалов сыграли предприятия, па которых в то время изготавливались угольно-графитные изделия электротехнического назначения (электроды химических источников тока, «свечи Яблочкова», стержни накала газонаполненных стеклянных ламп, сварочные электроды и т. п.). В России это были заводы в Кинешме и Подмосковье, основанные соответственно в 1878 и 1899 г. Несколько ранее аналогичные заводы были созданы в некоторых западноевропейских странах.
Наряду с созданием новых конструкций и материалов для элементов электрических скользящих контактов осуществлялось изучение показателей, характеризующих их совместную работу. Помимо уже упоминавшихся характеристик износа и коммутационной характеристики изучению стали подвергаться и другие характеристики. В 1895—1905 гг. опубликован ряд статей, посвященных рассмотрению физических процессов в контакте, механическому взаимодействию его элементов, переходному падению напряжения в нем и другим вопросам.
Не претендуя на исчерпывающую характеристику работ этого периода, отметим те из них, которые для своего времени были наиболее значительными и которые упоминаются в последующих исследованиях. К их числу относятся работа Е. В. Кокса и Г. В. Вьюка, в которой была установлена зависимость сопротивления угольных контактов и коэффициента трения от удельного давления и окружной скорости (1895 г.); работа В. М. Мордея о роли электрощетки в коммутационном процессе (1897 г.); работа Э. Арнольда, в которой впервые были установлены факт уменьшения сопротивления скользящего контакта при повышении плотности тока в нем, неравенство переходного падения напряжения под различным образом поляризованными электрощетками и влияние на эти показатели температуры (1899 г.), а также работы А. С. Меера( 1901 г.), М. Кана (1902 г.), А. Пренцлина (1902 г.), К. Гцайя (1903 г.), М. Латора (1904 г.), Ф. Пунга (1905 г.) и др. В результате выполнения перечисленных исследований к 1902—1905 г. уже были сформулированы некоторые общие представления о характеристиках совместной работы элементов электрического скользящего контакта применительно к существовавшим в то время электрощеточным материалам. Так, уже в то время считали, что статические вольт-амперные характеристики металлсодержащих электрощеток определяются плотностью тока в скользящем контакте и изменяются в зависимости от нее по закону прямой линии, т. е. по уравнению 2∆U=kj. Вольт-амперные характеристики угольных электрощеток в значительном интервале остаются неизменными, т. е. подчиняются закону 2ΔU=const. Переходное падение напряжения на пару электрощеток распределяется неравномерно под электрощетками разной полярности и мало зависит от частоты вращения коллектора, но при его остановке резко изменяет характер зависимости от j.
На величину 2ΔU оказывают влияние состояние поверхности скольжения коллектора или кольца, их температура, химическая активность, удельное давление на электрощетки и механические вибрации.
Все описанные исследования подготовили почву для дальнейшего развития работ в области скользящего контакта. Удовлетворяя все возраставшие требования непрерывно развивающейся промышленности, теория и практика электромашиностроения решали все новые и новые задачи. В 1920—1930 гг. уже существовала достаточно обширная литература, освещавшая результаты многочисленных исследований в рассматриваемой области. В эти годы широкую известность получили работы К. И. Шенфера, Ю. В. Буткевича, С. Б. Юдицкого, Р. Хольма, А. Шлипака, Ф. Шретера, В. Гейнриха, И. Нейкирхена и др. В эти годы расширялась номенклатура марок электрощеточных материалов, выпускаемых промышленностью различных стран. Выпускаемые материалы относились к упомянутым четырем классам.
1 См. «Труды первой конференции фирмы «Морганайт» по угольным щеткам». Лондон, 1961.
. При ее создании автор не ставил себе целью составление обзора изданной литературы по рассматриваемому вопросу. Задача автора состояла в том, чтобы систематизировать основные, направляющие идеи в рассматриваемой области и попытаться наметить пути, по которым может пойти дальнейшее обобщение накопленных практикой факторов. При этом, естественно, в работе нашла отражение развиваемая автором в течение ряда лет точка зрения о зависимости характеристик скользящего контакта от состава материалов, из которых изготовлены образующие его элементы.
Автор стремился изложить не сборник готовых рецептов по наладке работы узла токосъема, а дать последовательное освещение современных представлений о физике процесса прохождения тока в скользящем контакте и об используемых для описания этих процессов характеристиках контакта. На основе описанных представлений излагаем практические приемы повышения надежности работы скользящего контакта электрических машин.
