Влияние материала коллектора на его температуру и эффективность применения смазывающих щёток
Ранее проведённые исследования на коллекторных двигателях переменного тока привода шлифовальных машин мощностью 1,8; 2; 2,2 кВт, в коллекторных машинах постоянного тока общепромышленного применения, в коллекторных двигателях постоянного тока, работающих в высотных условиях показали возможность снижения износа щёток за счёт установки смазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена [Кол. СВ]. Смазывающие щётки ставились между штатными щётками (рис. 4.11) или в набегающем крае токоведущих (рис.4.12).
Исследование возможности снижения износов щёток высокоскоростного коллекторного двигателя переменного тока мощностью 2,4 кВт МШУ-2,4-230М (максимальная частота вращения 18000 об/мин) за счёт применения смазывающих щёток, выполненных на основе дисульфида молибдена, показало, что снижение износов щёток наблюдалось только в случае работы двигателя на холостом ходу. При работе под нагрузкой износы не уменьшаются, а даже несколько увеличиваются. В таблице 4.15 представлены результаты по оценке влияния установки смазывающих щёток на характеристики коллекторного двигателя переменного тока мощностью 2,4 кВт в случае, когда размер токоведущих щеток был равен 8×12,5 мм, давление на токоведущие щётки 450-480 г, давление на смазывающую щётку с размером 4×12,5 мм 20-30 г, коллектор выполнен из меди марки ПКМ. Замер температуры коллектора при работе на холостом ходу и под нагрузкой (табл. 4.15) показал, что при установке смазывающих щёток средняя температура коллектора уменьшается только в режиме холостого хода. При работе под номинальной нагрузкой температура коллектора даже несколько увеличивается. Полученные результаты можно объяснить только тем, что при работе под номинальной нагрузкой в зоне контакта щётка-коллектор появляется микротемпература больше 400°С, при которой дисульфид молибдена переходит в оксид, теряя свои смазочные свойства.
|
|
|
Рис. 4.11 - Положение смазывающих щёток на коллекторе
1-коллектор; 2-щёткодержатель; 3-токоведущая щётка; 4-смазывающая щётка; 5-текстолитовая вставка.
ё 
Рис. 4.12. Положение смазывающей щётки в набегающем крае токоведущей 1 – токоведущая щётка, 2 – щёткодержатель токоведущей щётки, 3 – коллектор, 4 – смазывающая щётка, 5 – несущая часть смазывающей щётки, 6 – пружина смазывающей щётки, 7 – щёткодержатель смазывающей щётки.
В связи с этим были проведены исследования по влиянию марки меди коллектора на его температурный режим. В испытуемые двигатели были поставлены якоря с коллекторами, изготовленными из меди с добавкой серебра (марка меди ПКМС). В таблице 4.15 представлены рабочие характеристики двигателя с коллектором, выполненным из меди марки ПКМ и ПКМС без смазывающих щеток и при их установке с удельным давлением на токоведущие 3,9 г/мм2. Как следует из табличных данных, применение смазывающих щёток как в режиме холостого хода, так и при номинальной нагрузке обеспечивает снижение температуры коллектора. Появление эффекта снижения температуры при установке смазывающих щёток можно объяснить только снижением микротемпературы в зоне контакта щётка – коллектор после замены материала коллектора за счёт снижения коэффициента трения.
|
|
|
В работах Плохова И.В. [1] указывается, что в контакте щётка-коллектор имеется несколько температурных узлов: узлы с металлической проводимостью (a-узлы), узлы с плёночной проводимостью (b-узлы) и узлы, в которых контакт отсутствует. Программа «Contaсt», разработанная на кафедре ЭСА Псковского государственного политехнического института позволяет рассчитать микротемпературы в выше перечисленных узлах. По программе была проведена оценка микротемператур в зоне контакта щётка-коллектор.
Вид диалогового окна ввода данных показано на рис. 4.13.
