CC BY
20
10. Анализ технического состояния тепловозов федерального железнодорожного транспорта России за 2007 год. - М.: Желдориздат, 2008 [Текст] - 64 с.
11. Анализ технического состояния тепловозов федерального железнодорожного транспорта России за 2008 год. - М.: Желдориздат, 2009 [Текст] - 74 с.
12. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2009 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2010. - 64 с.
13. Анализ технического состояния тепловозов и дизельного мотор-вагонного подвижного состава федерального железнодорожного транспорта России за 2010 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2011. - 64 с.
УДК 629.423.31
Д. Ю. Белан, А. А. Ражковский
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН МЕТОДОМ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Данная статья посвящена описанию методики упрочнения углеродом медной поверхности коллектора. Для улучшения коммутационных характеристик и повышения надежности работы электрических машин предлагается использовать метод химико-термической обработки.
Анализ основных показателей технического состояния локомотивного парка по сети магистральных железных дорог за последние года показывает, что общее число неисправных локомотивов сохраняется на уровне 10 - 12 %. Наиболее часто выходят из строя электрическая аппаратура - 44 - 55,0 % и тяговые электродвигатели (ТЭД) - 13 - 17 % от общего числа отказов. Неисправности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) составляют 10 - 15 % от общего количества отказов ТЭД электровозов [1]. Качество работы электрических машин во многом зависит от работы коллекторно-щеточного узла [2]. Эксплуатация ТЭД постоянно происходит в условиях прерывистого контактного взаимодействия поверхностного слоя медных коллекторных пластин с угольным материалом щетки. На коммутационные характеристики электрической машины существенное влияние оказывают как состояние пары «щетка - коллектор» (шероховатость, слабое нажатие щеток, абразивный износ, заволакивание межла-мельного пространства медью, различные дефекты при изготовлении коллектора и т. д.), так и механические свойства коллекторной меди. Известно, что изготавливаются пять марок меди: от М0 с содержанием не менее 99,5 % меди до М4 с содержанием меди не менее 99,0 %. Из этих марок делают проводники тока, а также прокатываемые и литейные сплавы на медной основе. Коллекторные пластины изготавливают из холоднотянутой меди специального трапецеидального профиля. Для большинства коллекторов применяют медь марок М0, М1, МЛ, а для коллекторов скоростных машин - кадмиевую медь (с содержанием 1% кадмия) с большей механической прочностью, меньшим износом при трении по сравнению с холоднокатаной коллекторной медью и увеличением твердости поверхностного слоя до 80 - 90 НВ, что позволяет улучшить коммутационные характеристики электрических машин постоянного тока и увеличить межремонтные пробеги.
Проблема повышения эксплуатационных свойств (износо-, жаро-, коррозионной стойкости) деталей электрических машин постоянного тока, инструментов, приборов методами поверхностного легирования и упрочнения приобретает все большую актуальность. Одним из наиболее перспективных методов упрочнения поверхностей коллекторных пластин тяговых электродвигателей является объемное и поверхностное изменение структуры и свойств термообработкой.
При ремонте коллектора необходимо стремиться получать поверхность коллектора и по-
14 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)
лированием коллектора абразивными материалами. Абразивная обработка рабочей поверхности коллектора отрицательно сказывается на работе КЩУ [3, 4]. Для того чтобы обеспечить стабильную передачу тока от щетки к коллектору и безыскровую работу скользящего контакта, предлагается использовать химико-термической метод (ХТМ) обработки. Одним из наиболее широко применяемых вариантов поверхностной обработки являются химико-термические методы. При ХТМ, проводимых с целью повышения эксплуатационных характеристик изделий, изменяются химический состав, структура и свойства поверхностных слоев [5 - 8].
