ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА
При рассмотрении различных характеристик совместной работы элементов электрического скользящего контакта отмечалось, что все они тем или иным образом оказываются связанными с одной группой воздействующих на них факторов, объединенных общим названием «механические». Подобное обстоятельство делает необходимым рассмотрение динамики взаимодействия контактирующих элементов, причем главнейшим в этом рассмотрении должно являться не только выявление условий обеспечения безотрывной работы деталей узла токосъема, но и поддержания между ними требуемого контактного давления. Последняя задача возникает в связи с тем, что при изменении этого давления происходят изменения всех прочих характеристик совместной работы элементов контакта. Общие закономерности подобных изменений достаточно подробно рассматривались ранее.
В наиболее полном виде воздействие механических факторов на работу скользящего контакта проявляется при эксплуатации коллекторных электрических машин. Здесь причинами нарушения взаимного контакта электрощетки с коллектором могут являться: а) динамическая неуравновешенность вращающихся частей; б) эксцентриситет поверхности скольжения относительно оси ее вращения; в) волнистость поверхности скольжения; г) выступание группы коллекторных пластин; д) неупорядоченное выступание отдельной коллекторной пластины; е) выступание слюды; ж) шероховатость поверхности скольжения; з) особые фрикционные свойства поверхности скольжения; и) воздействие внешних возмущающих факторов.
Нарушения контакта от перечисленных причин происходят из-за перемещения электрощеток относительно своего равновесного положения на коллекторе, т. е. из-за вибраций. Отмечаемые перемещения могут быть разложены на две составляющие: радиальную и тангенциальную. Соотношение между ними определяется характером причины, вызвавшей вибрацию, и фасоном электрощетки (радиальный, реактивный).
Приведенные выкладки относительно эксцентриситета Δ1 и местного биения Δ2 применимы к работе электрических машин в наземных условиях при нормальном атмосферном давлении. Рассмотрение аналогичных вопросов, дополненное указаниями о поведении элементов скользящего контакта электрических машин, эксплуатируемых в глубоком вакууме, содержится в [Л. 7-6 и 7-7], где отмечается, что благодаря происходящему в вакууме возрастанию значений коэффициента трения электрощетки о коллектор и стенки обоймы щеткодержателя перемещения электрощетки затрудняются. Благодаря отмеченному обстоятельству для обеспечения безотрывной работы элементов скользящего контакта приходится снижать допустимые значения Δ1 и Δ2.
Рассмотренные причины ухудшения нормального взаимодействия между элементами электрического скользящего контакта обусловливались нарушениями макрогеометрии поверхности скольжения коллектора. Вне зависимости от них эта поверхность может иметь на себе микрогеометрические нарушения, причина появления которых может быть двоякой. У нового, еще не работавшего коллектора микрогеометрия поверхности определяется способом и режимом механической обработки, родом примененного режущего инструмента и свойствами обрабатываемого материала. Микрогеометрия рабочей поверхности коллектора после эксплуатации зависит от свойств материалов контактирующих элементов, величины давления на электрощетку, токовой нагрузки, состава окружающей среды и других факторов.
В соответствии с ГОСТ 2789-59 микрогеометрия поверхности после механической обработки оценивается 14 классами. В практике отечественного электромашиностроения механическую обработку поверхности скольжения коллектора принято доводить до чистоты
. Подобную чистоту получают после обтачивания коллектора резцом из твердого сплава и последующего кратковременного шлифования его шкуркой. Если шлифование осуществить специальными абразивными брусками, разработанными ВНИИАЩ совместно с Ленинградским филиалом ВНИИЭМ, то чистота поверхности повысится до
; при использовании алмазного режущего инструмента класс чистоты составит
.
В процессе последующей эксплуатации степень чистоты поверхности скольжения, приданная при первоначальной обработке, может и не сохраниться. В одних случаях при нормальной работе скользящего контакта после образования слоя политуры степень чистоты несколько повышается. В других — при проявлении абразивных свойств электрощеток степень чистоты снижается. Амплитудная и частотная характеристики вибрации электрощеток, вызванной микрогеометрическими нарушениями профиля коллектора, определяются расположением этих нарушений по его рабочей поверхности и могут быть проанализированы методами, описанными ранее.
Принципиально иными средствами приходится исследовать вибрации электрощеток, вызванные особыми фрикционными свойствами поверхности скольжения коллекторов. Эти вибрации создают тангенциальную составляющую перемещения электрощетки по схеме, подробно рассмотренной в [Л. 1-4]. Описываемые перемещения происходят по законам теории фрикционных релаксационных (т. е. обусловленных трением, разрывных) автоколебаний, которая указывает пути управления ими. Для рассматриваемого случая их возникновения наибольший интерес представляет воздействие на фрикционную характеристику находящихся во взаимодействии элементов контакта. Общие закономерности изменения этой характеристики и способы влияния на нее подробно рассмотрены в гл. 4. Пользуясь описанными там методами снижения значений μ, удается устранить возникшие автоколебания электрощеток и тем самым предотвратить возможность их повреждения.
