К названным видам подвижного состава относятся электровозы промышленных предприятий, открытых горных разработок и шахтного транспорта, трамваи, троллейбусы и моторные вагоны метрополитена. По скорости движения режимы работы электрооборудования в данных условиях оказываются менее напряженными, чем на магистральном транспорте, но часто повторяющиеся пусковые режимы создают дополнительные трудности для работы элементов скользящего контакта. Номенклатура зарубежных электрощеточных материалов, предназначенных для использования в рассматриваемых условиях, приведена в табл. 9-23. Естественно, что наряду с указанными в последней таблице в данных условиях могут применяться и те электрощетки, которые перечислены в табл. 9-22.
В отечественной практике на тяговых двигателях промышленного и городского транспорта используются электрощетки марок ЭГ2А, ЭГ14 и начавшие применяться в последние годы ЭГ61 и ЭГ74. Здесь их работа характеризуется практически такими скоростями изнашивания, какие приводились при оценке электрощеток магистрального железнодорожного транспорта.
Щетки для автомобильного электрооборудования.
В состав автомобильной электрической установки современного автомобиля входят генератор, аккумуляторная батарея, стартер и двигатели различных вспомогательных устройств, таких как стеклоочистителя, вентилятора, обогревателя и др. Общее количество щеток, устанавливаемых на электрооборудовании одного автомобиля, достигает десяти штук, что при годовом выпуске миллиона автомобилей требует изготовления 10 млн. щеток, подобных изображенным на рис. 9-3. Принимая среднюю мощность автомобильного генератора 300 Вт, получаем, что суммарная мощность генераторов, смонтированных на миллионе автомобилей, достигает 300 тыс. кВт.
Приведенные сведения дают представление о количестве необходимых для автомобильного электрооборудования щеток. Что касается их качественных показателей, то здесь необходимо иметь в виду, что электрооборудование рассматриваемого назначения должно удовлетворительно работать при изменении температуры окружающей среды от —40 до +60 °C и при ее относительной влажности, доходящей до 95+3%. Учитывая специфику работы автомобильного электрооборудования, связанную с вибрациями и тряской, его подвергают испытаниям на вибростендах при частоте 2 500 Гц и двойной амплитуде в 1 мм.
Таблица 9-23
Электрощетки тягового электрооборудования промышленного и городского транспорта
* Помимо указанных трех марок фирма "Ле Карбон Лоррен" рекомендует применять на тяговых двигателях вагонов трамвая и метрополитена электрощетки марок EG34D и EG6183, характеристики которых приведены в табл. 9-22.
Все машины автомобильного назначения (за исключением стартеров) должны допускать в течение 2 мин работу при повышенной частоте вращения, превышающей не менее чем на 20% максимально возможную в условиях нормальной эксплуатации. Для стартеров это время снижено до 15 с.
Рис. 9-3. Щетки для автотракторных электрических машин. а — генераторные; б — стартерные.
Автомобильное электрооборудование работает в большинстве случаев в однопроводной схеме, где в качестве одного из проводов используется корпус (масса) автомобиля. Коммутация электрических машин автомобильной серии устанавливается в зависимости от режима их работы. Для машин, эксплуатируемых в длительных режимах, степень искрения не должна превышать 1,5 по ГОСТ 183-66. Для машин с повторно-кратковременным режимом работы (ПВ не более 50%) допустимая степень искрения может быть повышена до 2.
Допустимые превышения температур коллекторов автомобильного электрооборудования, измеренные термометром при температуре охлаждающего воздуха +35 °C, установлены следующими:
а) для пылезащитных, брызгонепроницаемых машин закрытого исполнения без собственного вентилятора для продолжительного и повторно-кратковременного (ПВ до 50%) режимов работы не более 100°C;
б) для пылезащищенных, брызгонепроницаемых машин закрытого исполнения с собственным вентилятором для наружного охлаждения и продолжительного режима работы — не более 85 °C;
в) для машин защищенного исполнения с собственным вентилятором для продувания охлаждающего воздуха и продолжительного режима работы — не более 75 °C.
Допустимые превышения температур частей электрических машин, эксплуатируемых в повторно-кратковременных режимах, с ПВ не более 10% при кратковременных режимах — не нормированы.
Из числа перечисленных электрических машин, устанавливаемых на автомобиле, одной из главных является генератор. Мощность автомобильных генераторов лежит в пределах 125 Вт—1 кВт. Максимальная частота вращения якоря генератора доходит до 7 500 об/мин, а минимальная в 6,0—8,5 раз меньшая. Номинальное напряжение генераторов автомобилей, выпускаемых в последние 12—15 лет, составляет 12 и 24 В. Схема электрооборудования автомобилей более ранних выпусков работала при напряжении 6 В. Привод генератора состоит из тексропной передачи, связывающей его с валом поршневого двигателя внутреннего сгорания. Поскольку последний работает с переменной частотой вращения, а οт генератора требуется напряжение постоянной величины, то в схему вводится регулятор напряжения. Еще одна особенность автомобильного генератора состоит в том, что он всегда работает параллельно с аккумуляторной батареей. Нагрузка между указанными источниками электроэнергии распределяется примерно следующим образом: 80—98% времени работы автомобиля его установки получают питание от генератора, а остальное время — от батареи. Наряду с отмеченным функциональным распределением времени работы каждого из источников электроэнергии на автомобиле, распределение тока между ними зависит еще от степени заряженности аккумуляторов и настройки реле, регулирующего ток в контуре «генератор — батарея».
