Скользящий контакт электрических машин - Переходное падение напряжения в скользящем контакте

ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПЕРЕХОДНОЕ ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ

Величина переходного падения напряжения в скользящем электрическом контакте самым непосредственным образом связана с происходящими в нем электрическими явлениями. Экспериментальное определение названной характеристики производится с помощью установок,  схема включения которых показана на рис. 3-1. Здесь 1 представляет собою короткозамкнутый коллектор, приводимый во вращение электродвигателем с регулируемым числом оборотов; 2 и 3 — электрощетки различной полярности, армированные токоведущими проводами; 4 и 5 — регулировочные реостаты; 6 — источник тока низкого напряжения; 7 — амперметр; 8 — вольтметр. 

Рис. 3-1. Принципиальная схема определения переходного падения напряжения в электрическом скользящем контакте.

Изменяя ток I в цепи, нажатие на электрощетки р, частоту вращения короткозамкнутого коллектора п и материал, из которого изготовлен этот коллектор и электрощетки, исследуем влияние перечисленных факторов на величину переходного падения напряжения 2∆U. Диапазон исследований еще более расширится, если установку поместить в герметическую камеру. В последнем случае можно выявить влияние на рассматриваемую характеристику степени разрежения атмосферы, изменения ее состава, различных газов и т. п.
В измеряемую величину входят падения напряжения на всех участках цепи, расположенных между точками а и б (рис. 3-1). Измеряемая величина переходного падения напряжения слагается из следующих компонент:
Δu1 — на участке длины токоведущего провода катодно-поляризованной электрощетки между точкой а и местом заделки этого провода в тело электрощетки;
Δu2 — в месте заделки токоведущего провода в тело катодно-поляризованной электрощетки;
Δu3 — в теле катодно-поляризованной электрощетки;

Δu4 — в скользящем контакте под катодно-поляризованной электрощеткой, которое образуется в результате прохождения тока по двум параллельным цепям:

При рассмотрении перечисленных слагаемых нетрудно заметить, что среди них имеются такие, значения которых не зависят от направления тока в цепи и которые для данной конструкции электрощеток можно принимать попарно равными:



Рис. 3-2. Распределение измеряемой величины переходного падения напряжения по участкам электрической цепи для электрощеточных материалов различных классов и групп в соответствии с классификацией табл. 1-2.

Последние шесть величин, так же как и ∆u9, для данной конструкции и материала электрощеток и коллектора при выбранном значении тока в цепи, могут быть определены простым расчетом. Значения всех прочих перечисленных составляющих, строго говоря, должны определяться как разность между величиной 2∆u, показываемой вольтметром при проведении эксперимента, (рис. 3-2), и рассчитываемыми величинами

При изучении переходного падения напряжения эксперименты ставятся обычно по одной из двух схем. Первая из них состоит в том, что электрощетку нагружают током, величина которого определяется по формуле(3-5) где F — площадь поперечного сечения контактной поверхности электрощетки, см²; jн — номинальная плотность тока для материала испытуемой марки электрощеток, выбираемая по ГОСТ или фирменным каталогам. Измеренному значению переходного падения напряжения при указанном значении тока Iп присваивается название «номинальное».
* Справедливо для материалов всех групп II, III и IV классов и групп Б, Г и Д I класса

Вторая схема постановки эксперимента заключается в том, что ток в цепи постепенно изменяется от нуля до некоторого значения и в процессе этого изменения при фиксации отдельных значений I измеряются соответствующие им значения 2ΔU (время выдержки на каждой ступени тока равно 3—5 мин). По полученным описанным образом парным значениям I и 2ΔU строится кривая 2ΔU=f(I), которую называют статической вольт-амперной или просто вольт-амперной характеристикой скользящего контакта¹. Если опыт видоизменить, переключив установку на питание переменным током и включив вместо амперметра и вольтметра выводы осциллографа, можно получить динамическую характеристику скользящего контакта [Л. 3-2].

Первое представление о влиянии на статическую вольт-амперную характеристику контакта факта превращения его из неподвижного в скользящий можно получить из рис. 3-3. Соответствующие опыты производились па экспериментальной установке для контактной пары «медный короткозамкнутый коллектор — электрографитированная электрощетка», причем в одном случае коллектор был неподвижным (точнее, перемещался с «ползучей скоростью»), а в другом — вращался. В обоих случаях графики строились при возрастании и снижении тока в цепи (см. направление стрелок). 

¹ Подробное описание метода определения статической вольт- имперной характеристики переходного падения напряжения и характеристик коэффициента трения и износа дано в [Л. 3-1].

