На данный момент разработана технология нанесения тефлона на щеточный материал и щеткодержатели и представлена на экспериментальных щетках [1].
Были проведены экспериментальные исследования инновационных щеток. Изучалось влияние тефлонового покрытия на вольт-амперные характеристики щеточного контакта (ВАХ). Также исследовались коммутационные свойства щеток при работе на коллекторе.
Исследования показали, что применение тефлонового покрытия положительно воздействует на работу щеток коллекторных электрических машин. Но нет четкого объяснения механизма влияния тефлона на работу коллекторно-щеточного узла [2].
Были проведены исследования ВАХ металлографитных щеток Н7 и электрографитированных щеток ЭГ-54 с покрытием из тефлона на сбегающем крае и без него при различных скоростях вращения коллектора и температурах щеточного контакта.
На рис. 1 приведены ВАХ для щеток с тефлоном и без него (добавление буквы Т к марке щетки указывает покрытие тефлоном). Одним из факторов, влияющих на колебание значений падения напряжения, является неоднородность структуры политуры.
Рис. 1. ВАХ катодных щеток при t = 50°C и n = 1500 об/мин.
При теоретических исследованиях коммутации влияние щеточного контакта учитывается на основе ВАХ. Более высокой коммутирующей способностью обладают щетки, которые обеспечивают большие значения падения напряжения при высоких плотностях тока на сбегающем крае щетки.
Важное значение для исследования коммутационного процесса имеют величина падения напряжения в контакте и крутизна начальной части ВАХ, которая зависит от сопротивления щетки.
Для удобства и наглядности сравнения параметров щеток на основе полученных ВАХ были построены диаграммы значений падения напряжения ΔUщ и величин сопротивления rщ анодных и катодных щеток при различных температурах контакта. Пример таких диаграмм приведен на рис. 2 (1 – 30 ºC, 2 – 50 ºC, 3 – 80 ºC), из которого видно, что нанесение тефлона на сбегающий край щетки оказывает положительное влияние на их вольт-амперные характеристики.
Рис. 2. Диаграммы значений падения напряжения и сопротивлений
катодных щеток.
Для количественной оценки и сравнения коммутационных свойств машин постоянного тока применяется метод безыскровых зон [5]. При оценке влияние тефлонового покрытия на коммутирующие способности щеток использовалось математическое описание зон безыскровой работы машины постоянного тока на стадии ее проектирования с использованием аппроксимации ВАХ щеточного контакта: ΔU=A∙arctg(B∙j); ΔU=(signj)(OA + kj) [4]:
,
где Y – вектор неизвестных токов сбегающего края щеток в относительных единицах;
Mν(x) – матрица коэффициентов взаимных индуктивностей на интервалах интегрирования (xν-1, xν);
Fν – вектор нелинейных функций, соответствующий интервалу (xν-1, xν);
x – координата времени в относительных единицах;
α – вектор обобщенных параметров неидентичности коммутации;
m – соотношение коммутирующей и реактивной ЭДС секции.
Для этого построены безыскровые зоны (рис. 3) с использованием ВАХ щеток ЭГ-54 (1) и ЭГ-54-Т (2) для следующих условий: напряжение секции Uс = 0,65 В, ЭДС самоиндукции секции EL = 1,5 В, напряжение срезки Uср = 2,8 В, номинальный ток якоря Iaн = 20 А.
Из рис. 3 видно, что теоретическая безыскровая зона, построенная на основании ВАХ щетки с тефлоновым покрытием, шире, чем зона для той же щетки, но без него. На основании этого можно сделать вывод, что коммутационная устойчивость электрической машины, работающей с тефлоновыми щетками, выше, чем со стандартными.
Рис. 3. Расчетные безыскровые зоны:
1 – щетки без тефлона; 2 – щетки с тефлоном.
Для оценки влияния щеток с тефлоновым покрытием на токосъем, кроме анализа ВАХ, были получены экспериментальные безыскровые зоны [3]. В эксперименте использовались щетки ЭГ-74 и ЭГ-74-Т (с тефлоновым покрытием). Для данного исследования была использована машина ПН-45 со следующими параметрами: Pн = 4 кВт; Uн = 220 В; n = 1500 об/мин; Iн = 22 А (рис. 4).
На машине были установлены четыре щетки, две положительные и две отрицательные, на одной из которых установлен датчик искрения (Д). Сигнал с этого датчика подается на индикатор искрения, где он обрабатывается, и фиксируется уровень искрения на щетке машины как от недо-, так и от перекоммутации. Испытания проводились в режиме генератора при температуре коллектора t = 35 ¸ 40 °C, частоте вращения n = 1380 об/мин.
Для оценки влияния тефлона на безыскровые зоны были проведены исследования при различных комбинациях щеток: комплект стандартных щеток; комплект щеток с тефлоновым покрытием; комплект стандартных щеток и тефлоновая фальш-щетка.
Рис. 4. Схема для снятия области безыскровой работы.
Использование дополнительной фальш-щетки из тефлона заметных изменений в безыскровые зоны и на работу машины в целом не внесли. При замене же комплекта стандартных щеток на комплект щеток с тефлоновым покрытием безыскровая зона работы машины получилась более широкая (рис. 5). Эксперименты повторялись неоднократно с разнесением по времени.
Рис. 5. Область безыскровой работы машины:
1 – щетки с тефлоном; 2 – щетки без тефлона.
Анализ результатов экспериментальных исследований щеток с новым скользящим контактом – тефлоновым покрытием на сбегающем крае - позволил сформулировать следующие обобщающие выводы.
1. Щетки с тефлоновым покрытием имеют несколько большие значения падения напряжения при номинальной плотности тока и обладают большим значением сопротивления.
2. Установка комплекта щеток с тефлоновым покрытием на сбегающем крае вместо стандартных щеток приводит к некоторому увеличению коммутационной устойчивости работы испытуемой машины.
3. Одним из недостатков щеток с тефлоновым покрытием на сбегающем крае является несовершенная технология нанесения тефлона на щетку. При температурах контакта выше 100 ºC тефлон отслаивается от щетки. Отслоение тефлона от щетки возможно и при притирке щеток к коллектору.
4. Проведенные экспериментальные исследования не позволили раскрыть механизм воздействия тефлона на формирование политуры коллектора. Для этого требуются специальные исследования. Однако, учитывая, что тефлон является изоляционным материалом с износными характеристиками, близкими к щеточному материалу, можно предположить, что в данном случае тефлон играет роль легкого абразивного материала, который удаляет с поверхности коллектора продукты износа щеточного материала, тем самым повышает падение напряжения в контакте.
Таким образом, результаты исследований подтверждают эффективность применения тефлона. Планируется продолжить исследования по следующим направлениям: дальнейшее совершенствование технологии нанесения тефлона на поверхность щеточного материала; проведение эксплуатационных испытаний щеток с тефлоновым покрытием на коллекторных машинах постоянного тока на предмет их коммутационной устойчивости и износных характеристик.
Рецензенты:Черемисин В.Т., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Подвижной состав электрических железных дорог», директор научно-исследовательского института энергосбережения на железнодорожном транспорте (НИИЭ ОмГУПС), ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения» ОмГУПС (ОмИИТ), г. Омск;
Кузнецов А.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника», ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения» ОмГУПС (ОмИИТ), г. Омск.