Определение качества передачи слаботочного электрического сигнала через некоторые типы кольцевых переходников

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 536.531

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ СЛАБОТОЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ КОЛЬЦЕВЫХ ПЕРЕХОДНИКОВ

A.A. Маликов, A.B. Сидоркин

Рассмотрен ряд аспектов выбора и эксплуатации различных контактных материалов, используемых в конструкциях кольцевых переходников для передачи слаботочного электрического сигнала. Приведенные сведения, обращают внимание на комплекс практических решений, направленных на повышение качества передачи электрического сигнала и снижения уровня коммутационных помех, вносимых в него скользящими контактами.

Ключевые слова: кольцевой переходник, переходное сопротивление, сигнал, скользящий контакт, вращающейся объект, измерение.

Исследованиям явлений, которые служат источниками помех в измерительных скользящих контактах, традиционно уделялось существенное внимание [1].

Контактные пары измерительных токосъемников характеризуются в основном эффективными значениями контактной ЭДС ек и переходного сопротивления RK., а также предельной частотой вращения, при которой величины и характер изменения этих параметров еще приемлемы для целей измерений.

Лишь в идеальном случае симметричных тепловых условий можно предположить ек=0. В действительности, как показывает практика, контактная ЭДС возникает даже при однородных материалах кольца и щетки, а ее мгновенные значения носят пульсирующий, знакопеременный характер.

Мгновенные величины переходного сопротивления RK, возникающие в местах соприкосновения контактов, имеют пульсирующий - пиковый характер вплоть до разрыва цепи; эффективное значение переходного сопротивления RK неустойчиво и чувствительно к условиям скольжения и состоянию среды.

На практике, если не принимаются какие-либо меры, Як может изменяться в достаточно широких пределах, например, от 0,1 до нескольких десятков и даже сотен Ом [1], а ек достигать величины ±20...30 мВ. Такие пределы случайных изменений ек и Як делают эти изменения соизмеримыми, а часто и превалирующими над измеряемыми величинами, внося большие погрешности или делая измерения вообще невозможными.

Все сказанное выше в отношении Як еще в большей степени относится к измерениям температуры вращающихся частей технологических систем, осуществляемым при помощи термометров сопротивления [2, 3], так как Як суммируется с незначительными температурными приростами сопротивления, которое необходимо измерить.

Шумы скольжения вызывают напряжение помех, возникающее в динамическом режиме - при движении (скольжении) кольца относительно щетки или наоборот. Характер и степень проявления таких шумов определяются динамическим взаимодействием двух контактирующих поверхностей - кольца и щетки, их состоянием и микроструктурой. Последние, в свою очередь, зависят от силы прижатия и твердости контактирующих поверхностей; линейной скорости движения контактного пояска кольца, зависящей от частоты его вращения и диаметра; стабильности линии контактирования; степени износа щетки и загрязненности рабочей поверхности токосъемного кольца.

Причинами возникновения шума в токосъемных узлах могут быть также нагрев элементов контактной пары, сопровождающейся возникновением термоЭДС, разнородность металлов контактной пары и т. д.

Контактный шум и шум переходного сопротивления возникают при прохождении тока через переходное сопротивление. Они проявляются как результат изменения действующей площади подвижного контакта и модуляции плотности тока, воспринимаемого в виде шума. Шумы, вызванные изменением переходного сопротивления, проявляются в виде хаотических пиков напряжения. Основные причины этого вида шума: неправильный подбор материалов и конструкции контактной пары, загрязнение на токо-съемном кольце, оксидные пленки и продукты износа, создающие дополнительное сопротивление между контактами пары.

Активный (генераторный) шум обусловлен термоэлектрическим эффектом (эффект термопары), возникающим в точках соприкосновения разных металлов, трибоэлектрическим эффектом, возникающим при трении двух металлов, и гальваническим (химическим) процессом в местах контактных соединений. Этот шум представляет собой самогенерирующее напряжение при вращении кольца относительно щетки, когда к ним не приложено электрическое напряжение.