Рассмотренные здесь случаи нарушения нормального взаимодействия элементов скользящего контакта имели своей непосредственной причиной различные процессы и явления, происходившие в контактной зоне. Аналогичные нарушения могут иметь причиной процессы, происходящие вне зоны контакта. Подобные ситуации возникают благодаря действию центробежных сил и в случае, когда возмущающие воздействия поступают от посторонних источников. Центробежные силы проявляют себя двояким образом; при удовлетворительной динамической балансировке вращающейся части электрической машины под их воздействием происходят упругие деформации вала и деталей коллектора и выбираются зазоры в подшипниках. В результате первоначально правильная форма поверхности скольжения коллектора с относительно небольшими неровностями при возрастании частоты вращения может приобрести вид синусоиды, амплитуды которой изменяются пропорционально п. Экспериментальное изучение процесса возникновения вибрации под действием центробежных сил показывает, что процесс развивается так, будто система приобретает эксцентриситет и для каждой электрической машины существует своя частота вращения, при превышении которой за счет действия центробежных сил полностью выбирается радиальный зазор в подшипниках. Только за счет указанных причин эксцентриситет работающего коллектора может удвоиться по сравнению с допустимой величиной, измеряемой в статическом состоянии [Л. 7-8].
При наличии небаланса во вращающейся части электрической машины в системе развивается возмущающее усилие. С целью снижения вибраций, вызываемых этим усилием, в СССР действует ГОСТ 12327-66, нормирующий допустимую остаточную неуравновешенность роторов электрических машин. Упомянутый ГОСТ распространяется на машины общего и специального назначения1, роторы которых имеют массу 0,01—1 000 кг при рабочей частоте вращения до 30 000 об/мин. Этим ГОСТ устанавливаются три класса точности уравновешивания: нулевой, первый и второй. Удельная остаточная неуравновешенность роторов электрических машин, условно отнесенная к их центру тяжести, не должна превышать предельных величин, указанных на рис. 7-3.
1 ГОСТ 123727-66 не распространяется на автотракторные электрические машины по ГОСТ 3940-57 и на крановые и металлургические электродвигатели по ГОСТ 184-61 и ГОСТ 185-63 и их модификации.
Рис. 7-3. Допустимые удельные остаточные неуравновешенности роторов электрических машин по ГОСТ 12327-66.
а —роторы с массой 0,01—0,1 кг (микророторы); б — роторы с массой 0,1—3,0 кг (малые роторы); в — роторы с массой 3—1 000 кг (средние роторы).
Для роторов с рабочей частотой вращения менее 750 об/мин допустимые удельные остаточные неуравновешенности определяются по формуле
где е — допустимая удельная остаточная неуравновешенность, определенная по графикам рис. 7-3 для соответствующих роторов при п=750 об/мин.
Эффективность произведенной балансировки вращающихся частей электрических машин определяется по величине их вибраций.
Таблица 7-5
Оценка состояния электрических машин по удвоенной амплитуде колебаний (по вибрациям), мкм
Последние оцениваются путем измерения удвоенной амплитуды колебаний машины, производимого по одному из двух следующих способов: при измерении вибрации машины с горизонтально расположенной осью определяют составляющие по трем взаимно перпендикулярным направлениям — продольному, поперечному и вертикальному. Первые две составляющие вибраций измеряют на уровне оси вала. При обследовании машин с вертикальной осью составляющие вибрации измеряют по двум взаимно перпендикулярным направлениям: в горизонтальной плоскости и в вертикальном направлении. Измеренные описанными способами вибрации электрических машин в практике отечественного электромашиностроения принято оценивать так, как это указано в табл. 7-5.
Влияние на работу элементов скользящего контакта посторонних источников возникновения вибраций иллюстрируется осциллограммами рис. 7-4. Эти осциллограммы показывают, как изменяется удельное давление со стороны нажимного пальца щеткодержателя на электрощетку при отсутствии внешних вибраций и при возбуждении таковых с разными частотами. Если учесть, что в описываемых опытах приложенное удельное давление к электрощетке составляло р=200 гПа (гс/см2), то в результате при возникновении вибраций в отдельные моменты оно снижалось до 40—50 гПа (гс/см2).
Рис. 7-4. Изменение удельного давления на электрощетку при отсутствии внешних вибраций (а) и при различной частоте этих вибраций (б, в, г) [Л. 7-9].
Качественная и количественная оценка влияния механических факторов на различные характеристики совместной работы элементов электрического скользящего контакта достаточно подробно освещалась в гл. 4—6. Здесь уместно отметить, что поскольку в реальных условиях эксплуатации обычно действует не одна, а несколько причин, вызывающих вибрации, то характеристика последних бывает представленной спектром частот. В составе этого спектра могут находиться колебания, воспринимаемые человеческим ухом как звуковые. Факт существования зависимости между вибрациями электрощетки, возникающими звуками и прохождением тока через контакт хорошо иллюстрируется рис. 7-5. Верхняя осциллограмма рисунка показывает изменение тока в набегающей части электрощетки в случае, когда ее колебания вызваны эксцентриситетом контактного кольца. Период колебаний 7=7,1 Х10-4 с; звукового эффекта в данном режиме зафиксировано не было. На осциллограммах рис. 7-5,б и в рассматриваемого рисунка показаны изменения тока в набегающей части электрощетки, когда процесс сопровождался свистом и шумом. В первом случае период колебаний составлял 7=3,1 ·10-4 с, а во втором 7=1,4·10-4 с.