Таблица 4.15 - Рабочие характеристики (коллектор из меди ПКМ/ПКМС)
|
|
|
| Параметры | Без смазывающей щётки | Установлена СЩ | |||
| Материал коллектора | ПКМ / ПКМС | ПКМ / ПКМС | ПКМ / ПКМС | ПКМ / ПКМС | |
| Момент на валу М2, Н×м | 0 | 30 | 0 | 30 | |
| Потребляемая мощность Р1, Вт | 1040 / 1050 | 2350 / 2320 | 1060 / 1070 | 2320 / 2300 | |
| Потребляемый ток I, А | 5,2 / 5 | 11,7 / 10,6 | 5,2 / 5,2 | 11,7 / 11,6 | |
| Частота вращения n, об/мин | 5699 / 5784 | 4416 / 4482 | 5790 / 5824 | 4440 / 4448 | |
| Уровень искрения, балл | 2 / 1 ½ | 1 ½-2 / 2 | 1 ½-2 / 2 | 1 ½-2 / 1 ½ | |
| Температура коллектора, оС | 118 / 112 | 138 / 122 | 92 / 84 | 140 / 107 | |
Рис. 4.13. Диалоговое окно ввода данных
Исходные данные для расчёта температур формируются на основании электромагнитного расчета, теплового расчета коллектора, тепловых и физических характеристик материалов, а также рекомендаций разработчика
Превышение температуры коллектора, °С,
| (1) |
где 
- полные потери в коллекторе, Вт,
| (2) |
- потери в щёточном контакте, Вт,
- потери от трения щёток, Вт,
- коэффициент теплоотдачи с поверхности коллектора, Вт/(м2·°С),
- уточненная окружная скорость коллектора, м/с,
|
|
|
| (3) |
- площадь поверхности охлаждения коллектора, м2,
| (4) |
На рис. 4.14-4.17 показан вид основного окна программы после расчёта температуры для четырёх рассматриваемых случаев: холостой ход и под номинальной нагрузкой (коллектор из меди марки ПКМ, ПКМС).
В верхней части окна программы представлены четыре изображения: микрорельеф поверхности щетки, коллектора, изображение контактного перехода и его температурного поля.
Изображение микрорельефа контактирующих поверхностей представлены в гамме зеленого цвета. Точки светлого тона соответствуют высоким точкам поверхности, и темные – низким.
Изображение контактного перехода отражает следующую информацию: черным цветом представлены узлы, в которых контакт отсутствует, зеленым – узлы с металлической проводимостью (α-узлы), синим – пленочная проводимость (β-узлы). При этом светлые тона соответствуют тонким пленкам, темные – толстым.
Изображение температурного поля показывает температуру узлов контактного слоя. Белый цвет соответствует температуре контакт-деталей. Темные тона соответствуют большей температуре узлов.
По центру рисунков расположен график распределения температуры (линия красного цвета) и плотности тока (линия синего цвета) по длине (тангенциальному размеру) щетки. Левая ось ординат показывает масштаб плотности тока в амперах на сантиметр в квадрате, а правая – температуры в градусах Цельсия.
В нижней части рисунков приведен график зависимости средней температуры проводящих узлов (α-узлов) контактного перехода от времени. Шкала температуры представлена в градусах Цельсия, а шкала времени в условных шагах. Один шаг соответствует времени сдвига поверхности коллектора относительно поверхности щетки на один узел.
Рис. 4.14. Холостой ход, коллектор из меди М1
Рис. 4.15. Холостой ход, коллектор из меди ПКМС
Рис. 4.16. Номинальный режим, коллектор из меди М1
Рис. 4.17. Номинальный режим, коллектор из меди ПКМС
Из расчета видно, что максимальная температура в зоне контакта при номинальном режиме и материале коллектора ПКМ составляет 406,6 °С. На холостом ходу для меди марки ПКМ максимальная температура составила 147,48 °С. Таким образом под действием высокой температуры в режиме номинальной нагрузки, которая превышает критическую температуру 400 °С, происходит переход дисульфида молибдена в оксид и потеря его смазывающих свойств. Для коллектора из меди марки ПКМС максимальная температура на холостом ходу 134,5 °С, при номинальном режиме – 246,62 °С. Критическая температура 400°С не превышается, что обеспечивает хорошие смазывающие свойства щёток, изготовленных из дисульфида молибдена.
