Анализ материалов, условий применения и износа щеток электродвигателей приводов технологического оборудования лесопромышленных предприятий

ЛИТЕРАТУРА

1. Левин, А.Б. Энергетическое использование древесной биомассы: учебник / Ф. Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко; под ред. А.Б. Левина. М.: ИНФРА-М, 2016. - 199 с.

2. Абразумов, В.В. О механизме абразивного изнашивания задней поверхности режущего инструмента из твёрдых сплавов при обработке цементно-стружечных плит / Котенко В.Д. // Труды международного симпозиума Надёжность и качество. 2017. Т 2. С. 245 - 248.

3. Акинин, Д.В. Методика проектирования близкой к оптимальной структуры парка лесных машин / Д.В. Акинин, В. Ю. Прохоров, Г.О. Комаров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 178-179.

4. Абразумов, В.В. Износостойкость инструмента при резании древесных композитов [Текст]: монография / В.В. Абразумов, В.Д. Котенко. М.: МГУЛ, 2009. - 170 с.

5. Быков, В.В. Новые материалы и покрытия для узлов трения навесного оборудования / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, Л.В. Окладников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 2-2 (7-2) С. 21-27.

УДК67.05 Беляков М.С.

ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мы-тищи-5, Россия

АНАЛИЗ МАТЕРИАЛОВ, УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ И ИЗНОСА ЩЕТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В статье рассматривается вопрос о применении щеток электродвигателей приводов технологического оборудования лесопромышленных предприятий. Приведены основные характеристики щеток, применяемые в промышленности РФ. Рассмотрены причины, неисправностей, замены и увеличение срока работоспособности щеток

Ключевые слова:

ЩЕТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ, ИЗНОС, УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Щетки применяются в двигателях для электрической связи подвижной и неподвижной частей электродвигателей, практически во всех бытовых электроприборах, электроинструментах, а также во всех областях промышленности [1]. Токосъемные щетки - одна из наиболее часто выходящих из строя частей электродвигателя, замена которой приводит к простою производства, а следовательно к экономическим потерям. Щетки в электродвигателе создают контакт скользящего типа. Они выступают элементом механизма, который позволяет перевести механическую энергию в электрическую. В настоящее время актуальна задача повышения износостойкости щеток электродвигателей и увеличения времени их работы.

Щетки выпускаются вместе с проводниками. Их изготавливают из металла. Но существуют модификации и без проводников. Чтобы закрепить провод на конструкции щетки используется несколько разных вариантов - развальцовкой, впрессовкой, пайкой. При этом сами тоководы различаются марками. Они могут быть многожильными из медной проволоки (МПЩ), гибкими, отличающимися плетением из аналогичной проволоки (ПЩ), универсальными с повышенной степенью гибкости (ПЩС).

Рассматривая описание щеток для двигателей, нужно отметить наличие наконечников контактного типа на проводе. Они необходимы для более качественного крепления болтами держателей, расположенных на щетках. Для удобства такие наконечники различаются по форме - вилочные, флажковые, двойные и пластинчатые.

Электрощетки должны обеспечивать заданный режим функционирования основного и вспомогательного электрооборудования с минимальными расходами на ремонтно-обслуживающие работы. Поэтому к ним предъявляются определенные требования:

1. Безопасность и надежность коммутационного контакта без искрения и риска замыкания на обмотках;

2. Недопущение нарушений контактного прилегания с движущимися компонентами агрегата;

3. Устранение потерь электроэнергии в контакте скользящего типа;

4. Прочность к механическим воздействиям, сопротивление трению;

5. Износоустойчивость материала.

В настоящее время применяются следующие виды щеток:

Угольно-графитные щетки: (Г-3, Г-20, Г-21, Г-21А) используется, когда требуется работа при очень высоких скоростях или на малых скоростях с низкой плотностью тока. Они не слишком проч-

ные, поэтому применяются в устройствах с минимальной нагрузкой механического типа. Применяются в машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока, электродвигателях бытовой техники, двигателях электрических машин, работающих в условиях пониженного атмосферного давления.

Электрографитные щетки: (ЭГ-2А, ЭГ-4, ЭГ-7 4, ЭГ-64К) являются наиболее распространенным классом, хорошо переносят перегрузки. Отличаются высокой прочностью, гарантируют контакт среднего уровня с повышенными токонагрузками. Применяются в электрических машинах, генераторах и тяговых электродвигателях для железнодорожного транспорта, экскаваторах, металлургической промышленности, генераторах постоянного тока автотракторного электрооборудования, электрических машинах с тяжелыми условиями коммутации т.п.