Таблицa 9-24
Характеристики электрощеточных материалов, предназначенных для использования на автомобильных генераторах
* Помимо указанных трех марок для рассматриваемых условий рекомендуются электрощетки марок Е14, Е15 и М8, характеристики которых приведены в табл. 9-14 и 9-18.
** Помимо указанных пяти марок для генераторов постоянного тока фирма рекомендует применять электрощетки марок EG3 и EG12. а для генераторов переменного тока электрощетки марок СМ5В, EGO, EG12 и IM9101, характеристики которых приведены в табл. 9-14, 9-18, 9-23
Вышеизложенные обстоятельства, характеризующие специфику режима работы автомобильных генераторов, привели к тому, что для последних потребовалась разработка специальных электрощеточных материалов, характеристики которых приведены в табл. 9-24. Относительно небольшое количество указанных в табл. 9-24 марок электрощеток, изготавливаемых отечественной промышленностью, объясняется тем, что здесь перечислены только те электрощетки, которые устанавливаются на автомобильных генераторах постоянного тока. Генераторы переменного тока оборудуются электрощетками марок ЭГ51, M1 и М1А, характеристики которых приводились ранее в табл. 9-14 и 9-18.
При использовании в эксплуатации отечественные электрощетки марок ЭГ13 и ЭГ13П работают при токовых нагрузках, значительно превышающих предусмотренные для них соответствующей технической документацией. Степень этого превышения может быть установлена путем сравнения соответствующих цифр табл. 9-24 и 9-25.
Возможность значительного повышения фактической плотности тока по сравнению с указанной в технической документации на электрощетки объясняется соображениями, изложенными в гл. 8.
Другой основной электрической машиной автомобиля является стартер. Он состоит из электродвигателя, редуктора, сцепляющего механизма и приборов управления. Наибольшее значение мощности стартерного двигателя может быть получено при минимально возможном значении переходного падения напряжения установленных на нем электрощеток. Однако малые значения 2ΔU не обеспечивают удовлетворительного протекания коммутационного процесса. Оптимальное решение задачи получают путем использования на автомобильных стартерах электрощеток, изготовленных из материалов группы I. Так, английские автомобилестроители используют на стартерах напряжением 6—12 В электрощетки марок СМО, CMIS, См2, СМ3Н, СМ5В и СМ5Н, а на стартерах напряжением 24 В — электрощетки марок СМ5В, СМ5Н, DM4A, DM4D, DM100 и DM3632A. Характеристики перечисленных здесь электрощеток серии СМ приводились ранее в табл. 9-18. Изделия серии DM изготавливаются из углеродистого материала, пропитанного металлом таким образом, что металл и графит присутствуют не в виде дискретных частиц, а в непрерывной фазе.
Таблица 9-25
Режимы работы электрощеток на автомобильных генераторах постоянного тока
Наименование показателей | Тип генератора | |||
Г-12 | Г-22 | Г-108 | Г-130 | |
Марка автомобиля, на котором применяется генератор | ЗИЛ-157 | Москвич-407 | ЗИЛ-164 ГАЗ-51 А ΓΑ3-53Φ ЗАЗ-965 | ЗИЛ-130 ГАЗ-53 ГАЗ-56 |
Номинальная мощность генератора, Вт | 250 | 200 | 250 | 350 |
Номинальное напряжение генератора, В | 12,5 | 12,5 | 12,5 | 12,5 |
Максимальная сила тока нагрузки, А | 20 | 16 | 20 | 28 |
Марка используемых электрощеток | ЭГ13 | ЭГ13 | ЭГ13 | ЭГ13П |
Количество электрощеток на генераторе | 2 | 2 | 2· | 2 |
Давление на электрощетки, сН (гс) | 600—800 | 600—800 | 600—800 | 800—1 300 |
Размеры электрощеток, мм | 6,4X16X21 | 6,4X16X21 | 6,4X16X21 | 6,4X22,3X23,5 |
Плотность тока в электрощетке при максимальном токе, А/см2 | 19,6 | 15,7 | 19,6 | 19,6 |
Таблица 9-26
Характеристики электрощеточных материалов, предназначенных для использования на автомобильных стартерах в СССР, ГДР, ПНР, ЧССР, ФРГ
Этот материал допускает работу при окружной скорости коллекторов до 20 м/с, имеет переходное падение напряжения 0,8—1,4 В и коэффициент трения 0,15—0,20. Во Франции для применения на стартерах предназначаются электрощетки марок ОМС, МС79 и МС3702; в Японии — марок MG26, MG28, MG30, ML11, МК6 и МК10. Все перечисленные марки электрощеток описаны в табл. 9-18. В табл. 9-26 изложены сведения об электрощеточных материалах рассматриваемого назначения, изготавливаемых в СССР, ПНР, ЧССР и ГДР. Эксплуатационные режимы работы электрощеток при использовании их на некоторых типах стартеров отечественного производства характеризуются данными, приведенными в табл. 9-27.