Механический шум появляется в динамическом режиме от чрезмерно большого (от нескольких Ом до бесконечности) переходного сопротивления. Причиной возникновения этого шума чаще всего являются виб-

рации, вызванные зачатую большими механическими нагрузками и частотой вращения, приводящим к вибрационным изменениям состояния контактов. При превышении критической скорости скольжения в системе возникает потеря электрического контакта, сопровождаемая резким скачкообразным изменением величины переходного сопротивления Як.

В отличие от силовых измерительные цепи большую часть времени бывают разомкнуты, а в периоды измерений через скользящие контакты протекают очень незначительные токи, порядка 10"6...10"2 А. На поверхностях таких контактов имеются условия, весьма близкие к внешнему сухому (без тока) трению металлов, с сопутствующими специфическими неустойчивыми процессами. Поэтому для объяснения некоторых явлений в скользящих контактах измерительных цепей оказалось целесообразным привлекать экспериментальные исследования.

В качественном контакте, когда отсутствуют загрязняющие поверхностные пленки и контактные температуры не поднимаются до больших величин (значение ек незначительно), шумы оказываются настолько малыми, что ими можно пренебречь.

Глубина проявления контактных явлений зависит не только от силы нажатия и от материалов контактных пар, а в значительной мере от скорости скольжения (окружной скорости кольца), поэтому общей принципиальной мерой улучшения контактных характеристик является стремление уменьшить скорость скольжения путем сокращения диаметра колец до технически возможного минимума.

При помощи экспресс-метода и комплекса технических средств, подробно описанных в статье [4], авторами были исследованы процессы изменения мгновенных величин переходного сопротивления Як для трех типов контактных пар.

Во всех трех случаях контакт токоподводящей и токосъемной щеток, выполненных из сплава ЗлМ-800, осуществлялся по торцевым пояскам колец, диаметр которых примерно равен 21 мм. Сами кольца изолированы от основания с помощью текстолитовых проставок. Контактодер-жатели щеток выполнены из бериллиевой бронзы и припаяны к переходной плате. Все измерительные цепи также изолированы от корпуса установки. Достаточно большие величины радиального и торцевого биения колец (достигающие величин 0,2.0,5 мм) были скомпенсированы повышенным усилением контактного нажатия (порядка 0,4 Н на каждую щетку).

В первой серии опытов исследовались изменения мгновенных величин переходного сопротивления Як при взаимодействии указных контактных щеток с токосъемным кольцом, каркас которого выполнен из меди и облужен. На каркасе имеется тороидальная проволочная намотка, выполненная в один слой виток к витку. Проволока диаметром 0,12 мм выполнена их сплава ПдВ-20. Общий вид зоны образования Як представлен на рис. 1.

Для дискретного ряда частот вращения кольцевого переходника были сняты осциллограммы, показывающие характер изменения величины Як во времени. Как правило, мгновенные значения переходного сопротивления скользящего контакта составляют кривую, имеющую во времени пиковый характер, иногда вплоть до полных разрывов электрической цепи. В условиях работы измерительных скользящих контактов, когда токи малы, переходное сопротивление обусловливается процессами, происходящими на начальной, линейной части вольт-амперной характеристики. Однако именно здесь вступают в силу различные факторы, чувствительные к внешним условиям среды, к химическим процессам на контактных поверхностях и к режиму скольжения, чем осложняется общая картина изменения величины переходного сопротивления.

После расшифровки осциллограмм проводился их анализ, причем наиболее характерные их фрагменты представлены на рис. 2, а - д. Из рис. 2, а - в четко видно, что наличие хотя бы одного «дефектного» витка проволочной намотки вызывает достаточно ощутимое изменение величины переходного сопротивления Як в цепи токосъема. Этот процесс повторяется с периодичностью, равной половине периода оборота кольца, так как токоподводящая и токосъемные щетки попеременно контактируют с «дефектным» витком.

