Использование синергетических явлений в электрическом скользящем контакте устройств токосъема

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ УСТРОЙСТВ токосъема

О .А. СИДОРОВ, С.А. СТУПАКОВ, А.В. ТАРАСЕНКО, А.Н. КУТЬКИН Омский государственный университет путей сообщения

В статье приведены результаты экспериментальных исследований износа контактных пар устройств токосъёма монорельсового электрического транспорта.

Основной задачей при оценке износа контактной пары является построение зависимости износа от нажатия в контакте при различных значениях тягового тока. Для этого в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) разработана методика экспериментального определения износных характеристик контактных элементов токоприемников и токопроводов, которая базируется на использовании специализированных стендовых установок возвратно-поступательного и вращательного типов [1].

Указанные установки позволяют проводить исследование износа контактных элементов при условии протекания в зоне контакта как постоянного, так и переменного тока с максимальным значением до 4000 А.

Установка возвратно-поступательного типа используется для исследования износа контактных пар со сложной геометрической поверхностью, характерных для систем токосъема монорельсового транспорта. Она состоит из механической и электрической частей (рис. 1).

Введение

2 3 5 4

3

1

11

\\\Чч\\ч\ч\\чч\чч\\\\ч\\\к\\

ВИД А

Рис. 1. Установка возвратно-поступательного типа

© О. А. Сидоров, С.А. Ступаков, А. В. Тарасенко, А.Н. Кутькин Проблемы энергетики, 2006, № 11-12

Механическая часть включает в себя станину 1, на которой установлены направляющие 2, сочлененные со скользунами 3 и закрепленной на них подвижной кареткой 4. На каретке закреплен контактный элемент 5, взаимодействующий с отрезком токопровода 6, закрепленным на изолировочной пластине 7. Требуемый уровень нажатия в контакте устанавливается с помощью балансира 8, который фиксируется на рычаге 9 на заданном расстоянии от шарнира 10. Возвратно-поступательное перемещение каретки 4 осуществляется с помощью привода вращения 11, связанного с кареткой тягой 12.

Электрическая часть установки содержит трансформатор, выпрямитель, балластное сопротивление Лб, измерительный шунт Лш и токопроводящие кабели, концы которых подключены, соответственно, к токосъемному элементу и токопроводу.

Кроме возвратно-поступательного движения установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Этот режим используется также при исследовании контактных пар, выполненных из анизотропных материалов. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 15, который устанавливается на тяге. При движении ролика по поверхности копира токопровод поднимается, и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют.

Установка вращательного типа используется для исследования износа контактных пар, имеющих плоские рабочие поверхности, при линейной скорости скользящего контакта до 100 м/с (рис. 2).

нивншнв Рис. 2. Схема установки вращательного типа

Установка состоит из жесткого основания 1, на котором при помощи подшипников скольжения 2 установлена подвижная рама 3, соединенная с приводом возвратно-поступательных перемещений. На раме закреплен токоприемник 4, основание которого снабжено направляющими 5. Горизонтальные перемещения токоприемника осуществляются с помощью винтовой пары 6, соединенной с электродвигателем ЭД-2.

Контактный элемент 7 токоприемника взаимодействует с нижней поверхностью кольцевого имитатора контактного рельса 8, закрепленного на электроизоляционном диске 9. Диск установлен на оси электродвигателя ЭД-3 и снабжен торцевым контактом 10 и эксцентриковой шайбой 11, которая обеспечивает искусственный перекос плоскости диска для имитации стрел провеса токопровода при его вращении.

Сложность выбора материалов для контактной пары трибосистемы обусловлена условиями работы токосъемных элементов:

- механические свойства - прочность и износостойкость;

- электрические свойства - минимальное значение переходного сопротивления.

Экспериментальные исследования выполнялись на установке возвратнопоступательного типа при следующих параметрах:

1) нагрузочный ток в контакте - 0-250 А;

2) нажатие в контакте - 10-90 Н;

3) относительное движение пары трения - возвратно-поступательное и одностороннее;

4) скорость относительного движения - 0,1-0,5 м/с.

В настоящей статье приводятся результаты исследований контактных пар при использовании следующих материалов:

1) контактный элемент токоприемника:

- МГ (меднографитовый композит, с твердостью НВ = 29);

- бронза (с твердостью НВ =76) + МГ;

- бронза (с твердостью НВ = 138) + МГ;

- МК (металлокерамика, с твердостью НВ = 129);

2) токопровод - БрНХ (бронзовый сплав с добавлением никеля и хрома, с твердостью НВ = 146) (рис.З).

0 20 40 60 Н 100

Рис. 3. Исследование износа контактных элементов 1 - меднографитовый композит; 2 - бронза; 3 - металлокерамика

Результаты исследований показывают, что продукты износа, образующиеся в зоне контакта, в процессе возвратно-поступательного движения элементов трибосистемы не удаляются из зоны контакта. Это явление влечет за собой не только увеличение силы трения (в сравнении с односторонним движением) на 1015%, но и увеличивает интенсивность изнашивания поверхностей трения.

