Скользящий контакт электрических машин - Оптимальный режим работы скользящего контакта

ГЛАВА ВОСЬМАЯ
ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Изучение характеристик и свойств электрического скользящего контакта и выявление общих закономерностей их формирования позволяют перейти к рассмотрению вопросов, относящихся к эксплуатации скользящего контакта непосредственно на электрических машинах. Одним из первых среди них является вопрос о выборе режима работы контакта. Основными показателями, определяющими режим работы скользящего контакта электрических машин, являются окружная скорость на поверхности скольжения коллектора или контактного кольца и, удельное нажатие электрощетки на эту поверхность р и плотность тока в скользящем контакте j. Значения трех перечисленных показателей для конкретной электрической машины определяются в процессе ее расчета и увязываются с соответствующими значениями, содержащимися в технической документации на электрощеточные материалы. При этом, естественно, учитываются данные эксплуатации ранее изготовленных электрических машин, личный опыт расчетчика и другая, имеющаяся в его распоряжении информация. К сожалению среди этой информации не содержится сведений о том, в какой мере выбранный режим является оптимальным и нет ли возможности для его последующего усовершенствования. Между тем накопилось достаточное количество данных, позволяющих произвести аналитическое исследование параметров, определяющих режим работы скользящего контакта и показывающих, что практикуемые способы выбора величин этих параметров не всегда создают оптимальные условия для работы контактных элементов. С целью подтверждения этого заключения вычислим величину полных потерь в электрическом скользящем контакте Р, которая представляет собой сумму механических потерь на трение ΔΡΜ и электрических потерь ΔΡэ. В самом общем случае искомая величина определяется с помощью известной формулы(8-1) где р — удельное давление в контактной зоне электрощетки, 105 Па (кгс/см²); F — площадь контактной  поверхности всех установленных на машине электрощеток,. см²; μ — коэффициент трения электрощеток о поверхность скольжения;ν — окружная скорость поверхности скольжения, м/с; — переходное падение напряжения на пару электрощеток положительной и отрицательной полярности, В; I — ток, протекающий через контакт, А.
Если при рассмотрении учесть, что в условиях использования скользящего контакта на электрических машинах всегда справедливо соотношение(8-2) где j — кажущаяся плотность тока в зоне контакта, то формулу (8-1) можно представить в виде
     (8-3)
Для последующего анализа (8-3) привлечем полученные ранее выражения (3-6) и (4-2)

где А, В, С и D — постоянные, зависящие от марки электрощеточного материала (табл. 3-1 и 4-1).
Использование двух последних выражений позволяет переписать (8-3) в новом виде:
(8-4)
Поскольку для применяемой марки электрощеток значения A, В, С и D являются заданными, а I и j связаны между собой соотношением (8-2), полные потери в скользящем контакте можно рассматривать как функцию трех переменных:

Влияние каждой из переменных на величину Р можно выявить путем аналитического исследования (8-4). Для этого дважды продифференцируем ее по каждой из трех переменных и выявим условия существования для нее экстремальных значений:
(8-5)

Из рассмотрения (8-5) и (8-6) следует, что влияние удельного давления р на величину полных потерь является однозначным: по мере увеличения р значение Р монотонно возрастает. Очевидно, что в условиях эксплуатации необходимо стремиться к выбору возможно меньших значений нажатия на электрощетки. Пределом здесь являются значения, при которых может наступить нарушение механического взаимодействия между элементами контакта.

Графическая интерпретация произведенных выкладок хорошо иллюстрируется рис. 8-1—8-3. Первый из них иллюстрирует наличие максимумов в кривой полных потерь в зависимости от υ, второй показывает, как располагаются точки минимума этих потерь при различных значениях j.

Рис. 8-1. Зависимость полных потерь в скользящем контакте электрической машины заданной мощности от окружной скорости коллектора при использовании электрощеток марок 611М (a), МГ64 (б), ЭГ74 (в) и ЭГ2А (г)

Сопоставление рассчитанных описанным образом υэ и jэ со значениями окружной скорости υτ и плотности тока jг, рекомендованными приложением к ГОСТ 2332-63, произведено в табл. 8-1.

Таблица 8-1
Значения υ и jг определяющие экстремальную величину функции полных потерь в скользящем контакте электрической машины и рекомендуемые ГОСТ 2332-63

Рис. 8-2. Зависимость полных потерь в скользящем контакте электрической машины заданной мощности от плотности тока при разных окружных скоростях коллектора.