Таким образом, можно сделать заключение, что определяющей является максимальная температура точек контакта, а не средняя температура α-узлов, на которую нужно ориентироваться в случае проектирования коллекторных машин постоянного и переменного тока, оборудованных смазывающими щётками.
В дальнейшем были проведены исследования влияния отклонений параметров, активно влияющих на температуру альфа узлов и максимальную температуру в зоне контакта (таблицы 4.16-4.29).
Были выбраны те параметры, которые относятся непосредственно к материалу щетки и коллектора и характеру контакта. Изменение проводилось в сторону увеличения и уменьшения одного параметра на 30% при неизменных других. Для большей достоверности каждый расчет повторялся несколько раз, и записывалось среднее арифметическое значение температур. Во всех таблицах температуры записаны в таком порядке: t1 - средняя температура коллектора; t2 - средняя температура α-узла; t3 - максимальная температура контакта.
Таблица 4.16 – Влияние высоты рельефа
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,36; 285,16; 386,2 | 100,93; 153,45; 176,24 | 100,13; 125,68; 131,28 | 100,2; 126,52; 131,21 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,31; 377,78; 474,64 | 100,73; 282,92; 365,46 | 100,22; 145,54; 167,01 | 100,01; 192,11; 197,29 |
Таблица 4.17 – Влияние толщины пленки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,57; 335,5; 458,65 | 100,88; 238,33; 300,26 | 100,24; 149,1; 164,38 | 100,19; 132,58; 139,97 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,03; 260,97; 345,14 | 100,82; 168,41; 194,88 | 100,23; 131,41; 135,72 | 100,2; 124,82; 131,69 |
Таблица 4.18 – Влияние высоты узла
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,78; 321,75; 466,41 | 100,95; 217,25; 288,5 | 100,29; 138,17; 154,95 | 100,25; 141; 151,38 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101; 219,36; 325,71 | 100,7; 165,65; 202,26 | 100,2; 122,28; 126,5 | 100,18; 126,52; 129,69 |
Таблица 4.19 – Влияние жесткости щетки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,02; 193,67; 230,33 | 100,75; 181,77; 218,61 | 100,11; 128,76; 136,28 | 100,19; 115,74; 129,18 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,59; 350,68; 462,47 | 100,77; 193,55; 247,86 | 100,28; 147,75; 158,34 | 100,2; 166,87; 177,56 |
Таблица 4.20 – Влияние удельного сопротивления щетки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 100,78; 226,5; 272,49 | 100,54; 181,18; 207,84 | 100,18; 123,85; 132,42 | 100,19; 121,5; 124,93 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,33; 335,23; 462,14 | 100,95; 238,15; 307,61 | 100,27; 152,1; 163,94 | 100,22; 143,02; 162,14 |
Таблица 4.21 – Влияние плотности щетки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,11; 211,42; 274,84 | 101,07; 202,4; 247,32 | 100,46; 132,05; 138,37 | 100,44; 142,26; 148,43 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 100,67; 371,99; 447,25 | 100,81; 220,53; 281,32 | 100,12; 149,82; 154,64 | 100,11; 147,94; 163,3 |