Графики отражают наиболее вероятное развитие процесса.
Переходное падение напряжения, резко возрастающее при превращении контакта из неподвижного в скользящий, в дальнейшем по мере возрастания скорости перемещения контактирующих элементов остается практически постоянным. Последнее положение является справедливым для случая, когда работа скользящего контакта протекает нормально и не сопровождается вибрациями. При несоблюдении указанных условий величина 2ΔU может стать зависимой от относительной скорости перемещения контактирующих элементов [Л. 3-4].
 
На рис. 3-3 помимо влияния скорости на переходное падение напряжения рассматривается вопрос о соотношениях значений ΔU под электрощетками разной полярности. Показанное на этом рисунке неравенство ΔU>ΔU+ подтверждено рядом исследователей, но объясняется ими по-разному. Так, Р. Мейер объясняет отмечаемое неравенство тем, что анодно-поляризованная электрощетка выделяет в зону скользящего контакта значительное количество тонкодисперсных частиц, которые частично снимаются электрощеткой противоположной полярности. В результате последняя контактирует с коллектором через значительно меньшее количество частичек, что и обусловливает повышение переходного падения напряжения под ней [Л. 3-3]. Р. Хольм [Л. 1-9], ссылаясь па [Л. 3-6] и некоторые другие источники, объясняет отмечаемое неравенство особенностями взаимодействия приложенного к контакту электрического поля и положительно заряженных ионов материала коллектора (т. е. меди), вырывающихся с его поверхности. Эти особенности состоят в том, что под катодно-поляризованной электрощеткой направление поля способствует перемещению положительных ионов меди из тела коллектора к политуре, где они принимают участие в образовании слоя Сu2О, являющегося полупроводником. Под анодно-поляризованной электрощеткой направление поля препятствует подобному перемещению катионов меди. Здесь в зону контакта по направлению к политуре перемещаются положительно заряженные носители тока, вырывающиеся из материала электрощетки. Если последняя изготовлена из графита или электрографита (а именно такой случай изображен на рис. 3-3), ионы этих материалов не образуют на политуре изолирующих соединений и ∆U+ приобретает пониженное по сравнению с ∆U- значение.
Недостаток объяснения Р. Мейера состоит в том, что оно совершенно игнорирует роль политуры. Р. Хольм в своем объяснении, хотя и отводит политуре некоторую роль, связывает рассматриваемое неравенство с явлением переноса ионов меди. Между тем электропроводность меди является электронной и причину возникновения неравенства переходного падения напряжения под электрощетками разной полярности следует искать в условиях перемещения носителей тока через переходы. Эти условия для переходов, расположенных под анодно- поляризованной электрощеткой, таковы, что содействуют понижению высоты потенциального барьера на границе перехода. Для переходов, находящихся под электрощеткой противоположной полярности, соответствующие условия увеличивают высоту потенциальных барьеров на границе перехода.

Графики на рис. 3-4,а получены при испытании электрографитированных электрощеток на вращающихся контактных элементах, изготовленных из различных материалов. Если переменным сделать материал электрощеток и зафиксировать материал коллекторов, изготовив их из меди, то вольт-амперные характеристики приобретут вид, показанный на рис. 3-4,б. Здесь видны качественные и главным образом количественные различия изображенных кривых и явная их зависимость от марки электрощеточного материала. 

Рис. 3-4. Влияние материала контактных колец (а), плотности тока в контакте (б) и состава электрощеток (в) на переходное падение напряжения в скользящем контакте.

Линия 6 получена при соответствующих испытаниях электрографитированных электрощеток, линия 7 — натуральнографитных, а линия 8 — медно-графитных. Графики, подобные изображенным на рис. 3-4,б, приводятся в каталогах многих фирм, изготавливающих электрощетки. Эти графики используются для расчета электрических потерь в скользящем контакте. Для упрощения расчетов в последнее время предпринимаются попытки описать подобные графики с помощью специально подобранных эмпирических формул. Впервые подобная попытка была осуществлена автором в 1958 году. Воспользовавшись статистикоматематическими методами и подвергнув корреляционному анализу результаты многолетних массовых испытаний электрощеточных материалов отечественного  производства, автор предложил описывать статические вольт-амперные характеристики электрощетки с помощью формулы следующего вида:
(3-6)
где j — текущее значение плотности тока в скользящем контакте; А и В — свободный член и угловой коэффициент уравнения, значения которых зависят от состава материала электрощеток (табл. 3-1).

