Автореферат (Снижение износа щеток в коллекторных машинах постоянного и переменного тока)

На правах рукописиТИМОШЕНКО ВЯЧЕСЛАВ НИКОЛАЕВИЧСНИЖЕНИЕ ИЗНОСА ЩЁТОК В КОЛЛЕКТОРНЫХМАШИНАХ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКАСпециальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппаратыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукКиров – 2018Работа выполнена на кафедре «Электрические машины иаппараты»Федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Вятскийгосударственный университет» (ВятГУ)Научный руководитель:Изотов Анатолий Ивановичкандидат технических наук, доцент,заслуженный работник высшей школы,профессор кафедры «Электрическиемашины и аппараты» ФГБОУ ВО«Вятский государственныйуниверситет»Официальные оппоненты: Плохов Игорь Владимировичдоктор технических наук, профессор,заведующий кафедрой «Электроприводи системы автоматизации» ФГБОУ ВО«Псковский государственныйуниверситет»Литовченко Виктор ВасильевичКандидат технических наук, доцент,почетное звание АЭН РФ «докторэлектротехники», доцент кафедры"Электропоезда и локомотивы"ФГБОУ ВО "Российский университеттранспорта (МИИТ)"ФГБОУ ВО «Омский государственныйВедущая организация:университет путей сообщения»(ОмГУПС (ОмИИТ))Защита диссертации состоится «15» июня 2018 г.

в 15 час. 00 мин.назаседаниидиссертационногосоветаД 212.157.19приФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ»поадресу111250,Москва,ул. Красноказарменная, д 13, корп. Е, ауд. Е-205.СдиссертациейможноФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».ознакомитьсявбиблиотекеАвтореферат разослан «__» ______ 20__ г.Учёный секретарь Д 212.157.19к.т.н., доцентБоровкова А.М.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

В настоящее время среди распространённыхэлектромеханических преобразователей энергии имеются электрическиемашины, оснащённые системами скользящего токосъёма (коллекторныеэлектрические машины постоянного тока, коллекторные электрическиемашины переменного тока, синхронные с обмоткой возбуждения иасинхронные электрические машины с фазным ротором). Коллекторныеэлектрические машины активно используются для работы в высотныхусловиях.

Связано это с имеющимися у них общепринятыми преимуществамиперед бесконтактными машинами, такими как дешевизна и простотаконструкции, наличие глубокого теоретического и практического базиса поконструированию и эксплуатации, как самих машин, так и щеточно-контактныхузлов.Одним из основных недостатков электрических машин, оснащённыхщеточно-коллекторным узлом, является износ токоведущих щёток, которыйопределяет ресурс работы электрической машины.

Диссертация посвященаисследованию снижения износа щёток в коллекторных машинах постоянного ипеременного тока в случае применения разных марок щёток и материалаколлектора; применения смазывающих щёток, изготовленных на основедисульфида молибдена и оценке влияния длительного хранения наэффективность применения смазывающих щёток; вопросам ускоренногообразования политурной плёнки на коллекторе; уменьшению износа щёток вмашинах постоянного тока, работающих в пусковых режимах; уменьшениюизноса щёток в коллекторных машинах переменного тока; созданиюфизических моделей износа щёток и коллектора в коллекторных машинахпеременного тока без смазывающих щёток, а также в случае применениясмазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена иявляется актуальной.Цель диссертационной работы - проведение экспериментальных итеоретических исследований по оценке возможности снижения износатоковедущих щёток в коллекторных электрических машинах постоянного ипеременного тока, предназначенных для работы в нормальных и высотныхусловиях; снижение износа коллекторов; оценка эффективности применениясмазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена всочетании с разными материалами коллекторов; создание методики поускоренному образованию политурной плёнки на коллекторе в многощёточныхсистемах; снижение износов щёток путём их смещения относительногеометрической нейтрали, а также уменьшение уровня радиопомех помощности и напряжению в коллекторных машинах переменного тока.Решаемые задачи.1.

Исследование причин повышенного износа токоведущих щёток приработе в высотных условиях при разной степени герметизации двигателей и3способы его снижения за счёт выбора материала коллектора и применениясмазывающей щётки, выполненной на основе дисульфида молибдена маркиДМС-140.2. Разработка методики снижения износа токоведущих щёток за счётустановки в систему токопередачи наряду со штатными щётками токоведущихщёток, обладающих повышенной скоростью образования политурной плёнки соценкой их эффективности по результатам заводских и лётных испытаний.Выработка рекомендаций по их внедрению в серийное производство.3.

Разработка методики определения оптимального положениятоковедущих щёток (по уровню искрения) в коллекторных электрическихмашинах переменного тока при неподвижной траверсе с внедрениемрезультатов в серийное производство.4. Разработка методики снижения износа щёток и радиопомех помощности и напряжению в коллекторных машинах переменного тока за счётсмещения щёток по направлению вращения на половину тангенциальногоразмера щётки параллельно её штатному положению.5. Исследование влияния материала коллектора на эффективностьприменения смазывающих щёток, выполненных на основе дисульфидамолибдена марки ДМИ-7 в коллекторных машинах переменного тока.6.