Наблюдаемые изменения характера осциллограмм и слышимых звуков вызваны соответствующими изменениями характера вибрации электрощеток [Л. 7-10]. Дальнейшие исследования позволили автору упомянутой работы установить связь между звуковыми явлениями и значением коэффициента трения в скользящем контакте: при μ<0,2 звуки не фиксируются, при μ>0,3 они проявляются в виде свиста, при μ>0,6 воспринимаются как шум. Последние данные относятся главным образом к колебаниям, вызванным тангенциальными перемещениями электрощетки.
Рис. 7-5. Осциллограмма тока в набегающей части электрощетки при отсутствии звуков (а), при наличии свиста (б) и при наличии шума (в).
Интересное замечание о влиянии свойств электрощеточных материалов на уровень шума содержится в [Л. 7-11], где сказано, что при одинаковом исходном сырье этот уровень оказывается связанным со степенью графитации. В [Л. 7-12] описаны экспериментальные данные об общем уровне и спектральном составе шумов, образуемых щетками различных марок, работающих на реальных электрических машинах. Зафиксированные частоты шумов расположились в интервале 1 000—3 000 Гц.
Описанные причины возникновения щеточных шумов указывают на возможные способы их устранения. Основным из них является качественная обработка рабочих поверхностей скольжения коллекторов и контактных колец, обеспечивающая минимальные эксцентричность, волнистость, шероховатость и другие нарушения их рельефа. Положительные результаты могут быть достигнуты также путем снижения окружной скорости на рабочей поверхности, применением мягких электрощеток, уменьшением трения их о стенки обоймы щеткодержателя и принятием других мер, снижающих вибрации.
Еще одним следствием вибраций электрощеток и обусловленных ими изменений режима прохождения тока через скользящий контакт и искрением является возникновение электромагнитных колебаний. Последние оказывают отрицательное влияние на работу находящихся поблизости радиоприемных установок, создавая для них помехи. Уровень радиопомех под электрощетками различной полярности является различным. Благодаря детектирующему действию слоя политуры уровень помех под катодно-поляризованной электрощеткой примерно на один порядок выше, чем под электрощеткой другой полярности. Решающая роль в этом явлении слоя политуры подтверждается тем, что при хромировании медного коллектора уровни радиопомех под электрощетками различной полярности сравниваются [Л. 7-13]. Там же содержится информация о некоторых других факторах, влияющих на радиопомехи, согласно которой их уровень уменьшается вместе с контактным сопротивлением, температурой и частотой вращения. Факторами, действующими в сторону повышения уровня радиопомех, являются пониженная влажность, высотная атмосфера и все те показатели состояния рабочей поверхности коллектора, которые способствуют возникновению вибраций. В самом общем случае следует полагать, что для предотвращения радиопомех необходимо создать такие условия прохождения тока через скользящий контакт, при которых будет обеспечено соблюдение условия di/dt→0. Для предотвращения возникновения радиопомех применение конструктивных мер, способствующих обеспечению приведенного равенства, является более важным, чем применение индуктивных или емкостных фильтров. К числу конструктивных мер относится образование скользящего контакта с помощью нескольких параллельно подключенных электрощеток, создание монолитного коллектора, применение подшипников высокого класса точности и использование других средств предотвращения вибраций электрощеток и искрения в контакте. Трудности в разработке упомянутых средств возрастают вместе с ростом окружной скорости на рабочей поверхности скольжения контакта. Имеются сведения о том, что для решения рассматриваемой задачи на контактных кольцах турбореактивных двигателей, где окружная скорость на поверхности скольжения достигает 150 м/с, были использованы электрощетки из волокнистого молибдена. Этот материал при хорошей электрической проводимости обладает упругостью, достаточной для поглощения энергии соударений электрощетки с кольцом и демпфирования вибраций [Л. 1-9].
Отмеченная здесь возможность снижения радиопомех за счет использования электрощеточных материалов с соответствующими свойствами является частью общей задачи о взаимосвязи между составом этих материалов и вибрационными свойствами изготовленных из них электрощеток. Решением этой задачи занимался ряд исследователей. В частности, автору в [Л. 1-4] удалось показать, что склонность к вибрациям возрастает по мере того, как в составе электрощеточного материала снижается содержание графита и повышается содержание сажи. Дальнейшие исследования позволили распространить аналогичный вывод на металлографитные электрощеточные материалы, склонность к вибрациям у которых оказалась зависящей от соотношения входящих в их состав порошков графита и меди. Качественная оценка описываемой общей закономерности изменения вибрационных свойств электрощеточных материалов достаточно хорошо интерпретируется кривыми Н и σп, показанными на рис. 1-2. Подобное заключение подтверждается также опытами по определению коэффициента неустойчивости скользящего контакта, описанными в [Л. 5-7].
