CC BY
84
УДК 621.336.7
О. А. СИДОРОВ, С. А. СТУПАКОВ, И. Л. САЛЯ (ОмГУПС, Омск, Российская Федерация)
ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
У статп представлено результаты експериментальних дослвджень i розрахунку зносу контактних пар пристро1в струмознiмання електричного транспорту.
В статье представлены результаты экспериментальных исследований и расчета износа контактных пар устройств токосъема электрического транспорта.
In the article the results of experimental research and calculation of wear of current collector system elements of electric transport are presented.
Обеспечение надежной и экономичной передачи электроэнергии подвижному составу является одной из главных проблем развития электрического транспорта и предполагает совершенствование устройств токосъема. Приоритетным направлением совершенствования устройств токосъема является увеличение их срока службы путем выбора таких материалов контактной пары, которые должны отвечать как требованиям экологического характера, так и требованиям качества токосъема. Метод оценки качества токосъема предусматривает определение двух основных показателей - надежности и экономичности токосъема [1], которые в свою очередь предполагают снижение износа контактирующих элементов при соблюдении и других ограничений.
В Омском государственном университете путей сообщения разработана методика исследования износа контактных пар устройств токосъема, которая реализуется лабораторным комплексом, включающим специализированные установки возвратно-поступательного, вращательного и ударного типов. Лабораторный комплекс позволяет осуществлять износо-усталостные испытания устройств токосъема магистрального и монорельсового электрического транспорта в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта при изменении в широком диапазоне изгибной и контактной нагрузок с учетом протекания электрического тока в контакте.
Установка возвратно-поступательного типа (рис. 1) используется для исследования контактных пар со сложной геометрической поверхностью, характерных для систем токосъема монорельсового транспорта, и позволяет про-
водить исследование износа контактных элементов при условии протекания в зоне контакта как постоянного, так и переменного тока. Таким образом, установка позволяет исследовать модели трибосистемы «контактный элемент -токопровод», созданные при соблюдении критериев подобия и условий контактирования, нагружения и геометрической формы пары трения.
Рис. 1. Схема установки возвратно-поступательного типа
Механическая часть комплекса включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 1. На каретке закреплен контактный элемент 2, взаимодействующий с токопроводом 3, закрепленным на изолировочной пластине 4. Возвратно-поступательное перемещение каретки 1 осуществляется приводом вращения 5, связанным тягой 6 с кареткой.
Кроме возвратно-поступательного движения установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 7, который устанавливается на тяге. При движении ролика 8 по поверхности копира токопровод поднимается, и
© Сидоров О. А., Ступаков. С. А., Саля И. Л., 2010
половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют.
Исследование процессов в области неустойчивого скольжения элементов контактной пары требует учитывать диссипационные составляющие в нормальном и касательном направлении к поверхностям трения. Диссипационные составляющие силы трения в касательном направлении к поверхностям трения в установке реализованы пневматическим резинокордным элементом 9, вмонтированным в тягу 6 [2].
Методика испытаний включает варьирование следующих параметров для каждой пары контактных материалов: контактного давления; скорости относительного движения элементов пары трения; режимов движения (возвратно-поступательное и однонаправленное); полярности и силы электрического тока; параметров окружающей среды (температуры, влажности, запыленности) и других. Кроме этого, конструктивные особенности установки возвратно-поступательного типа позволяют реализовать методику исследования процессов удара при взаимодействии элементов контактной пары, в том числе и трения при ударе.
Результаты исследований представлены на рис. 2 - 5.
Дальнейшие исследования контактных пар системы токосъема монорельсового транспорта выполнялись с использованием математических моделей, которые позволяют оценить как механическую составляющую износа, так и воздействие электрического тока.
При моделировании механического износа, в соответствии с положениями теории подобия, в один критерий были объединены следующие факторы: плотность, твердость, коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность [3, 4].
Рис. 2. Зависимость износа контактного элемента от силы тока в контакте:
1 - I = 0 А; 2 - I = 100 А; 3 - I = 200 А; 4 - I = 300 А
Метод отсеивания несущественных факторов позволил определить следующую группу
факторов для составления модели: нагрузку на образец Р, Н; радиус сферической поверхности г, м; скорость скольжения V, м/с; время испытания I, с; содержание меди в материале контактного элемента М, %; твердость материалов то-копровода и контактного элемента Н1 и Н2; теплопроводность материала контактного элемента Хь Вт; удельную теплоемкость токопро-вода с2, Вт. В качестве параметра оптимизации принят износ массы Им.
и
О II) 20 30 40 V* Ы> II
Рис. 3. Зависимость износа контактного элемента из различных материалов
/I III 20 311 43 51) 60 II НО
Рис. 4. Влияние на износ контактного элемента влажности окружающей среды
10 2П 10 40 ¡0 60
II во
Рис. 5. Влияние на износ контактного элемента смены полярности тока в контакте
Функциональная зависимость между параметром оптимизации и факторами модели имеет вид:
Им = ^(Р; А; V; I; М; НН Хь С2), (1) где Н1/Н2 - безразмерный симплекс.