Медно-графитовые щетки: (МГ-4, МГС-5, МГС-20, МГСО) содержат 15-95% меди или медных сплавов. Имеют более высокую проводимость и малое падение напряжения позволяет использовать их с очень высокими плотностями тока при низких напряжениях. Применяются в электрических машинах, генераторах, преобразователях тока, асинхронных двигателях, стартерах, низковольтных машинах с высокой плотностью тока, моторредукторах, исполнительных механизмах для автомобильного транспорта.

Серебро-графитные щетки: (СГ1, СГ1М, СГИ1, СГН88) содержат серебро в количестве 15-95%. Имеют более высокую проводимость и малое падение напряжения что позволяет так же использовать их с очень высокими плотностями тока при низких напряжениях. Области применения: тахогенера-торы; синхроноскопы; микродвигатели с низким напряжением, передатчики сигналов измерения.

Способ изготовления электрощёточных материалов включает изготовление заготовок щёток путём прессования из графита, кокса и различных связующих материалов с добавлением меди или серебра, с последующей термической обработкой при 1500 - 3000 °С.

Роль щеток в электродвигателе неоспорима. Поэтому целесообразно минимизировать действие факторов, которые приводят к их неисправности. В частности, опасность вызывает такое явление, как искрение щеток. Оно проявляется по следующим причинам:

1. Нагар и грязь на коллекторе. Требуется произвести очистку при помощи наждачной бумаги.

2. Накопление графитовой пыли или медного порошка, приводящее к замыканию контактов. При помощи ножа или другой острой детали все перемычки целесообразно оперативно удалить.

3. Если контакты различаются по уровню сопротивления, неверно подобраны щетки по основным параметрам, то это способно вызвать искрение. В этом случае потребуется замена щеток для электродвигателей «своими руками» или обращение в сервисный центр.

4. Полная выработка ресурса. Это также потребует замены щеток.

5. Замыкание на межвитковом участке обмоток якоря. Для исправления ситуации необходимо проверить работоспособность якоря и поменять его при необходимости.

Следующий вид неисправности щеток - сильный и неравномерный износ. Определить какая степень износа является «нормальной», а какая слишком сильной (сокращение длины в единицу времени, правильнее сказать степень износа) без точного определения условий эксплуатации очень трудно.

Пользователи угольных щёток хотят чтобы износ был минимальным, поскольку таким образом увеличиваются интервалы технического осмотра, уменьшаются степень загрязнения и затраты на содержание механизмов.

Слишком слабый износ может при длительной эксплуатации вызвать затруднения, поскольку вследствие слабого истирания поверхность угольной щетки становится гладкой и плотной, что может привести к аэродинамическому эффекту при высокой окружной скорости и в результате к повреждению контактов. При низких окружных скоростях и гладкой поверхности скольжения, в неблагоприятной ситуации, соскальзывание может произойти вблизи сцепления, что приведет к вибрации угольных щёток.

Для надёжной передачи тока требуется минимальное количество контактных площадок, которые вследствие скольжения неизбежно изнашиваются. Степень износа зависит от условий эксплуатации, режима окружающей среды и используемого в угольных щетках материала. Многообразие воздействующих факторов не позволяет надежно просчитать предполагаемый износ в каждом отдельном случае.

К сильному или неравномерному износу щеток может привести следующее:

1. Коммутатор или контактное кольцо имеют некруглое сечение, плохая коммутация;

2. Образование пятен на коммутаторе или контактном кольце;

3. Влияние масла или грязи;

4. Запыленный воздух, низкая влажность воздуха;

5. Вибрация, перегрузка механизма;

6. Агрессивные газы и пары в воздухе;

7. Неравномерное или слишком слабое давление на щётку, неравномерное распределение тока, не одинаковые щётки, неправильно выбранные щётки.

Следующая причина неработоспособности щеток электродвигателей - образование бороздок. Существует множество причин, которые приводят к образованию тонких следов, так называемых бороздок, на материале коммутатора или контактного кольца при эксплуатации и внешних воздействиях. При неблагоприятных ситуациях эти бороздки, углубляясь и расширяясь, могут распространиться на всю поверхность угольной щетки.

Такие бороздки вначале не представляют опасности для работы машины. Тем не менее, если снашивается дорогая коммутаторная медь, необходимо подбирать угольные щётки по качеству, или менять условия эксплуатации, чтобы предотвратить образование бороздок. При оценке глубины бороздок необходимо иметь в виду, что сильная разница по цвету и контрастности между блестящим медным следом и патинированной зоной часто имеет сходство с бороздками, хотя это, собственно, только бросающиеся в глаза полоски незначительной глубины.