Таблица 3-1
Угловые коэффициенты В и свободные члены А в уравнении вольт-амперной характеристики для электрощеточных материалов

Предложенная формула удобна для расчетов, но обладает тем недостатком, что является справедливой для областей, прилегающих к номинальным значениям плотности тока. Точнее, она справедлива для электрощеток «черных» (без металла) материалов при ,
а для «цветных» (содержащих металл) при 8<j<24 А/см².
В [Л. 3-15] для описания статических вольт-амперных характеристик предложена формула вида(3-7) где физический смысл параметров С и т совершенно аналогичен тому, который имели параметры А и В в (3-6) (численные значения этих параметров не совпадают).
Степенная формула обладает тем достоинством, что описывает кривуюна всем участке ее изменения. 

Рассматривая влияние состава электрощеточного материала на вид и положение вольт-амперных характеристик, нужно иметь в виду, что этот состав не может не влиять и на номинальные значения переходного падения напряжения. Степень этого влияния изображена на рис. 3-4,в, из которого следует, что по мере замещения в составе электрощеточного материала меди графитом, а затем графита сажей происходит последовательное возрастание значений . Исключение из этого правила составляет только крайний правый участок линии (рис. 3-4,в). Факт возрастания значенийобусловленный отмечаемой последовательностью замещения в составе электрощеточного материала различных компонентов состава, связан с соответствующими изменениями величини . Наиболее значительным является влияние величин  Последнее обстоятельство связано со значениями удельного электрического сопротивления меди, графита и сажи, являющихся основными компонентами электрощеточных материалов и оказывающих влияние на состав верхнего слоя политуры.
Дальнейшее рассмотрение вопроса приводит к необходимости изучения физического строения этих материалов. Здесь только отметим, что общая закономерность изменения значений характеристики от соотношения компонентов состава электрощеточных материалов может быть изменена путем применения в качестве связующего вещества синтетических смол. За счет использования последних удается создавать электрощеточные материалы, переходное падение напряжение которых достигает 5,0—5,5 В.
Рассмотренные закономерности описывали влияние на величину переходного падения напряжения в скользящем контактеотносительной скорости перемещения элементов контакта, их полярности, коллекторной политуры и состава электрощеточного материала. Между тем при изложении механизма прохождение носителей тока через зону контакта отмечались и другие факторы, оказывающие влияние на этот процесс. Особый практический интерес среди них представляют давление между контактирующими элементами р, высота над уровнем моря Н и температура Т. Возрастание р до 300 гПа (кгс/см²) вызывает снижение величиныпо гиперболическому закону. В интервале изменения Н до 12 км значениеуменьшается по закону прямой линии.
Описываемые изменения характеристикив зависимости от р и Н объясняются относительно просто: по мере возрастания удельного  нажатия происходит перераспределение путей прохождения тока через различные участки зоны контакта. Уменьшается доля последовательно расположенных составляющих и возрастает та часть тока, которая образует. Аналогичное перераспределение происходит под электрощеткой и другой полярности, где уменьшается ток, создающий слагаемыеи возрастает ток, образующий. Другим -следствием возрастания нажатия является более интенсивное воздействие со стороны электрощеток на политуру и механическое повреждение последней, в результате чего снижаются значения составляющих. Влияние высоты обусловлено изменением состояния атмосферы. Известно, что по мере возрастания Н до 30—35 км существенно снижается температура воздуха, а следовательно, и абсолютное количество находящихся в нем водяных паров. При этом, естественно, замедляются и даже совсем прекращаются электролитические процессы в скользящем контакте и исчезает политура. Этот факт сам по себе является достаточным для снижения значений (рис. 3-4,а). Сопутствующим является также факт некоторого увеличения средней длины свободного пробега молекул воздуха, что облегчает условия прохождения носителей тока через зазор.
Более сложной и еще недостаточно изученной является связь междуи температурой контакта Т.
Опубликованные в [Л. 3-9] графики характеризуют рассматриваемую связь и отличаются от ранее описанных аналогичных графиков тем, что кроме минимума, располагающегося в области, имеют правую восходящую ветвь, на которой значения превышают таковые на «холодном» коллекторе. Столь своеобразный характер воздействия температуры на показатель объясняется тем, что она оказывает влияние не только на описанные ранее процессы в скользящем контакте, но и в некоторой степени оценивает свойства материалов контактирующих элементов. Последнее связано прежде всего с различиями знаков температурного коэффициента сопротивления меди и углеродистых материалов. В интервале температур, при которых протекает эксплуатация элементов электрического скользящего контакта, 50— 300 °C знак температурного коэффициента меди является положительным. Углеродистые материалы обладают температурным коэффициентом с отрицательным знаком.