Рис. 1. Фотография зоны образования Як для кольца с проволочной намоткой

Описанный дефект может возникать из-за целого ряда причин, основными из которых можно считать неплотное прилегание витка (выполненного из материала с достаточно высоким удельным сопротивлением) к

медному обуженному каркасу кольца; наличие локального поверхностного дефекта на проволоке токосъемного кольца; неравномерность физико-химических параметров материала проволоки и др.

Следует заметить, что на рис. 2, б и в, помимо описываемых локальных всплесков Як, хорошо видны и семейства вторичных, менее ярко выраженных всплесков, имеющих пониженную амплитуду.

Номинальная частота вращения объектов, в составе которых используются подобные конструкции колец, не должна превышать 125 мин-1. Очевидно, что данное значение максимальной частоты вращения задано с некоторым запасом. В ходе экспериментов, проведенных авторами, установлено, что при частоте вращения токосъемного кольца до 300 мин-1 характер изменения величины Як не претерпевает существенных изменений по сравнению с тем, что отображено на рис. 2, в. Однако уже при частоте вращения 500 мин-1 наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний Як, (вплоть до 1,1 Ома - верхнего предела измерения используемого комплекса [2]), сопровождающееся появлением обширных зон неустойчивого контакта. При частоте вращения 500 мин-1 такие зоны имеют сплошной характер.

Во второй серии опытов исследовалось токосъемное кольцо, выполненное из медного сплава. На поясок кольца нанесено родиевое гальванопокрытие. Общий вид зоны образования Як представлен на рис. 3.

После расшифровки проводился анализ осциллограмм, причем наиболее характерные их фрагменты представлены на рис. 4, а - е. Из рис. 4, а четко видно, что при малых частотах вращения величина переходного сопротивления Як в цепи токосъема остается практически стабильной и весьма малой. При этом характер пульсаций, показанных на рис. 4, а, объясняется присутствием в измерительной цепи помех с частотой питающей сети (50 Гц), вызванной недостаточным качеством ее экранировки.

При повышении частоты вращения (рис. 4, б и в) начинают проявлять себя дефектные участки зоны контактирования. Сначала менее выражено, а затем и более отчетливо. Характер таких проявлений аналогичен рассмотренному выше. А механизм их возникновения объясняется проявлением поверхностных дефектов контактирования в локальных участках кольца, а также достаточно высокими величинами радиального и торцевого биения кольца относительно щеток, приводящими к вибрациям и нестабильности величины Як при прохождении щетками этих зон.

При достаточно больших частотах вращения - 250 мин-1, величина пульсаций Як достигает 0,3 Ома. При дальнейшем повышении частоты вращения токосъемного кольца (500 мин-1) величина Як существенно возрастает вплоть до полного отсутствия контакта в данных точках (рис. 4, г). Кроме того, начинают проявляться вторичные процессы, происходящие в участках, имеющих меньшие дефекты зоны контактирования.

Д/7, Ом 0,5 т-

-0,2 -I-,-,-,-,-,-,-1-1-1 т

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

в

Рис. 2. Характер изменения величины Кк для кольца с проволочной намоткой (начало): а - при п=12,5 мин1; б - при п=100 мин1; в - при п=300 мин1 г - при п=500 мин1; д - при п=600 мин1

ДЯ, Ом

О -I-т-т-т-т-т-т-

О 0,05 ОД 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

д

Рис. 2. Окончание

Рис. 3. Фотография зоны образования Як для кольца с родиевым гальванопокрытием рабочего пояска

в

Рис. 4. Характер изменения величины Як для кольца с родиевым гальванопокрытием (начало): а - при n=12,5 мин1; б - при n=100 мин1; в - при n=250 мин-1 г - при n=500 мин1; д - при n=800 мин1; е - при n=1000 мин1

105

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

1

1

1 ^ . ___л......