Наиболее частые причины для образования бороздок следующие:

1. Механические примеси. Тончайшие, жёсткие частицы пыли, которые могут быть привнесены охлаждающим воздухом, могут попасть между поверхностями коллектора и угольной щётки и даже зацепиться в угольной щетке. Они могут поцарапать патину и привести в дальнейшем к образованию бороздок на поверхности коллектора. Минеральные частицы в природном графите и углерод-графите ведут, в любом случае, к слабому воздействию на ротор и образованию мелких бороздок. Поскольку сегодня в больших машинах, главным образом, используются электрографитовые угольные щетки, эта причина для образования бороздок ограничивается единичными случаями.

2. Малая нагрузка и медные «узелки» на поверхности угольной щётки. Если машина загружена недостаточно, температура ротора остается невысокой. То же самое происходит в случае интенсивного обдува при нормальной нагрузке. В таких случаях патина является плохопроводящей и передача тока осуществляется, главным образом, по перемычкам спёка. Температура в этих маленьких перемычках настолько высока, что металл ротора начинает испаряться и тончайшие металлические частицы оседают на поверхности щетки, которые распознаются, в экстремальных случаях, так называемые, медные «узелки». Причиной бороздообра-зования являются катодные щётки, поскольку для возбуждения ионов меди играет роль направление электрических полей. При нагрузочном сопротивлении переменного тока бороздобразование практически не рассматривается. Частицы меди, попадающие на поверхность щётки, царапают патину и приводят к бороздообразованию. Опасность бороз-дообразования увеличивается при использовании угольных щёток со слабо обогащенной углеродом патиной. Особенно быстро появляются бороздки, когда угольные щетки при напряжении постоянного тока работают в полярно разделенных треках. Бороздки образуются в таких случаях только под катодными щётками.

3. Высокая влажность воздуха. Влажность благоприятствует окислению металла ротора, давая возможность формированию толстых пленок. Эти слои, как и в холодных коммутаторах, образуют перемычки (спёки) и ведут к образованию бороздок.

4. Образование бороздок из-за пленок масла и смазки. Масла, смазочные материалы и другие, не проводящие ток субстанции, попадающие на коллектор, образуют изоляционную пленку, сокращающую количество электропроводящих площадок. На оставшихся участках, вследствие высокой температуры, металл ротора начинает плавиться, создавая эффект подобный тому, что и при образовании перемычек (пригаров). Кроме того, масло и смазочный материал, находящиеся на коллекторе, подвергаются крекингу при разогреве, образуя жесткий электродный кокс, способствующий бороздообразо-ванию.

5. Колебания и вибрация щёток. В зависимости от интенсивности, колебания щеток могут относительно быстро привести к разрушению токоподво-дящих многоканальных проводов и образованию «башмака» на основании щётки, а вибрация к изломам и отслоениям, особенно на поверхности скольжения. Колебания щёток и особенно вибрация приводят к нарушению контакта между угольной щеткой и коллектором. Причины возникновения колебаний и вибрации щёток: слишком гладкие коллекторы, недогружены угольные щётки, тонкая пыль в обдуве, большое расстояние между держателями, зазор в обойме щёткодержателя слишком большой, поперечный держатель стоит в позиции противодействия, палец щеткодержателя изогнут, коммутатор некруглого сечения, недостаточная влажность воздуха, изоляция коммутатора выступает, материал щётки не подобран правильно.

Для увеличение работоспособности щеток, для повышения эксплуатационных характеристик щеточного узла и увеличения периода работы щеток возможно использования современных токопроводящих

материалов на основе углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) объёмного армирования. Исследования по определению износостойкости УУКМ, проведённые на кафедре технологии машиностроения и ремонта МГУЛ, обработки материалов МФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, НПО «АО Композит», ГОСНИТИ [2, 3, 4, 5, 6, 7] показывают, что данный материал имеет низкий коэффициент трения и высокую стойкость к истирающим нагрузкам, которые являются основными в щеточных узлах электрических машин. Кроме того, объёмная структура наполнителя композита препятствует образованию трещин и изменению геометрических параметров детали. Углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ) - это нитки, ткани различных схем плетения, насыщенных углеродом. УУКМ имеет электропроводность такую же, как у металлов. Интенсивность изнашивания у УУКМ меньше в 3-4 раза,

чем у щеток на металлической основе. С увеличением нагрузки средний коэффициент трения снижается с 0, 263 (при нагрузке 1Н) до 0, 002 (5Н) . Износ материала также уменьшается с 13,0888 до 0,3565 мкм. Поэтому целесообразно провести исследования в этом направлении. Также ранее проведённые исследования показали эффективность внедрения в поверхностные слои композита электротехнической меди М00, являющейся также основой ламелей коллектора электрической машины. Внедрение меди инициирует режим избирательного переноса материалов при трении, что позволяет реализовать в данных узлах эффект безызносности [8].

