Совершенствование узлов токосъема для высокоиспользуемых электрических машин

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВ ТОКОСЪЕМА ДЛЯ ВЫСОКОИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ
Г. Н. ФРИДМАН, канд. техн. наук, А. А. ПОНОМАРЕВА, инж.

Для создания новых высокоиспользуемых электрических машин важное значение имеет разработка высоконадежных и экономичных токосъемных устройств. Одним из путей совершенствования свойств этих устройств является создание контактных пар с множественным контактом, в которых общая площадь реального контактирования приближается к полной расчетной контактной площади.
Примером может служить щетка, состоящая из металлизированных углеграфитовых волокон, соединенных между собой в виде кисти [1].

На каждое волокно нанесены методом гальванопокрытия несколько тонких слоев металла, причем один слой из твердого, тугоплавкого металла, например никеля, хрома или вольфрама, второй — из высокоэлектропроводного металла — меди, серебра, алюминия, и третий, наружный слой — из антикоррозионного и антифрикционного металла — олова, свинца, теллуридов и др.
Испытания щеток такой конструкции показали, что они хорошо приспособлены к неровностям микрорельефа контактов и повышают надежность его работы в целом. В паре с контактными кольцами из бронзы или стали эти щетки работают длительно с плотностью тока в контакте до 150 А/см2 при переходном падении напряжения на пару щеток не более 1,0 В с коэффициентом трения 0,3—0,5. К недостаткам следует отнести сложность изготовления металлизированных волокон и невысокую износоустойчивость. Так, износ этих щеток при скорости скольжения 50 м/с составляет около 10 мм/1000 ч.
Известны токосъемные устройства с множественным контактом, образуемые насыпными шариковыми или роликовыми контактами [2, 3]. Щеткодержатель такого устройства состоит из ряда вертикальных, спаянных прямоугольных латунных трубок, сечением 4,0X4,5 мм2, в каждую из которых засыпаны ролики или шарики, выполненные из щеточных материалов. Контактные поверхности трубок щеткодержателя, шариков и роликов покрыты серебром. Для отвода тепла щеткодержатель помещается внутрь металлической рубашки, омываемой охлаждающей жидкостью. Испытания насыпных щеток показали, что они способны длительно работать с плотностями тока до 80—100 А/см2.
Электрографитированные щеточные материалы с применением соответствующих пропиток при работе в указанном режиме изнашиваются в 1,5—2 раза быстрее, чем при работе с нормальными плотностями тока 12—15 А/см2. Работа металлосодержащих щеточных материалов сопровождается резко повышенным износом контактной пары, особенно коллекторной меди. В конструкции токосъемного устройства с насыпными щетками отвод тока от шариков или роликов, в отличие от щеток с канатиком, возможен лишь от щеткодержателей, поэтому на пути прохождения тока всегда имеется несколько включенных последовательно переходных контактных сопротивлений. Работа такого контакта сопровождается резким, до 60 %, быстро меняющимся перераспределением плотности тока между отдельными элементами щеточного контакта. Необходимость жидкостного охлаждения и большое число шариков или роликов усложняют конструкцию и эксплуатацию, вследствие чего применение насыпного контакта ограничено специализированными исполнениями машин.
ВНИИЭМ проведены исследования токосъемного устройства, получившего название твердожидкостного контакта [4], основная идея которого состоит в соединении положительных свойств твердощеточного и жидкостного контактов на основе чистометаллической контактной пары с увеличенной площадью контактирования. Работа чистометаллического скользящего контакта невозможна из-за схватывания и задиров, неизбежно сопровождающих процесс скольжения металла по металлу. Введение в контактную пару графита или других твердых смазок в условиях высоких рабочих плотностей тока повышает переходное падение напряжения и не позволяет снизить коэффициент трения ниже 0,3—0,4.
Применение жидких или консистентных смазок обычного состава не дает положительных результатов, так как электрический скользящий контакт, в отличие от узлов трения, работающих без тока, должен обладать высокой электропроводностью контактной зоны, а наличие в нем слоя смазки препятствует протеканию тока.
В мировой электротехнике такие составы получили наименование «Электролайбы» или «бальзамы».
Таблица 1