Из табл. 8-1 следует, что для большинства марок электрощеточных материалов значения vг и vэ не совпадают; это благоприятно сказывается на величине полных потерь, улучшая условия работы элементов контакта. В случае, когда имеет место сходимость значений vг и (марки Г3, Μ1, МГ4), режим работы контакта оказывается менее благоприятным, поскольку при этом значения полных потерь окажутся в области максимума.

Большой практический интерес представляет сопоставление между собой цифр, приведенных в графах 3—5 и 7 табл. 8-1. Это сопоставление показывает, что во всех практически важных случаях использования скользящего контакта (имеются в виду случаи, когда v>20 м/с) рекомендуемая стандартом плотность тока в контакте имеет меньшее значение, чем определенная из условия минимума полных потерь. Отмеченный факт свидетельствует о принципиальной возможности повышения плотности тока в контакте за счет уменьшения суммарной контактной площади электрощеток. Общие потери в контакте при этом снизятся. Если не стремиться к снижению этих потерь, а оставить их на уровне тех, которые имели место при j=jг, то плотность тока в контакте может превысить jэ и достигнуть некоторого, еще большего значения j=jм. Изложенные соображения интерпретируются построениями рис. 8-3, из которых следует, что данное значение Р может иметь место при двух значениях j. При этом не следует упускать из виду, что речь идет о случае, когда равенство j=jм будет достигнуто за счет соответствующего уменьшения суммарной контактной поверхности электрощеток, а не за счет каких-либо иных мер.
Изложенная методика определения оптимального режима работы скользящего контакта электрических машин базировалась на выполнении требования минимума полных контактных потерь. Поскольку при этом выявилось, что для оптимизации режима следует повысить плотность тока в контакте по сравнению с рекомендуемой ГОСТ, то возникает необходимость в  дополнительном изучении последствий, к которым подобное увеличение может привести. В самом общем виде эта новая задача может быть сформулирована следующим образом: каковы возможные значения плотности тока в скользящем контакте и как возрастание этой плотности повлияет на процесс коммутации электрических машин?
Принципиальная возможность нормального функционирования электрического скользящего контакта при весьма значительных плотностях тока убедительно доказана практикой работы рельсового электрифицированного транспорта. Контактная пара «троллейный провод— лыжа пантографа» соприкасается с поверхностью, площадь которой составляет доли сантиметра, и через этот скользящий контакт длительно проходят токи до 1 520 А (электровоз Н8).
Приведенный пример заимствован из области, где условия работы элементов контакта отличны от тех, которые имеют место в электрических машинах. Что касается этих последних, то и здесь можно найти примеры достаточно интенсивного использования контакта. Так, в одной из ранних работ Е. Арнольда было показано, что хорошо пришлифованные электрощетки могут работать без искрения на гладкой поверхности контактного кольца при j=500 А/см² [Л. 8-1]. В исследовании Μ. Е. Хейса приводится вольт-амперная характеристика электрографитированной электрощетки, снятая на контактном кольце при плотности тока, достигавшей 108 А/см². Описывая процедуру испытания, М. Хейс отмечает, что при j=85 А/см² переходное падение напряжения теряло свою определенность. Контрольные приборы фиксировали возникновение явлений, которые можно было принять за интенсивное дугообразование, но дуг, видимых невооруженным глазом, при этом не наблюдалось [Л. 8-2]. В [Л. 8-3] сообщается, что если электрощетка работает на коллекторе при практически активном сопротивлении коммутируемой секции, то искрения не наблюдается при средней плотности тока 225 А/см² и плотности тока под сбегающим краем щетки 350—400 А/см². В [Л. 8-4] описывается замена жидкостного контакта униполярной машины на электрощеточный. Благодаря тщательной обработке поверхности скольжения и установке щеткодержателей, обеспечивающих изменение угла наклона медно-графитной электрощетки в соответствии с рельефом рабочей поверхности контактного кольца, была достигнута безыскровая работа контакта в импульсном режиме при плотности тока j=1 500 А/см² и окружной скорости v=170 м/с.
Все описанные сведения свидетельствуют о том, что сама по себе большая плотность тока в скользящем контакте не является причиной, достаточной для появления искрения. Эти сведения служат доказательством принципиальной возможности работы высоконагруженного контакта и в электрической машине. Что касается практической возможности подобной работы, то она доказывается прямыми опытами. На рис. 8-4 воспроизведены заимствованные из различных источников безыскровые зоны ряда электрических машин при последовательном уменьшении суммарной площади установленного на них комплекта электрощеток. Первый из них — рис. 8-4,а построен по данным испытаний на заводе «Электросила» (инж. Я. Д. Мальчик) машины типа ПН-290 (23 кВт, 110 В, 1000 об/мин), оборудованной электрощетками марки ЭГ4 с размерами сечения 12,5X25 мм. Зона 1 снималась, когда на машине находился полный комплект электрощеток, состоящий из 16 шт.; зоны 2 и 3 были получены при уменьшении числа электрощеток до 12 и 8 шт. соответственно. Из анализа рис. 8-4 также следует, что при уменьшении числа электрощеток с 16 до 12 зона безыскровой коммутации не ухудшилась (в данном случае даже несколько улучшилась), а сам факт наличия широкой зоны при Iя=350 А указывает на возможность дальнейшего увеличения тока якоря. Последующее уменьшение числа щеток до восьми не изменило ширины зоны в области номинального тока машины (Iн=210 А), хотя плотность тока в электрощетках при этом достигла 17,5 А/см². Анализируя результаты описываемого опыта с помощью введенного ранее понятия об индексе коммутации N можно обнаружить, что связь между ним и числом установленных на машине электрощеток представляется следующими цифрами:



Рис. 8-4. Изменение зон безыскровой работы электрических машин при уменьшении контактной площади установленных на них электрощеток.

Рисунок 8-4,б и в иллюстрирует результаты опытов Т. Г. Амбарцумова, Е. М. Коварского и Г. И. Гершковича на электродвигателях постоянного тока мощностью до 20 кВт с окружной скоростью на поверхности скольжения коллектора 21,3 м/с. Повышение плотности тока в контакте осуществлялось путем уменьшения площади поперечного сечения электрощеток без изменения их количества. Удельное давление на электрощетки сохранялось постоянным и составляло 270—300 гПа (гс/см²). Зоны (рис. 8-4,б) снимались при установке на машине электроугольных щеток марки ЭГ8. Зона 1 получена при площади сечения электрощеток на полюс машины, равной 7,2 см². Зоны 2 и 3 сняты при последовательном уменьшении этой площади до 3,6 и 1,8 см². Зоны на рис. 8-4,в снимались на машине, оборудованной электрощетками марки ЭГ14. При снятии зоны 1 площадь сечения электрощеток на полюс составляла 12,5 см²; зона 2 снималась после уменьшения площади до 5,75 см². Анализ описанных зон позволил их авторам заключить, что рекомендуемые стандартом плотности тока в скользящем контакте могут быть изменены в сторону увеличения [Л. 8-5].
Построения, изображенные на рис. 8-4,г и д, получены на основании экспериментов И. С. Менделеева и Б. Б. Каца [Л. 8-6]. Опыты производились на генераторе типа П92М (80 кВт, 230 В, 1 500 об/мин), снабженном электрощетками марки ЭГ74, пропитанными CdF2 (рис. 8-4,г), и ЭГ4 (рис. 8-4,б). Электрощетки помещались в держателях радиального типа, имели сечение 2 (8x25) мм и работали при удельном давлении 200— 250 гПа (гс/см²). Увеличение плотности тока в контакте производилось путем поднятия части электрощеток на каждом из бракетов. Зоны 2 двух рассматриваемых рисунков, только немного уступают зонам 7, полученным при плотности тока в 2,5 раза большей.
На основании анализа всех обстоятельств испытаний в выводах [Л. 8-6] отмечается принципиальная возможность повышения плотности тока в скользящем контакте исследованной машины, при этом оговаривается необходимость учета некоторых дополнительных факторов, определяющих режим ее работы.
Зоны, изображенные на рис. 8-4,е, ж и з, построены по результатам опытов В. А. Яковенко на машинах типов П-92, МПТ-99/47 и ПН/290 соответственно. Зона 1 (рис. 8-4,е) снята при установке на бракете четырех щеток марки ЭГ74. Далее число электрощеток уменьшилось сначала до трех (зона 2), а затем до двух (зона 3 [Л. 8-7]). Сопоставление зон 1 и 3 показывает, что при двукратном возрастании плотности тока в контакте их индекс коммутации остается практически без изменений, следовательно, протекание коммутационного процесса изменению не подверглось.
Рисунок 8-4,ж иллюстрирует, как изменялись безискровые зоны при уменьшении числа электрощеток марки ЭГ14 с семи (зона 1) пяти (зона 2) и четырех (зона 3). Здесь темп уменьшения значения индекса коммутации существенно отставал от темпа увеличения плотности тока в контакте. Зоны 7, 2, 3 (рис. 8-4,з) сняты при последовательном уменьшении числа электрощеток на бракете с четырех до трех и двух. Из рассмотрения взаимного расположения этих зон можно заключить, что происходившее существенное возрастание плотности тока в контакте не вызвало каких-либо осложнений в протекании процесса коммутации. Все эти обстоятельства позволили В. А. Яковенко заключить, что плотность тока в контакте вновь проектируемых машин может быть значительно повышена по сравнению с нормами ГОСТ 2332-63 [Л. 8-7]. Аналогичные высказывания, основанные на соответствующих экспериментах, можно найти и у других исследователей рассматриваемого вопроса (Л. 8-14—8-17].
Анализ возможностей повышения плотности тока в скользящем контакте электрических машин не может ограничиваться изучением закономерностей изменения его коммутирующих свойств. Дополнительному рассмотрению должен быть подвергнут баланс потерь в контакту при возрастании /. Изложенные ранее основы такого рассмотрения указали на существование условий, при которых возможно снижение суммарных потерь в контакте при повышении плотности тока в нем [формулы (8-9), (8-10) и рис. 8-2]. Произведенная автором экспериментальная проверка этих условий состояла в следующем: на генераторе мощностью 12 кВт (28,5 В, 4 000— 9 000 об/мин) были установлены 24 электрощетки марки МГС7, при которых плотность тока в контакте составляла j=26,6 А/см². После длительной работы и оценки теплового состояния электрощеток их число было уменьшено до 16, что привело к повышению плотности тока в контакте до 39,8 А/см². Результаты описываемого опыта, произведенного при двух значениях окружной скорости на поверхности скольжения коллектора, представлены следующими цифрами (табл. 8-2).