Внедрение дополнительной операции по упрочнению коллекторных пластин в технологическом процессе ремонта углеродом позволит получить высокие эксплуатационные свойства в поверхностных слоях за счет насыщения поверхности коллектора аналогичным материалом щетки (углеродом). Во время приработки на трущихся поверхностях пары «щетка -коллектор» образуется ориентированная пленка графита с низким коэффициентом трения (0,09 - 0,15), который зависит от содержания водяных паров. Десорбированные пары жидкостей значительно улучшают смазывающие свойства графита. Известно, что графит - это минерал - наиболее устойчивая при стандартных условиях кристаллическая модификация углерода. Кристаллическая решетка графита состоит только из атомов углерода.
Медь - малоактивный металл, который характеризуется достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной атмосфере, содержащей углекислый газ. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение медной поверхности углеродом при высокой температуре значительно увеличивает поверхностную твердость, износостойкость и повышает надежность работы коллекторно-щеточного узла и электрической машины в целом. Поэтому предлагается упрочнить углеродом медные коллекторные пластины методом химико-термической обработки.
Авторами были проведены теоретические и экспериментальные исследования по повышению прочности коллекторных пластин углеродом для создания однородного материала в работе контакта «щетка - коллектор».
В эксперименте среда являлась неоднородной, так как диффундируют два материала в вакууме медь и графит. В практике химико-термической обработки часто имеют дело с реакционной диффузией, когда полученный слой состоит из нескольких фаз, расположенных последовательно одна за другой. Для этих случаев разработаны также методы расчета коэффициентов диффузии.
Предложен новый метод определения коэффициентов диффузии для случая, когда в поверхностной зоне насыщаемого металла образуется несколько последовательно расположенных фаз. По форме концентрационной кривой можно определить коэффициент диффузии во всех полученных фазах, в том числе и в твердом растворе. Предполагается, что коэффициент диффузии в каждой фазе не зависит от концентрации и рост фаз подчиняется параболическому закону. Для расчета коэффициента диффузии в любой фазе достаточно знать положение границ данной фазы в какой-либо момент времени (и соответствующее этому моменту отношение интегральных потоков через эти границы). Эти данные можно получить из экспериментальной концентрационной кривой. Так, например, если при диффузии элемента в металл вначале образуется у-твердый раствор, а затем по достижении предела насыщения этой фазы возникает и растет слой а-фазы, то коэффициент диффузии в а-фазе может быть рассчитан по формуле:
=
у2
4г 1п
М1 - с1 У1
где Ба - коэффициент диффузии в а-фазе; у\ - толщина слоя а-фазы в сантиметрах; г - время в секундах/М0 - масса диффундировавшего вещества, определяемая общей площадью, ограниченной кривой и осями координат; М\ - масса продиффундировавшего вещества в части кривой, отвечающей у-фазе (берется соответствующая площадь); с1 - концентрация элемента в
м;п3!11) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15
точке перегиба кривой (граница а- и у-фаз). Результаты расчета позволили выявить линейную зависимость толщины упрочненного слоя в медном образце коллекторной пластины тягового электродвигателя от коэффициента диффузии в а-фазе (рисунок 1). Данная диаграмма показывает, что при увеличении значения коэффициента диффузии в а-фазе медного образца коллекторной пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 происходит увеличение толщины упрочненного слоя.
о.е.
2.20Е-15
Ко (ффпцнентдпффузнн в а-фазе -►
Рисунок 1 - Диаграмма зависимости толщины упрочненного слоя медного образца от коэффициента диффузии в а-фазе
Приведенное выше выражение позволило теоретически рассчитать концентрацию диффундирующего металла, глубину проникновения углерода в поверхность медного образца и коэффициент диффузии в разных фазах при различной температуре.
