Файл: Аврух, В. Ю. Устройство и эксплуатация щеточных узлов современных турбогенераторов и турбовозбудителей.pdf

у современных турбогенераторов 70—90 м/с, в то время как окружная скорость коллекторов турбовозбудителей не превышает 50 м/с. К тому же, если учесть большую подверженность динамическим возмущениям узла кон­ тактных колец, становится ясным, что обеспечение меха­ нической стабильности контакта на кольцах достаточно сложная задача. Специфика работы щеток на контакт­ ных кольцах заключается также в том, что токосъем осу­

ществляется раздельно для каждой полярности, отсюда вытекают и различия в рабочих характеристиках (износ, трение, токораспределение, потери мощности и теплоот­

вод и т. д.) и необходимость особых мероприятий в обес­ печении надежности работы контакта каждой полярно­ сти.

Для щеточно-контактного аппарата генератора еще

одной характерной задачей, более сложной по сравне­ нию с коллекторными машинами, является обеспечение равномерного распределения тока в большом количестве параллельно включенных щеток. У современных мощных турбогенераторов количество щеток на полярность до­ стигает 120, в то время как на щеточном бракете одной полярности турбовозбудителя количество щеток не пре­ вышает 10.

Исходя из изложенного, представляется целесообраз­ ным рассмотреть задачи, которые необходимо решить для обеспечения падежной работы щеточно-контактного аппарата турбогенераторов в части:

а) определения оптимальных свойств электрощеточ- ■ных материалов в конструкции узла;

б) обеспечения условий постоянства контакта щет­ ка — кольцо;

в) установления характеристик скользящего контак­

та, ограничивающих полярный эффект.

Для выяснения физической сущности процессов, при­ водящих к отказам, проведем классификацию процессов, происходящих в щеточно-контактном аппарате. В соот­ ветствии с [Л. 5] эти процессы можно классифици­

ровать по:

1)типу применяемых материалов, образующих кон­

тактную пару;

2)месту проектирования процессов, влияющих на ра­

ботоспособность узла;

3)виду энергии, определяющей характер процесса;

4)типу эксплуатационного воздействия;

39

5)характеру влияния на материалы контактной пары

рабочих условий и окружающей среды;

6)характеру изменения эксплуатационных'воздейст­ вий во времени;

7)виду изменений, происходящих в контактной паре

иконтакте, под влиянием воздействующих факторов.

Количественную оценку этих совместных процессов,

происходящих в контакте, можно провести C помощью методов математической статистики.

При обработке экспериментальных данных этих ис­ следований использовалась методика [Л. 9], согласно которой износоустойчивость материалов контактной па­ ры, токораспределение характеризуют такие статисти-' ческие показатели, как среднее значение ХСр, квадратич­

ное отклонение Sx коэффициент вариации Λ ∙, опреде­ ляемые как

Sx =

/<х== ⅛ .1ОО»/о>

^ cP

где по — число наблюдений; Xi— текущее значение па­ раметра.

Статистические показатели износоустойчивости элек­ трощеток марок ЭГ-4, 61 ЮМ, ЭГ-2АФ при работе на контактных кольцах с амплитудой вибрации 2Á в преде­ лах норм, установленных заводами, приведены в табл. 4-1.

Как видно из табл. 4-1, характерным является увели­ чение абсолютных величин значений скорости изнаши­ вания и разброса в величинах износа отдельных щеток с увеличением мощности турбогенераторов, коэффициент вариации колеблется в довольно значительных пределах.

Полярный износ щеток на контактных кольцах турбоге­

нераторов мощностью 200 тыс. кВт начинает сказывать­ ся в большей степени, чем на турбогенераторах 100 и 150 тыс. кВт, и для турбогенераторов мощностью 300 тыс. кВт разница в значениях средней скорости изна­ шивания увеличивается в 2 раза.

40

Таблица 4-1 Износ контактных колец и щеток турбогенераторов

При этом коэффициенты вариации износа щеток для колец обеих полярностей, существенно отличаются. Для щеток отрицательной полярности, где величина коэффи­ циента вариации выше, можно предположить, что харак­

терным для скользящего контакта является большая не­

равномерность трения и токораспределения по щеткам.

Подтверждением этому служит также нестабильность переходного падения напряжения, среднеквадратичное

отклонение которого во времени даже при 64 параллель­

но работающих щетках на кольцах турбогенераторов

300 тыс. кВт составляет 0,7 В (среднее значение Δi7=

= 1,8LB). Указанные параметры для скользящего кон­ такта щеток положительной полярности составляют со­ ответственно 0,3 и 1,4 В.

Йсследование зависимости между скоростью изнаши­ вания щеток и их твердостью и скоростью изнашивания щеток и переходным сопротивлением в заделке токове­

дущего провода показало, что связь между изучаемы­ ми показателями весьма слаба.