Проведение расчётов по оценке эффективности влияния параметров(10 параметров) щёточно-коллекторного узла, выполненного из профиля маркиПКМ (профиль коллекторный медный) и ПКМС (профиль коллекторныймедный, легированный серебром) на максимальную температуру в зонеконтакта щётка – коллектор.7. Создание физической модели износа токоведущих щёток Г-33И вколлекторном двигателе переменного тока (профиль коллектора марки ПКМС)в случае применения смазывающих щёток, выполненных на основе дисульфидамолибдена при варьировании частотой вращения, удельным давлением насмазывающую и токоведущие щётки.8. Создание физической модели износа коллектора при варьированиичастотой вращения, шириной токоведущей щётки и удельного давления натоковедущие щётки.9.

Создание физической модели износа коллектора в случае применениясмазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена приварьировании частотой вращения, удельным давлением на смазывающую итоковедущие щётки.Научная новизна диссертационной работы.1) Выявлены причины повышенного износа токоведущих щёток уэлектрических двигателей постоянного тока с высокой степенью герметизации(при отсутствии дренажа), работающих в высотных условиях. Повышенныеизносы щёток связаны с уменьшением сопротивления политурной плёнки(уменьшением её толщины) из-за уменьшения содержания кислорода и влагивнутри двигателя при работе этих двигателей при наличии дренажа. Разработан4способ снижения износа токоведущих щёток при работе в нормальных ивысотных условиях за счёт установки на коллектор нетокопроводящейсмазывающей щётки, выполненной из дисульфида молибдена марки ДМС-140.За счёт применения смазывающей щётки износ токоведущих щётокуменьшается при работе на плюсовых и минусовых температурах в 5 и 7 разсоответственно.

Характеристики двигателей соответствуют техническимусловиям на их поставку. Из трёх материалов коллектора (медь, кадмиеваябронза, хромовая бронза) наименьший износ щёток обеспечивает хромоваябронза. Эффективность смазывающих щёток также зависит от материалаколлектора. Наибольшая эффективность наблюдалась в случае примененияколлекторов, выполненных из хромовой бронзы.2) Разработана методика ускоренного образования политурной плёнки наколлекторе за счёт включения в систему токопередачи наряду со штатнымищётками щёток, обладающих повышенной скоростью образования политурнойплёнки [20].

Проведена оценка политурообразующих свойств отечественныхмарок щёток ЭГ-74, ЭГ-54П, ЭГ 75, ЭГ-4, ЭГ-61А и ЭГ-61 при работе нахолостом ходе и под нагрузкой. Наилучший результат показали щётки ЭГ-61Аи ЭГ-74. Проведена оценка их эффективности по ускорению образованияполитурной плёнки в сочетании со штатными щётками МГС-7. Примененияполитурообразующих щёток ЭГ-61А позволило увеличить ресурс щётокгенератора ГС-12ТОК по результатам лётных испытаний более чем в два раза.По допустимой критической высоте щёток ожидаемое увеличение ресурсаболее пяти раз.3) Разработана методика определения оптимального положениятоковедущих щёток на коллекторе (по минимальной величине искрения) вколлекторных машинах переменного тока с установкой щёток в корпуседвигателя (без возможности их смещения).

Применение методики вколлекторных машинах переменного тока мощностью 1,8; 2; 2,2 кВт позволилосделать заключение о возможности снижения искрения не только в случаетрадиционного смещения щёток против направления вращения, но и присмещении по направлению вращения.4) Разработана конструкция щёточно-коллекторного узла коллекторногодвигателя переменного тока, в котором радиальная щётка смещается понаправлению вращения коллектора параллельно своему положению наполовину тангенциального размера щётки [18], что приводит к снижениюизноса щёток и уровня радиопомех по мощности и напряжению.5) Исследовано влияние материала профиля коллектора (ПКМ и ПКМС)двигателя привода машины шлифовальной угловой МШУ-2,4-230М наэффективность применения смазывающей щётки, выполненной на основедисульфида молибдена с расчётом микротемператур в зоне контакта щётка –коллектор.

Применение смазывающей щётки в случае коллектора,выполненного из профиля марки ПКМ, привело к увеличению износатоковедущих щёток. В случае профиля ПКМС износ был снижен в несколько5раз в режиме номинальной нагрузки. Проведённые расчёты по программеContact показали, что причина неэффективности смазывающей щётки в случаематериала ПКМ обусловлена высокой температурой в зоне контакта, котораяпревышает 400 С. При профиле марки ПКМС температура в зоне контактасоответствовала 237 С.6) Исследовано влияние отклонений параметров контакта токоведущаящётка – коллектор на максимальную температуру в зоне контакта щётка –коллектор. Наиболее эффективно на максимальную температуру влияют припрофиле марки ПКМ в номинальном режиме: жесткость токоведущей щетки,жесткость материала коллектора и температура рекристаллизации; приколлекторе из профиля марки ПКМС - высота и плотность материалаколлектора.7) Составлены физические модели износа щёток и коллектора приустановке смазывающей щётки, выполненной на основе дисульфида молибденамарки ДМИ-7, которые были использованы при проектировании коллекторногоэлектродвигателя переменного тока мощностью 2,4 кВт.