Снижение интенсивности изнашивания за счет использования смазочных материалов (в том числе и твердых) широко применяется не только в устройствах токосъема транспортных систем, но и в таких парах трения, как «колесо-рельс» подвижного состава железных дорог. В связи с этим часть экспериментов проводилась с использованием пары контактных элементов, в которой один из них использовался в качестве источника твердой смазки токопровода.

Исследования при возвратно-поступательном движении установки при отсутствии тока в контакте (рис. 3) показали незначительное снижение износа основного исследуемого контактного элемента: в пределах одного процента. Однако при моделировании одностороннего движения картина изнашивания изменяется. При установке источника смазки первым по ходу движения происходят значительные изменения в паре трения (даже в режиме механического износа):

- уменьшаются размеры абразивных частиц процесса трения;

- большая часть абразива удаляется из зоны контакта;

- на поверхности токопровода образуется устойчивая окисная пленка.

Образовавшаяся окисная пленка при варьировании контактных нагрузок в

указанном диапазоне не разрушается, препятствует возникновению адгезионных связей в контакте и снижает влияние на процесс трения релаксационных и квазигармонических автоколебаний. Это подтверждается и расчетами при использовании модели системы с двумя степенями свободы. В этих условиях изменяется поведение пограничного слоя, который, согласно И.В. Крагельскому, можно рассматривать как некоторое третье тело, состоящее из материала, находящегося в состоянии пластического течения [2].

Анализ результатов исследований этой же пары контактных элементов при протекании нагрузочного тока в контакте (рис. 4) показал дальнейшее снижение интенсивности изнашивания элементов пары трения. Это явление обусловлено возникновением в зоне контакта нового фактора - квазижидкого смазочного слоя (эффект токовой смазки). Кроме того, нагрузочный ток вызывает повышение температуры поверхностей трения, в результате чего увеличивается фактическая площадь контакта и снижается интенсивность изнашивания. Результаты эксперимента подтверждают также зависимость коэффициента внешнего трения от состояния элементов трибосистемы, например: формы, размеров и

коэффициента взаимного перекрытия контактных поверхностей; температуры контактных поверхностей и др.

В устройствах токосъема магистрального электрического транспорта железных дорог широкое распространение получили металлокерамические контактные элементы. Поэтому было исследовано поведение контактного элемента из металлокерамики (МК) в паре с токопроводом БрНХ [3].

80

10' мм/км

л 60

50

у 40

30 20 10

0 20 40 60 Н 100

Рис. 4. Влияние тока в контакте на процесс изнашивания контактного элемента:

1 - меднографитовый композит; 2 - бронза; 3 - металлокерамика

При взаимодействии пары МК-БрНХ было выявлено, что в процессе исследований (при отсутствии тока в контакте) происходит интенсивное изнашивание металлокерамического элемента и образование абразивных частиц, твердость которых соизмерима с твердостью материала токопровода. Образовавшиеся абразивные частицы, концентрируясь на отдельных участках контактной поверхности, приводят к разрушению поверхности токопровода и, как следствие, его интенсивному абразивному изнашиванию.

Картина изнашивания резко изменяется при воздействии токовой нагрузки. Наблюдается резкое снижение количества абразива в контакте уже при значении тока 10 А. Для контактной пары МК-БрНХ имеют место аспекты, присущие синергетическим явлениям, а именно: возникновение (как и при использовании твердой смазки) квазижидкого смазочного слоя. Возникновение указанного фактора обусловлено разрушением крупных фракций износа в результате повышения температуры поверхностных слоев контактирующих элементов при протекании нагрузочного тока. Это явление значительно уменьшает изнашивание указанных контактных пар в режиме токовой нагрузки.

Исследование состояния поверхностей контакта показывает, что в зоне трения присутствует графит, в результате чего наблюдается эффект граничной смазки. Подобное явление приводит к снижению коэффициента трения на 2830%, а износа - в 1,5-2 раза.

Выводы

1. В ОмГУПСе разработан и апробирован экспериментальный комплекс для исследования износа контактных пар, который может быть рекомендован для оперативной оценки ресурсных возможностей токосъемных элементов.

2. Использование в качестве контактного элемента токоприемника двух материалов (бронзы и меднографитового композита) при его взаимодействии с токопроводом из материала БрНХ приводит к увеличению срока службы токоприемника в 3 раза.

З. Выявленные синергетические эффекты в электрическом скользящем контакте для пары «бронза-металлокерамика» увеличивают срок службы токоприемника в 2,5 раза.

Summary

There are experimental researches results of contact couples deterioration of the electric monorail transport current collecting devices in the article.

Литература

1. Сидоров О.А. Прогнозирование износа устройств токосъема Московской монорельсовой транспортной системы // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения. - 2004. - С. 113-117.

2. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун и др. / Под общ. Ред. А.В. Чичинадзе. - М.:

Машиностроение, 2003. - 576 с

3. Сидоров О.А., Ступаков С.А., Кутькин А.Н. Синергетические аспекты электрического скользящего контакта устройств токосъема // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: Материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НИИ), 2005. - С. 37-39.

Поступила 14.06.2006