Примечание. Исследования проведены на контактной паре: кольца — бронза марки БрХЦрМг; щетки — гибкий щеточный провод марки ПШ; окружная скорость — 20 м/с.
Поиск эффективных составов, способствующих работе скользящего контакта (контактного бальзама) проводился на основе рецептур, содержащих катионоактивные, анионоактивные и неионогенные поверхностно-активные вещества, в частности, на основе изопарафиновых масел, кремнийорганических жидкостей, полигликолей и эфиров. Лучшими характеристиками обладают бальзамы, дисперсионной средой которых служил сложный эфир. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Испытания показали, что опытные образцы бальзамов на основе сложного эфира с загустителем как мыльного, так и не мыльного типов обеспечили в длительном режиме низкий коэффициент трения и стабильность контактных характеристик.
Переходное падение напряжения при работе контактной пары со стальными кольцами марки 40Х не превышало 0,7 В при плотности тока 150 А/см2 и рабочих температурах до 200 °С.
Механизм действия контактных бальзамов заключается в том, что они как высокомолекулярные соединения, хотя и не обладают собственной электропроводностью, но, вступая в реакцию с материалом контактной поверхности кольца, очищают ее от окисных пленок и загрязнений. В контактной зоне возникает тонкая чистометаллическая пленка с высокой электропроводностью и низким модулем сдвига, заполняющая микронеровности контактных дорожек и устойчиво удерживаемая на контактной поверхности силами адгезии. В результате площадь реального контакта увеличивается с 1—3 % до 80—90 % полной контактной площади, что снижает коэффициент трения и переходное падение напряжения, несмотря на высокие плотности тока (150 А/см2 и более).
На основе выполненных исследований созданы варианты конструкции щеток из гибкого щеточного провода марки ПЩ, а также из обмоточного медного провода с диаметрами от 0,3 до 0,8 мм, монолитные, из мягкой отожженной меди марки М-1 и латуни марок ЛС-59 и Л-63. В качестве проводникового материала для контактных колец и коллекторов исследованы различные марки бронз и стали. Медь марки М-1, а также высокоэлектропроводные марки бронз, в частности, кадмиевая и магниевая, при работе с высокими плотностями тока в скользящем контакте оказались недостаточно износоустойчивыми. Из всех испытанных металлов и сплавов лучшие результаты по электроэрозионной стойкости и износоустойчивости получены при работе с хромоциркониевыми бронзами.
Для кольцевых токосъемов с окружными скоростями свыше 50 м/с испытаны стали марок 40Х и Х18Н10Т, а также сталь марки 38XH3MA, применяемая для изготовления контактных колец турбогенератора ТВВ-500. Износы стальных контактных колец оказались в 3—5 раз ниже износов колец из лучших марок бронзы. По коэффициенту трения контактные пары с применением стальных колец идентичны парам с бронзовыми кольцами, но переходное падение напряжения на стали, в зависимости от конкретных материалов контактной пары, в 1,5—2 раза выше, чем на бронзе.
Контактная пара — кольца из стали 38XH3MA — щетка из провода ПЩ с бальзамом успешно испытана при скоростях до 100 м/с. Сравнительные характеристики некоторых вариантов исследованных контактных пар приведены в табл. 2.
Разработанный твердожидкостный контакт можно рассматривать как новый вид скользящего контакта, обладающего усредненными свойствами твердого и жидкостного контактов. Он способен работать длительно при плотности тока до 350 А/см2 с кратковременными 3—4-кратными перегрузками. Контактные поверхности анодных и катодных колец, очищенные под действием бальзама от загрязнений и окислов, одинаково высокоизносоустойчивы при скольжении щеток как по одному следу, так и вразбежку на кольцах разной полярности.
Таблица2

Вольт-амперные характеристики твердожидкостных контактов в отличие от характеристик контактных пар, содержащих медь — графит, прямолинейны, что обеспечивает лучшее токораспределение между параллельно работающими щетками. Как и все контакты с увеличенной площадью реального контакта, твердожидкостный контакт сохраняет свою работоспособность и в условиях воздействия магнитных полей. Обладая низкими электрическими и механическими потерями, он надежно работает в условиях воздушного охлаждения.

Рис. 1. Зависимость контактных потерь в тихоходном узле токосъема от расчетной плотности тока в щетках для стальных (1) и бронзовых (2) контактных колец: I= 6500 А, υк = 15 м/с

Рис. 2. Зависимость контактных потерь в быстроходном узле токосъема от расчетной плотности тока в щетках: Iк=4000 А, υк=80 м/с