Таблица 4.22 – Влияние теплопроводности щетки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,05; 201,42; 257,29 | 100,6; 175,18; 209,02 | 100,09; 132,44; 145,51 | 100,06; 127,37; 134,21 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,8; 335,23; 438,44 | 100,77; 264,45; 315,9 | 100,41; 154,63; 159,89 | 100,35; 159,66; 169,87 |
Таблица 4.23 – Влияние теплоемкости щетки
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,44; 355,73; 496,14 | 100,94; 210,62; 260,8 | 100,47; 135,11; 148,85 | 100,42; 134,32; 142,68 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101; 194,02; 233,81 | 100,61; 171,87; 200,47 | 100,16; 123,96; 130,73 | 100,09; 125,75; 129,82 |
Таблица 4.24 – Влияние жесткости коллектора
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,31; 197,35; 235,06 | 100,57; 171,77; 199,9 | 100,20; 128,69; 138,86 | 100,2; 122,2; 127,04 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,56; 323,3; 432,77 | 100,72; 244,96; 266,96 | 100,21; 140,41; 151,94 | 100,22; 136,49; 142,99 |
Таблица 4.25 – Влияние удельного сопротивления коллектора
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,06; 232,5; 304,1 | 100,56; 198,04; 245,47 | 100,2; 12,64; 142,45 | 100,19; 121,49; 126,82 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,47; 306,33; 425,08 | 100,73; 230,7; 273,13 | 100,24; 149,56; 164,3 | 100,21; 147,03; 151,88 |
Таблица 4.26– Влияние плотности коллектора
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,46; 336,69; 501,12 | 100,81; 293,1; 353,5 | 100,42; 141,08; 150,34 | 100,39; 139,06; 144,02 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,12; 280,17; 384,17 | 100,63; 194,75; 235,55 | 100,15; 124,49; 135,21 | 100,12; 127,07; 132,59 |
Таблица 4.27 – Влияние теплопроводности коллектора
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,87; 377,39; 472,34 | 100,87; 237,48; 316,07 | 100,16; 150,23; 164,03 | 100,1; 144,22; 164,44 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,81; 275,81; 356,53 | 100,6; 173,64; 193,47 | 100,32; 127,18;130,77 | 100,3; 121,29; 124,53 |
Таблица 4.28 – Влияние теплоемкости коллектора
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,48; 328,11; 459,39 | 100,64; 214,89; 266,06 | 100,38; 158,62; 167,39 | 100,36; 150,74; 159,45 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,17; 195,8; 237,08 | 100,85; 224,64; 276,61 | 100,11; 131,99; 139,79 | 100,11; 127,3; 134,04 |
Таблица 4.29 – Влияние температуры рекристаллизации
| Изменение параметра | Режим работы | |||
| Номинальный | Холостой ход | |||
| ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | ПКМ: t1, t2, t3 | ПКМС: t1, t2, t3 | |
| -30% | 101,1; 206,13; 241,76 | 100,59; 198,61; 233,14 | 100,24; 133,22; 141,9 | 100,19; 121,4; 128,13 |
| 0 | 101,38; 309,85; 406,6 | 100,62; 210,84; 246,62 | 100,20; 134,72; 147,48 | 100,2; 128,76; 134,5 |
| +30% | 101,39; 334,8; 445,48 | 100,78; 235,47; 302,82 | 100,24; 145,31; 156,57 | 100,23; 144,12; 159,72 |
Влияние каждого фактора в процентном соотношении к первоначальным данным сведены в таблицы 4.30 и 4.31. Все величины указаны в процентах.