О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

д

е

Рис. 4. Окончание

106

г

При еще более высоких частотах вращения 800.1000 мин-1 (рис. 4, д и е) наблюдается появление локальных зон неустойчивого контакта (вплоть до его разрыва). Это вызывает в сигнальной цепи высокочастотные помехи с большим уровнем амплитуды, что приводит к невозможности ее эффективного использования при измерениях.

Номинальная частота вращения объектов, в составе которых используются подобные конструкции колец, как и в предыдущем случае, не должна превышать 125 мин-1. Можно сказать, что данное значение задано также с некоторым запасом. В ходе экспериментов, проведенных авторами, установлено, что при частоте вращения токосъемного кольца до 500 мин-1 характер и амплитуда изменения величины Як позволяют использовать подобные конструкции при передаче слаботочных электрических сигналов от датчиков, установленных на вращающихся элементах технологических систем [2].

В третьей серии опытов исследовалось токосъемное кольцо, выполненное из медного сплава, но в отличие от предыдущего имеющее сплошное серебряное гальванопокрытие (рис. 5).

Рис. 5. Фотография зоны образования Як для кольца со сплошным серебряным гальванопокрытием

По своей термодинамической устойчивости серебро относится к полублагородным металлам, однако в силу исторической традиции его относят к благородным, т.е. не окисляющимся на воздухе металлам. Существенным недостатком, присущим серебру как контактному материалу является образование непроводящих черно-серых пленок его сульфида под

действием сероводорода и влаги, присутствующих в составе окружающей среды. Этим, как правило, и объясняется нестабильность и неустойчивость работы серебряных контактов в технике слабых токов.

После расшифровки осциллограмм, полученных в ходе экспериментов, как и в предыдущих случаях, проводился их анализ. Наиболее характерные фрагменты осциллограмм представлены на рис. 6, а - е.

Следует заметить, что контактная пара «кольцо - щетка», образованная в данной серии опытов, наряду с неоспоримым достоинством, присущем серебру как достаточно мягкому металлу, - хорошей «смазываемо-сти», обладает и существенном недостатком - нестабильностью работы, связанной, в частности, с достаточно большим периодом приработки контактных поверхностей (необходимым для удаления слоя сульфидной пленки).

При частотах вращения кольца 16, 125 и 800 мин-1 величина переходного сопротивления Як в цепи токосъема остается практически стабильной и весьма малой, а характер ее имения идентичен представленному на рис. 6, а.

При частотах вращения 300, 500 и 600 мин-1 наблюдается появление локальных зон с дефектами контактирования, характер и причины возникновения которых сходны с описанными выше.

При частоте вращения 800 мин-1 наблюдаются выраженные зоны неустойчивого контакта (вплоть до разрыва измерительной цепи).

Типичная область применения подобных конструкций токосъемных колец - объекты, частота вращения которых достаточно мала [5]. В ходе экспериментов, проведенных авторами, установлено, что данные типы колец могут удовлетворительно работать и при частотах вращения 500.600 мин-1 в течение ограниченного времени наработки. При этом характер и амплитуда изменения величины Як, особенно на начальном этапе работы -периоде приработки, а также в случаях продолжительных перерывов в работе, могут значительно варьироваться.

Таким образом, контактные кольца, имеющие тороидальную проволочную намотку, выполненную из износостойких материалов на основе благородных металлов, могут быть рекомендованы при передаче слаботочного электрического сигнала при малых и средних (до 300 мин-1) частотах вращения исследуемого объекта при проведении продолжительных единичных экспериментов или их серий. Контактные кольца, имеющие родиевое гальванопокрытие рабочей части, могут быть рекомендованы при работе на малых и средних (до 500 мин-1) частотах вращения при проведении продолжительных единичных экспериментов или их серий.

Такие кольца могут устойчиво работать (при подборе соответствующей токосъемной щетки) в неблагоприятных условиях (при повышенной влажности и температуре, воздействии слабоагрессивных паров СОЖ и СОТС и ряде других).

