Скользящий контакт электрических машин - Щетки для электрических машин воздушного флота

Щетки для электрических машин гражданского воздушного флота.
Стремительное развитие авиационной техники привело к тому, что во всем мире значительно вырос объем пассажирских и грузовых перевозок, совершаемых с помощью летательных аппаратов. Особое развитие этот вид перевозок получил в нашей стране. Гражданский воздушный флот Советского Союза (Аэрофлот) является крупнейшим авиатранспортным предприятием мира, протяженность воздушных путей которого к началу 1973 г. достигла восьмисот тысяч километров. На воздушных трассах Аэрофлота эксплуатируется парк современных самолетов и вертолетов, осуществляющих полеты в самые различные районы планеты. Среди большого числа установленного на них машин, оборудования и аппаратов находится также значительное количество электротехнического оборудования.
Идея использования электричества в авиации зародилась еще в 1869 г., когда А. Н. Лодыгин в своем проекте летательного аппарата тяжелее воздуха предусмотрел установку на нем электродвигателя, питаемого от разработанного Π. Н. Яблочковым аккумулятора. На построенных в России первых бомбардировщиках «Русский витязь», «Илья Муромец» и «Святогор» электричество было применено для зажигания, освещения, обогрева и радиосвязи.
Снабжение электроэнергией производилось генераторами переменного тока мощностью 0,5—2,0 кВ-А. С 1919 г. в авиации начали применять постоянный ток напряжением 8 В, которое в последующем последовательно повышалось до 12 В в 1923 г. и до 24 

Таблица 9-33
Оценка эксплуатационных свойств щеток, используемых на электрических машинах ледоколов и транспортных судов ледокольного типа

Продолжение табл. 9-33

* Изделия (машины, электрощетки) зарубежного производства.

В в 1930 г. В 1934 г. на самолете «Максим Горький» впервые широко был применен трехфазный переменный ток напряжением 120 В и постоянный ток напряжением 27 В. Последнее напряжение продолжает сохраняться в системах самолетного энергоснабжения постоянным током и теперь. Наряду с отмеченным в современном самолетостроении развивается применение систем трехфазного тока напряжением 200/115 В. Мощность самолетных генераторов постоянного тока также претерпела существенные изменения. Если на самолетах, строившихся в 1919 г., мощность таких генераторов составляла всего 36 Вт, то теперь мощность самолетного генератора достигает 18 кВт, а суммарная мощность устанавливаемых на одном самолете источников электроэнергии доходит до 250 кВт [Л. 9-14].
Описываемые достижения в области электрификации летательных аппаратов обусловлены развитием электротехнического оборудования, способного удовлетворительно работать в рассматриваемых условиях эксплуатации. Применительно к деталям узла токосъема общие технические требования к самолетным электрическим машинам формулируются следующим образом:

1. надежность и безотказность действия в любых условиях полета как на высоте, так и у земли при любом положении в пространстве;
2. высокая механическая, электрическая и термическая прочность при достаточной химической стойкости, вибростойкость, быстрая готовность к работе;
3. способность нормально работать при изменении температуры окружающей среды от +50 до —60 °C, изменении давления этой среды от 1 000 (уровень моря) до 53 гПа (высота 20 км) (т. е. от 796 до 40 мм рт. ст.) и относительной влажности до 98% (при 20°C);
4. удобство и безопасность в обращении, взрыво- и пожаробезопасность в эксплуатации, малая уязвимость и большая живучесть;
5. минимальные габаритные размеры и масса;
6. минимальное воздействие на работу магнитных компасов и радиоустройств;
7. простота ухода и эксплуатации;
8. минимальная стоимость;
9. унификация и взаимозаменяемость отдельных узлов и деталей.