Применение щеток на основе УУКМ с внедрённым слоем меди по сравнению с наиболее распространенными угольными щетками существенно увеличит период наработки электродвигателя, что выгодно с технико-экономической точки зрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акинин, Д.В. Методика проектирования близкой к оптимальной структуры парка лесных машин / Д.В. Акинин, В. Ю. Прохоров, Г.О. Комаров // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2014. Т. 2. С. 178-179.

2. Быков, В.В. Использование новых материалов при модернизации техники / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, И.Г. Голубев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2006. № 3. С. 18-20.

3. Прохоров, В. Ю. Исследование физико-химических и трибологических характеристик углерод-углеродных композиционных материалов / Техника и оборудование для села. 2014. № 4 (202). С. 20-23.

4. Голубев, И.Г. Модернизация транспортных и технологических машин с помощью альтернативных материалов. / И.Г. Голубев, В.Ю. Прохоров // Лесная промышленность. 2004. № 4. С. 24-27.

5. Антонюк, В.П. Эффективность применения наносмазочных материалов в канатно-чокерном оборудовании ЛПК / В.П. Антонюк, В.Ю. Прохоров // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 156-157.

6. Синюков, Н. В. Исследование влияния сочетания конструкционных материалов на противозадирные и противоизносные свойства смазок / Н. В. Синюков, В. Ю. Прохоров, Л. В. Окладников, // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 139-141.

7. Быков, В.В. Новые материалы и покрытия для узлов трения навесного оборудования / В.В. Быков, В.Ю. Прохоров, Л.В. Окладников // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 2-2 (7-2) С. 21-27.

8. Прохоров, В.Ю. Пути реализации эффекта безызносности шарнирных сопряжений / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. 2013. Т. 1. С. 43-46.

УДК 621.382; 537.312 Соловьев В.А., Шогунбеков Э.Д.

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА ОЛОВА МЕТОДОМ СПРЕЙ-ПИРОЛИЗА АЭРОЗОЛЕЙ

Рассмотрены методы спрей-пиролиза аэрозолей при формировании нанокристаллических газочувствительных пленок диоксида олова для сенсорных систем. Рассмотрены параметры пленок в зависимости от используемых прекурсоров аэрозоля и температуры процесса пиролиза.

Ключевые слова:

СПРЕЙ - ПИРОЛИЗ, ДИОКСИД ОЛОВА, ПРЕКУРСОР, МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Водород является наиболее перспективным энергоносителем вследствие его экологической чистоты и широкого распространения в природе. Водородная энергетика, наземные устройства транспортного назначения, реактивная техника, агрегаты автономной энергетики типа электрохимических генераторов тока, гидридные аккумуляторы водорода с целью хранения его в связанном состоянии и, наконец, ядерные реакторы - вот перечень техники, где требования пожаровзрывобезопасности особенно критичны. К серьёзным недостаткам водорода следует отнести его высокую взрывоопас-ность. Вот почему при эксплуатации АЭС возникает необходимость в непрерывном контроле содержания водорода в защитной атмосфере гермозоны реакторов и в других каналах атомной электростанции [1]. Снижение концентрации водорода в газовых полостях контура охлаждения достигается разбавлением смеси продувочным (вентилирующим) газом. Довзрывоопасная концентрация должна быть как можно раньше обнаружена с целью предупреждения аварийной ситуации [2]. В этой связи разработка быстродействующих автоматических сигнализаторов довзрывоопасной концентрации водорода при его натекании в свободные объёмы является актуальной задачей. Чувствительность плёночных газорезисторов к малым концентрациям водорода и водоро-досодержащих газов и их быстродействие являются теми характеристиками, которые определяют их практическую применимость в условиях появления

нештатной ситуации. Эти параметры вполне обеспечиваются тонкоплёночными сенсорами вследствие большего отношения поверхности к объёму, по сравнению с агломеративными структурами, более быстрой адсорбции-десорбции детектируемых взрывоопасных газов, широкого использования методов технологии микроэлектроники, быстроты выхода на рабочий температурный режим, миниатюрности измерительной ячейки и меньшего потребления энергии. В качестве газочувствительных элементов сенсорных систем резистивного типа широко применяются нанокристаллические пленки диоксида олова. С целью обеспечения более высокой чувствительности пленок диоксида олова к конкретному типу газовой примеси его легируют элементами, обладающими каталитическими свойствами (Р^ Си, М, Pd). Анализ вариантов модифицирования SnO2 с целью установления каталитических добавок, их концентраций и температур максимальной чувствительности к ряду токсичных и взрывоопасных газов, показал, что на сегодняшний день наиболее детально изучены сенсорные характеристики пленок SnO2, легированных благородными металлами - палладием и платиной [3].

Некоторые параметры газовых сенсоров, такие как чувствительность и время отклика, в значительной степени определяются морфологией чувствительного слоя (удельной поверхностью слоя и размером в нем пор). В связи с этим важную роль играет процесс получения чувствительного слоя.