-0,1 -I-,—

О 0,1

а

в

Рис. 6. Характер изменения величины Як для кольца с серебряным гальванопокрытием (начало): а - при п=100 мин1; б - при п=250 мин1; в - при п=300 мин1 г - при п=500 мин1; д - при п=600 мин1; е - при п=800 мин1

109

д

е

Рис. 6. Окончание

110

Контактные кольца, имеющие сплошное серебряное гальванопокрытие, могут быть рекомендованы при работе на малых и средних (до 600 мин-1) частотах вращения при проведении непродолжительных единичных экспериментов или их серий. При этом необходимо учитывать, что при наличии ощутимого перерыва между сериями проводимых экспериментов необходимо применять ряд мер, связанных с удалением сульфидной пленки с контактных поверхностей колец. Такие меры могут свестись к предварительной обработке (протирке) контактных поверхностей или к введению небольшого периода приработки перед каждой серией экспериментов.

Список литературы

1. Зедгинидзе Г.П. Измерение температуры вращающихся деталей машин. М.: МАШГИЗ, 1962. 272 с.

2. Сидоркин А.В., Маликов А. А. Экспериментальное исследование тепловыделения в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // СТИН. 2015. №2. C. 28-33.

3. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Некоторые особенности практической реализации процесса дискретной регистрации температуры вращающихся частей технологических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 2. С. 132-138.

4. Сидоркин А.В. Экспресс-метод и технические средства для определения качества передачи слаботочного электрического сигнала через кольцевые переходники // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 6. Ч. 2. С. 115-126.

5. Феофилов. Н.Д., Янов Е.С. Установка для проведения сило-вых исследований операции зубофрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 184189.

Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь УНИР, alan-a@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DETERMINATION TRANSMISSION QUALITY LOW-VOLTAGE ELECTRICAL SIGNAL THROUGH SOME TYPES RING ADAPTORS

A.A. Malikov, A.V. Sidorkin

A number of aspects of the selection and operation of different contact materials used in the construction of ring adapters for transmitting a low-current electrical signal. The information draw attention on a set of practical solutions aimed at improving the quality of the transmission of the electrical signal and reduce switching noise introduced into a sliding contacts.

Key words: ring adapter, contact resistance, light, slider, rotating object measurement.

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrei-malikov ayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, research engineer, alan-a a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.438

УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВИХРЕВЫХ ГОРЕЛОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

С.Н. Вахнеев, Н.П. Коржов, Т.Н.Кравчик

Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик газодинамического потока в следе за вихревыми горелками, обеспечивающими подготовку гомогенной топливовоздушной смеси в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей и в других горелочных устройствах. Приведена картина потока соосных противоположно закрученных струй непосредственно за срезом горелки в зоне интенсивного циркуляционного течения, где при сжигании топлива происходит стабилизация процесса горения. Показаны условия, при которых возможна оценка устойчивости горения гомогенной смеси на стадии проектирования вихревых устройств.

Ключевые слова: камера сгорания, вихревая горелка, измерение, скорость, давление, температура, эксперимент.

Проектирование и расчет современных высокоэффективных основных камер сгорания (КС) воздушно-реактивных двигателей (ВРД) из-за сложности формализации рабочего процесса требуют большого объема экспериментальных данных результатов аэродинамических продувок элементов конструкции КС, тепловых процессов и устойчивости процесса горения.

Несмотря на широкое распространение и использование закрученных потоков газа и значительное количество теоретических и экспериментальных исследований [1, 2, 3, 4, 5], многие вопросы, связанные с их движением в вихревых устройствах, не имеют достаточно строгого математического описания и обстоятельного экспериментального обоснования, что необходимо при проектировании и расчетах КС.

В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований наиболее применяемых схем вихревых горелок фронтовых устройств, обеспечивающих подготовку гомогенной топливовоздушной смеси как основного фактора повышения эффективности основных КС.