Из рассмотрения этих цифр следует, что 50%-ное повышение плотности тока при соответствующем уменьшении площади контактной поверхности электрощеток повышения их температуры не вызвало.
Аналогичные результаты были получены при испытаниях электрощеток на машине типа ЭДР-23, производившихся на заводе «Электромашина» в Харькове (инж. Ю. П. Сердюк). Эта машина представляет собой закрытый тяговый двигатель взрывобезопасного исполнения номинальной мощностью 23 кВт (125 В, 900 об/мин). Испытания производились с электрощетками марки ЭГ14 размером 16x60x60 мм. В одном случае на машину устанавливалось две пары электрощеток, а в другом —  одна пара. Тепловое состояние машины в процессе экспериментов характеризуется данными табл. 8-3, из которых следует, что двукратное повышение плотности тока при соответствующем снижении суммарной площади электрощеток не вызвало возрастания потерь в контакте. Более того, по данным табл. 8-2 можно отметить наметившуюся тенденцию к снижению этих потерь.

Таблица 8-3
Тепловое состояние двигателя типа ЭДР-23 при установке на нем разного количества электрощеток марки ЭГ14

Примечание. Температура двигателя определялась при его работе в часовом режиме; температура окружающей среды равнялась 18—20 °C.

Идентичные результаты были получены в [Л. 8-5 и 8-6]. Авторы первой из них отмечали, что при повышении плотности тока с 6 до 16 А/см² температура электрощеток и коллекторов оставалась практически неизменной (точнее, изменилась у щеток с 65 до 71 °C, а у коллекторов с 63 до 66°C). Авторы [Л. 8-6] указывали, что при возрастании плотности тока в контакте в 2,5 раза перегрев электрощеток оставался постоянным: что касается коллектора, то при уменьшении числа электрощеток, установленных на машине, с пяти до трех температура его перегрева снизилась с 56 до 33 °C.
При рассмотрении различных аспектов проблемы повышения плотности тока в скользящем контакте электрических машин отдельные авторы высказывали опасения, связанные с известным явлением неравномерного распределения тока между параллельно включенными электрощетками. Основой этих опасений являлось предположение о том, что отдельные электрощетки машин, спроектированных с соблюдением условияв действительности работают при  и если спроектировать машину так, чтобы, то при дальнейшем перераспределении тока между электрощетками их отдельные экземпляры могут оказаться чрезмерно перегруженными. Закономерности распределения тока между параллельно соединенными электрощетками изучались многими исследователями. Предложенный авторами [Л. 8-8] критерий количественной оценки рассматриваемого явления.