Часть медной коллекторной пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 была обработана химико-термическим методом. Процесс химико-термической обработки протекал при нагревании в течение 24 часов при температуре нагрева от 200 до 1000 °С. Результаты эксперимента приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Упрочненная углеродом часть коллекторной пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 (*500)
На рисунке 2 отчетливо видны включения однообразной геометрической формы, о которых предположительно можно судить как об атомах углерода, внедренных в поверхность экспериментального медного образца. В результате на медной поверхности коллекторной
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 3(11)
16
06661565
пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 сформировался слой новой композиционной
структуры и состава (рисунок 3). Верхний слой 1 представляет собой пленку, состоящую из графита, сплошность которой зависит от режимов упрочнения, физико-механических свойств материала, в котором содержится медная пластина, и времени обработки. Под ним располагается зона 2, состоящая из смеси графита и меди, - слой, сформированный за счет диффузии химических элементов углерода в упрочненном материале медного образца.
Далее находится наибольший по ширине слой, образованный в результате химико-термического воздействия (зона термического влияния). Он представляет собой структуру, трансформированную из материала упрочняемой детали, отличаясь от нее кристаллографическим строением и зернистостью. С перемещением вглубь данная структура переходит в структуру основного металла. В зависимости от режимов химико-термической обработки толщина первых трех слоев может быть значительной.
Для более детального изучения новой композиционной структуры, полученной после эксперимента, был проведен микроструктурный анализ медного образца М1 (рисунок 4).
Рисунок 3 - Композиционная структура контактного элемента коллекторной пластины тягового электродвигателя: 1 - верхний слой; 2 - диффузионная зона; 3 - зона термического
влияния; 4 - основной металл; Ь - ширина контактного элемента; к - длина контактного элемента; I - глубина упрочненного углеродом слоя контактного элемента
Углерод
к и
1*3 л ^ * 1
11 I А 1
1 - 1у ц* 1 1 и 1
Рисунок 4 - Микроструктурный анализ медного образца М1
Анализ полученных данных новой композиционной структуры показал, что глубина внедрения углерода в медный образец коллекторной пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 составила порядка 3 - 4 мкм (рисунок 5).
Данные измерения производились на микроскопе ЛСМ-5700 для микроструктурного анализа металлов и сплавов.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что эксперимент по упрочнению поверхностного слоя медной коллекторной пластины углеродом оказался положительным. Об этом свидетельствует анализ теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью микроскопа ЛСМ-5700. Поэтому коллекторная пластина тягового электродвигателя после химико-термической обработки улучшит вольт-амперные характеристики коллекторно-
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17
щеточного узла в различных условиях работы электрической машины постоянного тока за счет однородности материала контакта пары «щетка - коллектор» и повысит надежность работы электрической машины в целом.
Углерод
20 рт С К
Рисунок 5 - Глубина внедрения углерода в медную коллекторную пластину
Список литературы
1. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2009 год [Текст] - М.: Желдориздат, 2009. - 77 с.
2. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 3 (7). - С. 52 - 57.
3. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисеенок // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 2 (2). - С. 2 - 6.
4. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах [Текст] / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 2 (10). - С. 2 - 7.
2. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей [Текст] / Д. Ю. Белан, В. М. Лузин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 4 (4). - С. 6 - 11.
5. Дубинин, Г. Н. О перспективах развития химико-термической обработки металлов [Текст] / Г. Н. Дубинин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2004. - № 7. - С. 5, 6.
6. Новиков, И. И. Металловедение, термообработка и рентгенография [Текст] / И. И. Новиков, Г. Б. Строганов, А. И. Новиков / Московский ин-т стали и сплавов. - 1994. - 480 с.
7. Влияние смазочного материала и термической обработки на формирование припо-верхностных слоев и износостойкость стали 40Х при трении скольжения [Текст] / В. Г. Новицкий, В. П. Гаврилюк и др. // Трение и износ / Национальная академия наук Беларуси. -2002. - Т. 23. - № 2. - С. 201 - 206.
УДК 621.333-83: 629.424.1
А. И. Володин, С. В. Сергеев, М. Н. Кирьяков
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ ТЕПЛОВОЗОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ
В данной статье описано применение микропроцессорных систем управления электропередачей тепловозов для реализации оптимальной тепловозной характеристики, обеспечивающей минимальный расход топлива тепловозами в эксплуатации.
18 ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 3(11) 2012