Таблица 9-27
Режимы работы электрощеток на автомобильных стартерах
В табл. 9-27 обращают на себя внимание фактические значения плотностей тока в электрощетках при рабочем токе стартера и при полностью заторможенном его якоре в момент пуска. В первом случае отмечаемые значения достигают нескольких десятков, а во втором — двух сотен ампер на квадратный сантиметр. Подобные обстоятельства имеют место и на стартерах зарубежного производства. Вот почему в новейших каталогах на электрощеточную продукцию при описании стартерных щеток в графах, характеризующих допустимую для них номинальную плотность тока можно встретить трехзначные цифры.
Устанавливаемые на автомобилях малогабаритные электродвигатели (ГОСТ 9443-60) используются в качестве приводов стеклоочистителей, вентиляторов и других вспомогательных механизмов. Для этих двигателей применяются некоторые из числа ранее описанных марок электрощеток. Так, в промышленности ГДР для двигателей стеклоочистителей рекомендуется применять электрощетки марок Е18, М7, М8, характеристики которых приводились в табл. 9-24 и 9-18; для двигателей вентиляторов — щетки марки МП (табл. 9-24); для других вспомогательных машин — щетки марок Е8 и Е14 (табл. 9-14). В Англии для вспомогательных автомобильных электродвигателей рекомендуется применять электрощетки марок См2, СМ9, СМЗН, СМ5В и СМ5Н (табл. 9-18).
Наряду с перечисленными выше для описываемых двигателей в некоторых странах изготавливаются электрощетки специализированных марок. Отечественная промышленность выпускает для этих целей электрощетки марки «96» (ГОСТ 12919-67), допускающие работу при номинальной плотности тока 15 А/см2, максимальной окружной скорости 20 м/с и удельном нажатии 200— 300 гПа(гс/см2). Удельное электрическое сопротивление материала марки «96», равно 2,6 Ом-мм2/м; переходное падение напряжения 1,1В, коэффициент трения не более 0,18.
Английская фирма «Морганайт» для указанных целей рекомендует специализированные электрощетки марки DМ4A, допускающие работу при номинальной плотности тока до 11,5 А/см2 и максимальной окружной скорости до 20 м/с. Удельное электрическое сопротивление материала этой марки достигает 3,0 Ом·мм2/м, переходное падение напряжения 0,8 В и коэффициент трения не более 0,20.
Фирма «Тосиба Денко Компани» (Япония) предназначает для -автомобильных электродвигателей щетки марки MG9RB, допускающие работу с номинальной плотностью тока 15 А/см2, максимальной окружной скоростью 30 м/с и удельным нажатием 150—250 гПа (гс/см2). Удельное электрическое сопротивление материала этой марки достигает 12 Ом-мм2/м, переходное падение напряжения 0,6 В и коэффициент трения 0,27.
Наблюдения за эксплуатацией автомобильных генераторов и стартеров позволили установить, что средняя скорость изнашивания применяемых на них электрощеток лежит в пределах 0,2—0,9 мм/10 тыс. км пробега автомобиля. Среднее квадратическое отклонение приведенных значений не превышает 0,3 мм/10 тыс. км пробега. В последнее время наметилась тенденция оценивать свойства автомобильных электрощеток путем нормирования в технической документации обеспечиваемых ими эксплуатационных показателей. Так, например, в каталоге фирмы «Морганайт» указывается, что изготавливаемые ею изделия марки СМО обеспечивают не менее 40 тыс. пусков стартера напряжением 12 В [Л. 9-10]. В СССР ГОСТ 12919-67 гарантирует 100 тыс. включений стартера типа СТ-15, оборудованного электрощетками марки МГСО. В этом же стандарте указаны гарантийные 1 000-часовые сроки службы электрощеток марок ЭГ13 и ЭГ13П на автомобильных генераторах типов Г-108 и Г-214А-1 и 3 000-часовой гарантийный срок службы электрощеток марки M1 на генераторе типа Г-250.
Техническая документация, нормирующая характеристики износа щеток автомобильного электрооборудования итальянских фирм, предусматривает, что за 500 ч испытаний генератора переменного тока износ установленных на нем электрощеток не должен превышать 1,5 мм. Нормы износа стартерных электрощеток в промышленности Италии дифференцированы по типам машин. Для ряда этих типов норма износа, определяемого в процессе проведения пятисот испытательных пусков, не должна превышать указанных в табл. 9-28.
Износ коллектора стартера после проведения описываемых пятисот испытательных пусков не должен превышать 0,02 мм (по диаметру).
