Диссертация (Снижение износа щеток в коллекторных машинах постоянного и переменного тока), страница 5

С увеличением высоты снижается плотность воздуха,его давление и температура; изменяется влажность. За пределами тропосферыдобавляется влияние озона и солнечной радиации [7, 20]. Работа токосъёмногоузла в вакууме осложняется рядом физических процессов, из которых22определяющий ресурс работы и надёжность являются изменение процессовтрения и износа.Снижение плотности воздуха вызывает уменьшение его электрическойпрочности. На больших высотах ухудшается процесс гашения электрическойдуги, что приводит к увеличению искрения на коллекторах электрическихмашин [99]. Снижение плотности воздуха уменьшает его способность отводитьтепло. С высоты 6 километров резко уменьшается количество водяного пара ввоздухе, это влечет увеличение трения и износа щеток электрических машин.При быстром наборе высоты часть парообразной влаги конденсируется ивыпадает в виде росы.

Влага приводит к коррозии металлов и образованиютокопроводящих дорожек на электрической изоляции. На высотах более12 километров образуется озон в результате воздействия ультрафиолетовойрадиации на кислород воздуха. Будучи сильным окислителем, озон делаетхрупкимилиразрушаетматериалыорганическогопроисхождения.Температура электроагрегата зависит от температуры окружающей среды,теплового излучения соседних агрегатов, и тепла, выделяемого током,проходящим через электроагрегат.В тропосфере (до высоты 10…15 км)температура убывает в среднем на 6,50С на 1 км.

В стратосфере до высоты30…35 км температура постоянна и равна -56,50С, затем повышается и навысоте 50…55 км доходит до 00С. Поэтому воздух в малой степени влияет наповышение температура самолета. При большой скорости полета имеетзначение аэродинамический нагрев, который зависит от высоты полета.Необходимостьуправленияизносомособенноважнавследствиеувеличения износа щёток в высотных условиях по сравнению с износом внормальныхатмосферныхусловияхпринеизменностиэлектрическихпараметров работы машины [84].И.В. Крагельский [85] небольшой износ графита в атмосферных условияхобъясняет переносом микрочастиц графита с одного трущегося элемента надругой и обратно. В вакууме химическое взаимодействие и образование ПП,23обладающей смазывающим действием, осложнено явлениями диссоциации ииспарениями, особенно при ужесточении режимов трения.На высоте более 10 тыс.

метров наблюдается возрастание износа угольныхщёток, работающих без токовой нагрузки в 500-1000 раз и повышениекоэффициента трения до 0,35-1,00 /43/. Отмечено также обильное распылениетонких частиц размером 0,1-0,3 мкм в вакууме 10-2 мм рт.ст. Причинойинтенсивного износа графитовых и металлографитовых электрощёток ввакууме называется особенность окружающей атмосферы, вызывающейизменения условий трения элементов электрического скользящего контакта, атакже механическими факторами [20].В вакууме величина переходного падения напряжения имеет тенденцию кснижению, что объясняется разрушением ПП и отсутствием окисляющихфакторов среды.

Во время работы в вакууме, когда происходит переход отграничного к «чистому» трению, коэффициент трения может возрастать в 3-5 иболее раз, а износ щёток - в десятки и даже сотни раз.В высоком вакууме коммутирующие свойства щёток ухудшаются последующим причинам:- снижается величина переходного падения напряжения;- увеличивается температура контактной зоны;- происходит переход от ионизации воздушного промежутка к ионизации иэрозионному разрушению электродов (щёток и ламелей);- увеличение скачков трения обезгаженной контактной пары приводит квибрациям и искрению.По данным Хольма [118] в вакууме 10-4 мм. рт.ст.

коэффициент тренияповышается не только для пары графит-медь, но и для пары графит-золотовследствие уменьшения прилипания плёнки графита к золоту в вакууме посравнению с влажным воздухом, сваривание контактных поверхностей приэтом не наблюдалось.Повышенный износ в сухом воздухе и вакууме на высоте 6000-15000 м.объясняется Р. Хольмом [119] усиленным сцепление графитовых чешуек щётки24и политуры и слабой связью их с медью или серебром. В атмосферныхусловиях молекулы воды, увеличивая расстояние между скользящимичешуйками и уменьшая тем самым вандерваальские силы, облегчаютскольжение. Кроме того, молекулы воды исключают сцепление, возникающееза счёт свободных валентностей на краях графитовых моноплоскостей. Тонкаяплёнка воды обеспечивает плавное скольжение без скачков, однако приопределённой толщине плёнки контакт теряет проводимость.Некоторые исследователи увеличение износа щёток в высотных условияхобъясняют разрушением ПП.

ПП не обладает смазывающей способностью, ноона предотвращает непосредственное схватывание трущихся материалов.Также плёнка косвенно влияет на износ щёток, так как при её исчезновенииухудшается коммутация. Образование и разрушение окисной плёнки на медномколлекторе является динамическим процессом, при прохождении токапостоянно возникают места пробоя окисной плёнки. В высотных условияхснижение содержание кислорода и влаги сдвигает равновесие образования иразрушения в сторону разрушения ПП. Наличие слоя влаги на окисных играфитовыхучасткахповерхностиколлектораобуславливаетгидродинамические условия трения.