Следовательно, значения критерия неравномерности распределения тока могут изменяться в пределах 0—1, причем первому из этих значений соответствует идеально равномерное распределение тока, а второму — предельно возможное, наихудшее распределение, когда весь ток идет только через одну электрощетку. Оценив с помощью критерия неравномерности эксперименты различных авторов, изучавших распределение тока между параллельно соединенными электрощетками, можно установить, что на его численные значения можно влиять изменением воздушного давления в зоне контакта, регулировкой нажатия на электрощетки и варьированием температуры и плотности тока в контакте. Для того чтобы изменить рассматриваемый критерий в желаемом направлении, т. е. обеспечить, рекомендуется сверлить в теле электрощетки центральное отверстие, доходящее до ее контактной поверхности [Л. 8-8], образовывать на рабочей поверхности контактного кольца канавки [Л. 8-8, 8-18], повышать плотность тока в контакте [Л. 6-11, 8-9, 8-10], увеличивать степень его нагрева [Л. 8-10], правильно выбирать расстояние между электрощетками и надлежащим образом ориентировать их относительно поверхности скольжения контактного кольца [Л. 8-19].

Для того чтобы проиллюстрировать эффективность влияния на токораспределение плотности тока в контакте, оценим с помощью критерия η результаты опытов, описанных в [Л. 8-9]. Эти опыты производились на возбудителе типа ВТ-115-230 турбогенератора мощностью 25 мВт, эксплуатируемом на Горьковской ГРЭС. Возбудитель оборудован 12 парами электрощеток марки ЭГ74, ток через каждую из которых регистрировался с помощью 12-позиционного амперметра. Нагрузка на возбудитель ступенями возрастала так, что средняя плотность тока в контакте последовательно изменялась от 1,7 до 14,5 А/см². Значения критерия η при этом изменялись следующим образом:

Аналогичная закономерность, детализированная применительно к различным образом поляризованным электрощеткам, отмечена также в [Л. 8-10]. Описываемые здесь опыты производились на экспериментальной установке, оборудованной 56 электрощетками марки ЭГ14, и повторялись многократно. В процессе их проведения был получен обширный экспериментальный материал, впоследствии обработанный методами математической статистики. Оценка однородности протекания процесса при использовании названных методов производится, как известно, с помощью коэффициента вариации:

здесь X — среднее значение изучаемой характеристики (в данном случае плотности тока в скользящем контакте); σ — среднее квадратическое отклонение изучаемой характеристики.
Значения коэффициента вариации V при различной средней плотности тока в скользящем контакте для электрощеток различной полярности оказались следующими:

Последние цифры выявили еще одно обстоятельство. Оказалось, что токораспределение под анодно-поляризованными электрощетками является более равномерным, т. е. что соотношение значений критерия неравномерности под электрощетками разной полярности имеет вид η_>η+. Сопоставляя последнюю запись с записями правого столбика приложения II, обнаруживаем, что токораспределение оказывается более равномерным под теми электрощетками, которые имеют меньшие значения ΔU, Δhщ и μ. Для объяснения подобного явления следует обратиться к тем частям текста, где рассматривались причины, вызвавшие появление полярных различий изученных характеристик скользящего контакта.
Обобщение приведенных данных о выборе режима работы скользящего контакта электрических машин свидетельствует о возможности и целесообразности повышения в нем плотности тока по сравнению с рекомендуемой ГОСТ 2332-63. Практика электромашиностроения эту возможность в ряде случаев уже реализует; конкретные примеры эксплуатации электрических машин с весьма высокой плотностью тока в скользящем контакте будут приведены в гл. 9. В числе этих примеров находятся главным образом маломощные электрические машины с ограниченным количеством установленных на них электрощеток. Подобные примеры, относящиеся к электрическим машинам средней и большой мощности, приведены в табл. 8-4, где представлены сведения об эксплуатации нескольких двигателей и генераторов постоянного тока, у которых проектное количество электрощеток было существенно уменьшено, благодаря чему плотность тока в контакте повысилась до 13,3— 18,4 А/см². По свидетельству автора описываемых экспериментов каких-либо ухудшений в работе машин при этом не отмечалось, а в отдельных случаях имели место случаи улучшения состояния политуры коллекторов и уменьшение скорости их изнашивания [Л, 8-11].

Данные по эксплуатации электрических машин с уменьшенным количеством установленных на них электрощеток

Изложенное не исчерпывает всех аспектов весьма сложной проблемы повышения плотности тока в скользящем контакте электрических машин. Наряду с производимым изучением нагрева электрощеток и распределения тепла между ними и коллектором [Л. 8-12—8-17] необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования, которые позволят установить целесообразные пределы такого повышения, дадут возможность выявить возникающие при этом новые требования к машинам и электрощеткам, определить области применения машин и диапазон мощностей, на которые такое повышение может быть распространено, и решить целый ряд других вопросов.