Из числа перечисленных требований наибольшую трудность представляет удовлетворение третьего, касающегося необходимости обеспечить работу скользящего контакта при значительном снижении давлений окружающей среды, обусловленного подъемом летательного аппарата на высоту. В гл. 5 было описано явление форсированного изнашивания электрощеток, эксплуатируемых в высотных условиях, и показано, что для нормализации их работы в этих условиях приходится создавать специальные электрощеточные материалы. Для разных по назначению самолетных электрических машин эти материалы должны быть различными.
Одной из главнейших электрических машин современного самолета является генератор. В отечественном самолетостроении используется несколько серий генераторов переменного и постоянного тока. Для рассматриваемых здесь вопросов последние и представляют наибольший интерес.
Наиболее совершенными генераторами постоянного тока из числа применяемых на самолетах Аэрофлота являются генераторы серии ГСР. В них применены нагревостойкие материалы на основе стекла и кремний-органических соединений, что наряду с использованием высококачественной электротехнической стали и усовершенствованной системы охлаждения продувом встречным потоком позволило создать вполне надежную систему электроснабжения бортовой сети. В рассматриваемую серию входят генераторы ГСР-3000, ГСР-6000, ГСР-9000,    ГСР-СТ-9000,ГСР-12000, ГСР-СТ-12000, ГСР-18000, ГСР-СТ-18000. Работая при частоте вращения 400—9 000 об/мин при напряжении 28,5 В, перечисленные типы генераторов перекрывают диапазон мощностей 3— 18 кВт при нужной высоте полета летательного аппарата до 20 км. Номинальная работа узла токосъема генераторов серии ГСР обеспечивается за счет использования электрощеток марок МГС7, МГС7И и МГС8 [Л. 9-14, 9-15]. Количество устанавливаемых на каждом генераторе щеткодержателей и электрощеток указано в табл. 9-34.
Среди упомянутых генераторов имеется несколько типов, в обозначении которых находятся буквы «СТ». Подобное обозначение свидетельствует о том, что данный тип генератора может работать в двигательном (стартерном) режиме, осуществляя запуск турбодвигателя самолета.

Наряду с комбинированными стартер-генераторами в авиации используются специализированные электрические стартеры. Они представляют собою электрические машины серии СТ, СТ-2, СТ-2-48, СТ-2-48В, СТ-8, СТ-50, СТ-107 и других, питаемые от соответствующих аккумуляторных батарей. Преимущественное использование на самолетных стартерах получили электрощетки марки МГС5, описанные при рассмотрении автомобильного электрооборудования. Фактическая плотность тока в электрощетках самолетного стартера достигает тех же значений, которые приводились в табл. 9-27 для стартеров автомобилей.
Для приведения в действие многочисленных исполнительных механизмов современного самолета используется ряд серий электрических двигателей с естественным охлаждением закрытого или защищенного исполнения. Эти двигатели изготовляются на номинальное напряжение 20—28 В при мощности от долей ватта до нескольких десятков киловатт. Номинальная частота вращения описываемых двигателей лежит в пределах 2 000— 24 000 об/мин при к. п. д. 0,3—0,6. Перечисленные здесь показатели реализованы в авиационных двигателях так называемого общего применения серии Д, серии МУ (моторы управления), серии МУК (моторы управления кратковременные), серии МА (моторы аэрофотоаппаратов), серии А, серий МГП, МП, МБП, МВ, ЭМ, СД и других [Л. 9-16]. Некоторые представления об отдельных машинах серий Д и МУ дает табл. 9-35, содержащая характеристики, с помощью которых принято описывать эти машины в соответствующих каталогах [Л. 9-17].
Особую группу электрических машин на современном самолете составляют преобразователи постоянного тока напряжением 27 В в постоянный ток другого напряжения и преобразователи постоянного тока в одно- и трехфазный переменный. Авиационные машинные преобразователи состоят из двигателей постоянного тока и генератора постоянного или переменного тока, конструктивно объединенных в общем корпусе. 

Таблица 9-35
Характеристики некоторых типов авиационных электродвигателей самолетов Аэрофлота [Л.9-17]

Преобразователи постоянного тока в постоянный (радиоумформеры) имеют мощность до 300 Вт при частоте вращения якоря до 8 500 об/мин [Л. 9-17]. На этих машинах электрощетки используются на коллекторах как со стороны первичного тока (26—27 В), так и со стороны генераторов, где напряжение достигает 750 В. Преобразователи постоянного тока в переменный бывают двух родов. 