При снижении содержания влаги вокружающей атмосфере снижается толщина водяной плёнки, возникаютусловия «сухого» трения, происходит дезориентация частиц графита иувеличение износа [126].Таким образом, высокий износ электрощёток в высотных условиях связанс изменениями структуры ПП, возникающими при снижении содержания вокружающей среде паров влаги и кислорода, а именно с ухудшениемантифрикционных свойств графита и разрушением медноокисных слоёв наповерхности коллектора.251.4 Способы снижения износа токоведущих щёток в электрическихмашинах, работающих в условиях вакуумаБольшой износ щёток в условиях повышенных высот возникаетвследствие отсутствия плёнки в контакте между щётками и коллектором. Врезультате этого происходит образование значительных сил связи металла играфита и, как следствие, наволакивания металла, задиры, повышенный износ ислабая электропроводность [130].Для снижения износа щёток в вакууме необходимо навести на коллектореПП.

Основной задачей является снижение износов щёток за счёт ускоренногообразования ПП.В [13] приведены результаты исследования структуры и электрическогосопротивления отдельных участков плёнок на медном и серебряномколлекторе,образованныхщёткамисдобавкамисинтезированныххалькогенидов переходных металлов V группы периодической системыД.И.Менделеева (MoS2, NbS2, NbSe2, WS2), а также квазибинарными сплавами(WNbS2, MoNbS2), которые кроме высоких антифрикционных свойств имеютнизкое электрическое сопротивление (около 10 -3- 10-4 Ом·см ) при нормальноми пониженном атмосферном давлении.

Нижнее значение сопротивления коллекторных плёнок щёток, содержащих 75% MoS2 и 25% Cu, 75% WNbS2 и25% Си практически совпадают, однако сопротивление MoS2 на 5-6 порядковвыше, чем WNbS2. В вакууме при плотностях тока 0,05 и 0,10 А/мм2 верхнеезначение сопротивления плёнок с WNbS2 значительно выше, чем у плёнок,образованных щётками, содержащими ДМ.Вольтамперные характеристики участков плёнок, которые образованыщётками с WNbS2 имеют линейный характер и не зависят от полярностиприложенного напряжения. Проводимость в таком случае с низким (до единицОм) сопротивлением, является металлической. Вольтамперные характеристикиучастков плёнок, содержащих ДМ, носят нелинейный характер. Приувеличении напряжения, приложенного к контакту, до 1 В наблюдаетсяуменьшение сопротивления примерно на порядок (с 1000 до 100 Ом). При26дальнейшемповышениинапряжениясущественноевоздействиенапроводимость плёнок оказывает значение протекающего тока.

Для повышенияэлектропроводности ДМ применяется замещение части атомов молибденаниобием или танталом, которые играют роль акцепторных примесей.Количестволегирующихпримесейдляизмененияхарактераэлектропроводности составляет 5% [105]. В результате этого проводимость изполупроводниковой становится металлической. Однако, стоимость такогокомпозиционного материала достаточно высока. Стоимость дисульфидавольфрама, встречающегося в природе, в 27 раз выше стоимости ДМ [98].Длясозданияконтактнойплёнки,обеспечивающейнормальноескольжение в высоком вакууме, одного графита недостаточно, необходимыдобавки специальных веществ, способствующих ослаблению металлическихсвязей.

Для этого применяется ряд химических веществ, имеющих слоистуюструктуру подобно графиту или иную структуру (карбонат лития). Дисульфидмолибдена, карбонат лития, галоидные соединения металлов группы 2а, а такжесульфиды, селениды и теллуриды переходных металлов обладают свойствами,обеспечивающими скольжение в условиях высокого вакуума за счётобразования контактной плёнки.При изменении состава окружающей среды в высотных условиях,изменение условий трения определяет износостойкость и электротехническиехарактеристики щёточного контакта. При работе в вакууме коэффициенттрения материалов, содержащих ДМ, снижается по сравнению с испытаниямина воздухе. Смазывающие свойства ДМ определяется только его составом иструктурой кристаллической решётки и, в отличие от графита, не зависят отокружающей среды. Для обеспечения минимального износа при скольженииграфита требуется присутствие атомов воды между плоскостями скольжения, адля ДМ этого не требуетсяДжонсон и Ван [105] объясняли высокую смазочную способностьдисульфида молибдена в вакууме «трибо-крекингом» дисульфида молибдена собразованием аморфной серы, имеющей малое сопротивление срезу.27Единой теории исследования механизма смазочного действия графита идругих твёрдых антифрикционных материалов, нашедших применение втехнологии изготовления электрощёток, работающих в сложных условиях,включающих высокий вакуум и предельные температуры нет.

Существуюттолькоотдельныепредставления,накопленныеврезультатеэкспериментальных исследований и используемые при практическом подборетвёрдых смазывающих добавок в щётки.Брег [124] выдвинул для графита и ДМ структурную теорию, в которойсмазочные свойства объясняются большими расстояниями между атомамиуглерода, расположенными в соседних слоях, и малыми расстояниями междуатомами, расположенными внутри слоя. Это облегчает относительноескольжение слоёв внутри кристалла графита.