При разработке узлов токосъема электрических машин, например униполярных, необходимо суммарные контактные потери сводить к минимуму, что возможно при правильном выборе расчетной плотности тока в контактах. Контактные потери (кВт) в функции плотности тока можно выразить следующей зависимостью:
(7)
где 2ΔU — переходное падение напряжения на пару щеток при номинальной плотности тока, В; Δi — выбранная рабочая плотность тока в щетках, А/см2; ΔiH — номинальная расчетная плотность тока в щетках, А/см2; Δf— удельное нажатие пружин, Н/см2; μ — расчетный коэффициент трения; υк — линейная скорость скольжения щеток, м/с, Iк — полный расчетный ток кольца, А; k — число колец в узле токосъема.
Из выражения (7) следует, что при увеличении расчетного значения плотности тока электрические контактные потери из-за повышения переходного падения напряжения растут, а механические, вследствие изменения суммарного сечения контактной поверхности щеток, падают. Таким образом, в электрических машинах, где преобладают электрические потери, не следует рассчитывать контактные узлы на слишком высокие плотности тока в щетках. Если главными являются механические потери, например, в машинах с высокими скоростями, расчетные плотности тока выгодно выбирать ближе к максимально допустимым. Для каждого конкретного токосъема существует оптимальная плотность тока в щетках, когда суммарные контактные потери становятся минимальными.
В качестве примера на рис. 1, 2 показано изменение общих контактных потерь в функции расчетной плотности тока в щетках для тихоходного и быстроходного контактных узлов при применении контактных колец из бронзы и стали. Из рис. 1, 2 видно, что для тихоходного контактного узла оптимальная плотность тока в случае стальных колец составляет 60 А/см2, бронзовых — 75 А/см2. Для быстроходного контактного узла, например, для узла токосъема турбогенератора мощностью 500 мВт, оптимальная плотность тока составляет 150 А/см2.
Для максимального снижения износа контактных колец необходимо ограничивать число щеток, скользящих по одному следу, путем увеличения ширины колец, что также благоприятно скажется и на снижении рабочих перегревов щеток. Практически на бронзовых кольцах общий ток в щетках, скользящих по одному следу, не должен превышать 600 А, на стальных — 1000 А. Одна из основных трудностей при разработке конструкции твердожидкостного контакта — обеспечение дозированной подачи бальзама в контактную зону без его разбрызгивания в окружающее контактный узел пространство. Возможные конструктивные решения можно подразделить на две основные подгруппы. Это контактные узлы закрытые (с наружным кожухом) и открытые. На рис. 3 показан один из вариантов конструкции, состоящей из контактного кольца 7, помещенного в кожух 3, в который встроена траверса щеткодержателей 1. В нижней части имеется резервуар 4, наполненный контактным бальзамом, снабженный подпружиненной фетровой подушкой 5. При вращении кольцо захватывает с подушки бальзам, толщина слоя которого регулируется двумя фетровыми прокладками с регулируемым нажимным устройством 6. Контактный узел не нуждается в жидкостном охлаждении и может быть оборудован одной из известных систем воздушного охлаждения, что существенно упрощает конструкцию в целом.

Рис 3. Контактный узел закрытого исполнения с центральной подачей бальзама:
I — траверса щеткодержателя; 2 — смотровой люк; 3 — кожух контактного узла; 4 — контактный бальзам; 5 — фетровая подушка; 6 — устройство, регулирующее подачу бальзама в зону контакта; 7 — контактное кольцо
Метод подачи контактного бальзама, аналогичный приведенному на рис. 3, успешно испытан в длительном
режиме в течение 2000 ч в узле токосъема диаметром 120 мм, без защитного кожуха. Подача бальзама может быть осуществлена индивидуально под контактные поверхности каждой щетки или каждой группы щеток, расположенных на кольцах. Возможны также системы принудительной подачи бальзама через определенные интервалы с помощью автоматически действующих дозаторов, аналогично системам, применяемым, например, в современном станкостроении.
Лабораторные испытания опытных контактных пар показали, что щетки, выполненные в виде кисти, набирали в себя достаточное количество бальзама и работали без дальнейшего его пополнения в течение 3—4 ч.
Применение бальзама возможно и в узлах токосъема с меднографитовыми щетками, например, МГСО или МГ, что также дает положительный эффект благодаря снижению коэффициента трения и повышению износоустойчивости, хотя переходное падение напряжения на пару щеток несколько возрастает.
Узлы токосъема с твердожидкостным контактом можно использовать не только в электрических машинах, ио и в ряде узлов электрической аппаратуры. Так, при передаче различной информации с вращающихся частей на неподвижный новый контактный узел обеспечивает прямолинейность и стабильность переходного падения напряжения в функции тока с точностью до третьего знака, в то время как обычные контактные пары вносят в передаваемые сигналы заметные искажения.
Новые контакты позволяют сократить размеры контактных узлов, уменьшить на порядок и более суммарную контактную поверхность щеток, существенно повысить износоустойчивость контактной пары и общую надежность новых высокоиспользуемых электрических машин и автоматических устройств.

Список литературы

1. А. с. 762076 СССР. Эластичная электрощетка для электрических машин. / Г. Н. Фридман, А. А. Пономарева, Ю. Н. Петров // Открытия. Изобретения. 1980. № 33.
2. А. с. 440731 СССР. Токосъемное устройство / В. С. Платов, Я. Г. Давидович // Открытия. Изобретения. 1974. № 31.
3. А. с. 555474 СССР. Токосъемное устройство / В. С. Платов, В. Г. Зайчиков // Открытия. Изобретения. 1977. № 15.
4. А. с. 1101936 СССР. Токосъемное устройство / И. А. Глебов, Г. Н. Фридман, А. А. Пономарева и др. // Открытия. Изобретения. 1984. № 25.