В соответствии с положениями теории подобия, получим уравнение подобия:
Им
P
■ = Уз X
Г л
г2\
V t
г Н л
V Н 2 У
(2)
Из (2) получим расчетное уравнение:
Им
_
Г _ t С2 Л
г2 \
:(И ))
V t
(3)
Нк
V Н 2 У
_ t С2
г2\,
- комплекс (мера отношения удель-
ной мощности трения к способности токопро-вода накапливать, а контактного элемента передавать тепло);
V t
--отношение пути трения к радиусу кон-
г
тактного элемента.
Расчетное уравнение (3) можно представить в виде:
у = а0 Хвм X] м XI",
(4)
где Х\, Х2, Х3, Х4 - независимые переменные (факторы).
После логарифмирования уравнение (4) имеет вид:
у = Ь0 + Ь1 X, + Ь2 Х2 + Ь3 Х3 + Ь4 Х4,
(5)
где у - оценка параметра оптимизации;
Ьь Ь2, Ь3, Ь4 - оценки коэффициентов.
Для определения коэффициентов уравнения в соответствии с матрицей планирования проведен полный факторный эксперимент на физической модели.
Для определения коэффициентов уравнения регрессии была использована формула:
1 Ы
Ьг = N X Хи ЬГ>»
где 1 = 0...4 - номер фактора; \пУ1и - отклик в опытах в точке и.
В результате вычислений получено уравнение:
1п у = -8,376 + 0,425 1п Х1 -0,694 1п Х2 +
+ 0,53 1п Х3 + 0,769 1п Х4. (7)
Статистический анализ оценки достоверности уравнения подтвердил выполнение гипотезы адекватности модели.
Выполняем потенцирование уравнения (7):
Им = _ х
где а0 - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов;
«м, Рм, Ум, ^м - коэффициенты, определяемые экспериментально; И
- симплекс (отношение износа массы контактного элемента к давлению);
-8,376
/ \ 0,425
Г _ t С, Л
г2Х
<(м))
1 У
г Н л
V Н 2 У
V t
. (8)
На основании анализа уравнения (8) можно сделать вывод, что наиболее значительное влияние на износ оказывают механические свойства пары трения, а наименее значительный вклад в процесс изнашивания вносит параметр, учитывающий изменение нагрузки.
Влияние электрической нагрузки может рассматриваться как дополнительный внешний параметр трибосистемы «контактный элемент -токопровод», влияющий на все характеристики скользящего контакта. Общий электрический износ можно определить по формуле [5]:
(
Ж =
Л
Ж0 + ж.
(9)
Процесс изнашивания контактных пар при протекании через контакт тока заключается во фриттинге пленок поверхностей и электролизе. Объем Жа испарившейся электрической дуги пропорционален количеству электричества Q, которое прошло через нее, и определяется по формуле
Ж =YQ,
(10)
где у - константа материала.
Процесс изменения шероховатости поверхностей является функцией Q/s, где 5 - длина пути. С учетом вышесказанного перепишем (9) в следующем виде:
(
Ж = yQ + 5_
Ж
< ч?
\
(11)
и =1
где g и - переменные материала, которые зависят от контактного нажатия.
е
Преобразуем выражение (11) к следующему виду:
Ж =
хр-10-6, (12)
где кь к2 и к3 - коэффициенты, определяемые экспериментально;
Ркт - контактное нажатие, Н;
р - плотность материала, кг/м3.
Износ контактных пар от воздействия электрического тока:
Ж = ^2(у; <2; е; Жъ- М; к2; Ркт). (13)
Окончательное уравнение для определения износа элементов контактной пары устройств токосъема с учетом (9) и (13):
[Ж, если Р, < Р„пт;
(14)
Им - V, в остальных случаях.
На рис. 6 - 8 представлены зависимости износа контактного элемента, полученные в результате эксперимента, и результаты расчета.
8 6
И 4
2
ЭКС* еримент
V- 1г
КГ г
к
\ра
Рис. 6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента ПМГ
12
мкм.'км
К 6 4
2
4 / жспери. *ент
|\ /
счет
\ жст римент
/
Т'
20 30 40 50 60 и да
Рис. 8. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для стального контактного элемента
Выводы
1) В ОмГУПСе разработана методика экспериментальных исследований износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта.
2) Результаты исследований использованы для оптимального выбора материалов контактных пар устройств токосъема монорельсовой системы ОАО «Московские монорельсовые дороги».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сидоров, О. А. Методы исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта [Текст] : монография / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков. -Омск, 2009. - 155 с.
2. Патент на полезную модель № 82444. МПК Б60Ь 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом [Текст] / О. А. Сидоров и др. -Заявка № 2008149393. - Заявл. 15.12.2008, Бюл. № 12. - 2009.
3. Моделирование трения и изнашивания в машинах [Текст] / Э. Д. Браун и др. - М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.
4. Гаркунов, Д. Н. Триботехника [Текст] : учебник / Д. Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.
5. Хольм, Р. Электрические контакты [Текст] / Р. Хольм. - М.: Иностранная литература, 1961. - 480 с.
Поступила в редколлегию 18.01.2010. Принята к печати 21.01.2010.
И III 20 30 40 .5(1 60 11 НО Р:., -
Рис. 7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента БрОЦ