Статистическая обработка экспериментальных дан­

ных показывает, что неравномерное токораспределенш вызывает большой разброс скорости изнашивания электрощеток. Эти наблюдения хорошо согласуются

с данными [Л. ГО], согласно которым зависимость меж­ ду коэффициентом вариации скорости изнашивания ще­ ток и распределения тока в последних имеет линейный

41

характер (рис. 4-І). Неравномерный износ щеток явля­ ется признаком неравномерного токораспределеиия меж­ ду ними и зависит от многих причин, среди которых важнейшими являются характеристики и конструкция

тами: с одной стороны металл, отличающийся достаточно узкими значениями разброса свойств, с другой стороны—углеграфитовый материал, изготовленный методами порошковой ме­

таллургии, с характерным для таких материалов непостоянством величины контактной поверхности, инди­ видуальной обособленностью частиц, малой прочностью связи между частицами, отличающийся значительно большим разбросом свойств, чем металл с электропро­ водностью, увеличивающейся с ростом температуры.

Применяемые для контактных колец марки стали об­ ладают сравнительно низкой окислительной способ­

ностью.

Основные процессы протекают на поверхности разде­ ла сочлененных подвижных пар (металл — углеграфито­

вый материал) электрической цепи, а также в месте за­ делки токоведущего провода в углеграфитовый матери­ ал. Работа скользящего контакта вызывает различные

виды механического, электроэрозионного износа и кон­ тактной коррозии материалов.

Электроэрозионные и физико-химические процессы,

а также процессы трения и изнашивания, происходящие на поверхности раздела пары, являются термически а&-

42

тивируемыми процессами и изменяются при изменении количества энергии, выделяемой в контакте. Интенсив­ ность процессов зависит как от локальной температуры в точках проводимости, так и от общей температуры от­ дельных элементов контактной пары.

Воздействующие при эксплуатации факторы в усло­ виях активной работы элементов влияют на процессы воз­ никновения отказов путем постепенного изменения ха­ рактеристик и параметров элементов под воздействием

выделяющегося в контакте тепла в результате электри­

ческих и механических потерь, процессов деформации и

разрушения, изменения точек проводимости в условиях воздействия изменяющихся нагрузок и температур.

Постепенное изменение характеристик и параметров скользящего контакта при достижении некоторых опре­

деленных значений вызывает интенсификацию процес­ сов.

Дальнейший характер изменения процессов во време­

ни под влиянием эксплуатационного воздействия зависит от типа этого воздействия. При воздействиях, подчиняю­ щихся определенным закономерностям, происходит по­ стоянное накопление количественных изменений, кото­ рые при достижении определенной критической величины ведут к качественным изменениям, приводящим к необ­ ратимым процессам и отказам. При случайных воздейст­

виях в зависимости от их интенсивности характер изменений может либо повторять вышеописанный, либо, если воздействие чрезвычайно велико, приводить непосредственно к качественным изменениям, т. е. отказу.

Явления, происходящие в скользящем контакте, мож­ но объяснить исходя из механизма образования прово­ димости переходного слоя. Прохождение тока между двумя поверхностями осуществляется как через площад­ ки непосредственного контакта, разделенные газовой оболочкой или поверхностной пленкой, так и благодаря

проводимости тока через частицы износа щеток и колец. Так как первый вид проводимости имеет решающее зна­ чение, то задача подбора контактирующей пары приво­ дит к необходимости определения материалов, обеспечи­ вающих большую площадь фактического касания. Это важно особенно в связи с тем, что при существующих удельных нажатиях на щетку в точках реального сопри­ косновения давление может достичь величин, лежащих

43

в области предела текучести металлов (несколько тонн на 1 см2).

C достаточной точностью для вычисления площади фактического касания можно воспользоваться формулой Герца [Л. 1], выведенной в предположении об идеально упругом контакте двух абсолютно

ГЯк Ящ ’ Æ - Ek + Em ’

Як, Ящ — радиус контактного кольца и радиус кривизны поверхности

скольжения щетки;

Ev, Ещ — модули упругости контактного кольца и щетки; b — ширина щетки (размер в плоскости вращения).

Контактирующие поверхности работают в зоне пре­ дела текучести материалов, поэтому по всей поверхно­ сти соприкосновения материал деформируется пластиче­ ски, кроме узкой краевой зоны. Исходя из этого, предпо­ ложим, что механическая составляющая износа,

связанная с динамическим воздействием контактирующих элементов и характеризующаяся постоянным изменением состояния поверхности контактирования, приводит в ко­

нечном счете к изменению характеристик, находящихся

в контакте тел. Причем* в механическом износе превали­ рующее значение имеет износ, определяемый пластичес­

кой деформацией материала в зоне контакта, связанный

сдействием сил трения (Л. 7]. Имеет место также износ

врезультате упругого деформирования (усталости контактных материалов), а также абразивный и фрик­ ционный вид износа.

Условия, определяющие увеличение износа при про­ хождении тока в скользящем контакте, связаны, по на­ шему мнению, с довольно высокой температурой точек контактирования даже при отсутствии искрения.

Высокие температуры в точках проводимости явля­ ются источником возникновения тепловых ударов. Дей­ ствие теплового потока в короткий промежуток времени

приводит к термическому расширению материала в зоне контакта, в результате чего возникают контактные теп­ ловые напряжения. Величины этих напряжений обуслов­ ливаются различием в коэффициентах термического рас­ ширения компонентов, образующих композицию. В пе-

44