Таблица 4.30 – Оценка влияния различных факторов на максимальную температуру, материал коллектора –медь марки ПКМ
| Параметр | Режим работы | |||
| Номинальный режим | ХХ | |||
| Отклонение от штатного режима, % | ||||
| -30% | +30% | -30% | +30% | |
| Высота рельефа | -5 | +16,7 | -11 | +13,2 |
| Толщина пленки | +12,8 | -15,1 | +11,5 | -8 |
| Высота узла | +14,7 | -19,9 | +5,1 | -14,2 |
| Жесткость щетки | -43,4 | +13,7 | -7,6 | +7,4 |
| Уд. сопротивление щетки | -33 | +13,7 | -10,2 | +11,2 |
| Плотность щетки | -32,4 | +10 | -6,2 | +4,6 |
| Теплопроводность щетки | -36,7 | +7,8 | -1,3 | +8,4 |
| Теплоемкость щетки | +22 | -42,5 | +0,9 | -11,4 |
| Жесткость коллектора | -42,2 | +6,4 | -5,8 | +3 |
| Уд. сопротивление коллектора | -25,2 | +4,5 | -3,4 | +11,4 |
| Плотность коллектора | +23,2 | -5,5 | +1,9 | -8,3 |
| Теплопроводность коллектора | +16,2 | -12,3 | +11,2 | -11,3 |
| Теплоемкость коллектора | +13 | -41,7 | +13,5 | -5,2 |
| Температура рекристаллизации | -40,5 | +9,6 | -3,8 | +6,2 |
Таблица 4.31 – Оценка влияния различных факторов на максимальную температуру, материал коллектора – медь марки ПКМС
| Параметр | Режим работы | |||
| Номинальный режим | ХХ | |||
| Отклонение от штатного режима, % | ||||
| -30% | +30% | -30% | +30% | |
| Высота рельефа | -28,5 | +48,2 | -2,4 | +46,7 |
| Толщина пленки | +21,8 | -21 | +4,1 | -46,7 |
| Высота узла | +17 | -18 | +12,6 | -3,6 |
| Жесткость щетки | -11,4 | +0,5 | -4 | +32 |
| Уд. сопротивление щетки | -15,7 | +24,7 | -7,1 | +20,6 |
| Плотность щетки | +0,3 | +14,1 | +10,4 | +21,4 |
| Теплопроводность щетки | -15,2 | +28,1 | -0,2 | +26,3 |
| Теплоемкость щетки | +5,7 | -18,7 | +6,1 | -3,5 |
| Жесткость коллектора | -18,9 | +8,2 | -5,5 | +6,3 |
| Уд. сопротивление коллектора | -0,5 | +10,7 | -5,7 | +12,9 |
| Плотность коллектора | +43,3 | -4,5 | +7,1 | -1,4 |
| Теплопроводность коллектора | +28,2 | -21,6 | +22,3 | -7,4 |
| Теплоемкость коллектора | +7,9 | +12,2 | +18,6 | -0,3 |
| Температура рекристаллизации | -5,5 | +22,8 | -4,7 | +18,8 |
Как следует из приведённых данных, на температуру в зоне контакта щетки и коллектора из меди марки ПКМ в номинальном режиме активнее всего влияют жесткость щетки (при уменьшении параметра на 30% температура снижается на 43,4%), жесткость коллектора (при уменьшении параметра на 30% температура снижается на 42,2%) и температура рекристаллизации (при уменьшении параметра на 30% температура снижается на 40,5%).
При коллекторе из меди марки ПКМС – высота рельефа (при увеличении параметра на 30% температура повышается на 48,2% в номинальном режиме и на 46,7% в режиме холостого хода), толщина пленки (при увеличении параметра на 30% температура на холостом ходу снижается на 46,7%) и плотность коллектора (при уменьшении параметра на 30% в номинальном режиме температура повышается на 43,4%).
Вывод:
1. Разработана методика определения оптимального положения щёток (по величине искрения) в коллекторных машинах переменного тока с щёткодержателями неподвижно установленными в корпусе двигателя
2. Разработана конструкция щёточного узла, обеспечивающая лучшую механическую устойчивость контакта щётка-коллектор.
3. Проведена оценка влияния материала коллектора на эффективность применения смазывающей щётки, с расчётом микротемператур в зоне контакта щётка-коллектор.
4. Проведены расчёты по оценке влияния конструктивных свойств на температуру альфа-узлов и максимальную температуру в зоне контакта щётка – коллектор.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!