Одни из них генерируют однофазный ток напряжением 115 В, а другие — трехфазный ток напряжением 36 В (частота во всех случаях 400 Гц). Преобразователи серии ПО перекрывают диапазон мощностей 0,25—6 кВт при частоте вращения якоря 8 000—12 000 об/мин. Предельная мощность преобразователей серии ПТ трехфазного тока достигает 3 кВт при той же частоте вращения якоря. На преобразователях переменного тока общее количество электрощеток, естественно, снижено, поскольку они используются главным образом на коллекторе со стороны двигателей. На контактных кольцах генераторов их применение сведено к минимуму.
Анализируя сведения, касающиеся электрооборудования самолетов гражданского воздушного флота, можно обнаружить, что как по своему назначению, так и по режимам работы, характеризуемым видами нагрузочных диаграмм, самолетные электрические машины являются аналогами машин, встречающихся в других отраслях техники. Основным показателем, отличающим работу самолетного электрооборудования, является высотная атмосфера, в которой эксплуатируются летательные аппараты.
Очевидно, что при подобных обстоятельствах для обеспечения нормальной работы элементов скользящего контакта самолетных электрических машин необходимо располагать соответствующим ассортиментом электрощеток. Помимо упоминавшихся несколько ранее изделий марок МГС7, МГС7И и МГС8 для использования в рассматриваемых условиях эксплуатации оказываются пригодными изделия марок А5, А6, А8, А9, А10, А12, А13, А15, А16 и некоторые другие. Изделия перечисленных марок изготовляются из электрощеточных материалов, подвергнутых соответствующей технологической обработке, в результате которой они приобретают способность удовлетворительно работать в высотной атмосфере. Характеристики электрощеток материалов, используемых при изготовлении щеток для электрооборудования самолетов гражданского воздушного флота, приведены в табл. 9-36.
Описанный способ придания высотных свойств электрощеточным материалам широко используется также в промышленности Англии. 

Таблица 9-36

Характеристики щеточных материалов, предназначенных для использования на электрических машинах самолетов Аэрофлота

Обработка электрощеток, применяемая на предприятиях фирмы «Морганайт», заключается главным образом во введении в них пропитывающих веществ. Вид пропитывающего вещества определяет высоту, на которой могут эксплуатироваться электрощетки. Так, например, изделия, пропитанные галогенидами, эффективно работают на высоте до 12 км. При использовании в качестве пропитывающего вещества некоторых органических соединений потолок увеличивается до 16,5 км. Факт введения в электрощетки пропитывающих веществ, придающих им высотные свойства, фирма «Морганайт» отражает путем нанесения на них дополнительной маркировки буквами «КА», «КС» и «НАМ». Эти литеры ставятся перед товарным знаком фирмы (Л. 9-10, 9-18]. Таким образом, электрощетки фирмы «Морганайт» марки. ECU, содержащие органическую пропитку, позволяющую использовать их на высоте до 16,5 км, будут снабжены маркировкой KCEG11. Электрощетки названной марки предназначаются главным образом для самолетных генераторов. Для этой же цели равно как и для самолетных двигателей фирма «Морганайт» производит пропитку электрощеток марок EG12, EG14, СМ6 и Н100. Технические характеристики перечисленных марок электрощеточных материалов до введения в них пропитывающих веществ приводились в табл. 9-14, 9-18, 9-22 и 9-24. 

После введения пропитывающих веществ происходит повышение переходного падения напряжения. Самолетные стартеры фирма «Морганайт» снабжает электрощетками марок СМ9, DM4A, DM4D, DM100 и АМ3632А, характеристики которых были описаны ранее, при рассмотрении щеток электрических машин автомобилей.
Среди других стран, электроугольные предприятия которых сообщают в своих каталогах о выпуске щеток для авиационного электрооборудования, находятся ЧССР и Японии. Сведения о выпускаемых в этих странах электроугольных изделиях рассматриваемого назначения ограничены следующими данными (табл. 9-37):
Таблица 9-37

Новейшим достижением в области обеспечения нормальной работы элементов электрического скользящего контакта на высотах более 20 км является создание электрощеток, содержащих дисульфид молибдена (MoS2). Это вещество вводится в основную массу электрощеточного материала двояким способом: либо в виде равномерно распределенных по объему электрощетки компонентов, либо в виде стержней (пробок), одним своим концом располагающихся на контактной поверхности электроугольного изделия. Электрощетки, изготовляемые по последнему из описываемых способов, фирма «Морганайт» маркирует дополнительной литерой «Р», которая наносится на изделия слева от товарного знака [Л. 9-18]. В отечественной промышленности задача повышения высотности электрощеток решается как за счет использования дисульфида молибдена, так и некоторыми другими способами. Реализуя эти способы, отечественные предприятия изготавливают электрощетки, обеспечивающие удовлетворительную работу узла токосъема электрических машин, эксплуатируемых на высотах более 20 тыс. м и имеющих следующие характеристики:

Конструктивное оформление электрощеток самолет· кого электрооборудования показано на рис. 9-4. Их наиболее распространенные размеры таковы:

Электроугольные изделия отечественного производства, предназначенные для установки на генераторах, изготовляются реактивными типа К11-3, К18-2 и К20 (ГОСТ 12232-66). Изделия прочих назначений изготавливаются радиальными типа К4-2, К8, К8-3 и К8-4 (ГОСТ 12232-66).