Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателй

Другой фактор в выражении (9) - совокупность Ni. Значения /V. определяются в основном конструктивными решениями дизель-генератора, и поэтому субъективное воздействие на них в условиях локомотивного депо ограничено.

Затраты на выполнение работы дизель-генератором зависят еще и от удельного расхода топлива beNj. Эта топливная характеристика дизеля для каждой серии тепловозов определяется как конструкцией дизеля, так и техническими нормативами по ремонту и эксплуатации локомотивов, т. е. элементами стратегии эксплуатации S3 .Следовательно, решение задачи повышения топливной экономичности дизелей может быть осуществлено путем совершенствования стратегии S3 на стадии их создания и в процессе эксплуатации [3].

Одним из путей совершенствования стратегии S3 при создании новых дизелей должно быть уточнение вида зависимости be(N) для генеральной совокупности режимов работы дизелей тепловозов А на сети железных дорог [1].

В процессе эксплуатации серийных тепловозов стратегию S3 необходимо корректировать в соответствии с местными условиями. Например, при реостатных испытаниях тепловозов характеристики дизель-генераторных установок настраивать с учетом особенностей комплексов Q,r и вероятностей Pj, приведенных в моделях (1), (9). Данный способ может быть

реализован непосредственно в депо или на тепловозоремонтных заводах без дополнительных конструктивных изменений и затрат.

Таким образом, описанная модель процесса технической эксплуатации позволяет количественно оценить характеристики состояний дизеля, выбрать критерии эффективности работы тепловозных дизель-генераторов и наметить пути снижения расхода топлива в условиях эксплуатации.

Список литературы

1. Балакин, В. И. / Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей [Текст] / В. И. Балакин. - J1. ЦНИДИ. 1983. - 155 с.

2. Александров, А. М. / Вероятностное описание, экспериментальное и теоретическое исследование режимов работы тепловозных дизелей [Текст] / А. М. Александров, В. А. Четвергов, А. В. Чулков // Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей: Труды / Центральный научно-исследовательский дизельный институт. - Л., 1983. - С. 11 - 27.

3. Фофанов, Г. А. / Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности [Текст] / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - 1983. -№6.-С. 21-25.

УДК 629.423.31

Д. Ю. Белан, В. М. Лузин

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА

ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В данного статье проведен анализ существующих методов упрочнения поверхности деталеьI машин. Для повышения износостойкости коллекторных пластин тяговых электродвигателей предлагается использовать метод электроискрового легирования.

Надежность работы тяговых электродвигателей (ТЭД) во многом зависит от исправного состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Наиболее уязвимым звеном КЩУ является

б ИЗВЕСТИЯ Трансе НОТ ВЩ

коллектор. По внешнему виду контактной поверхности коллектора судят о состоянии и работе ТЭД в целом. Коллектор двигателя, находящегося в эксплуатации, в идеальных условиях должен иметь на контактной поверхности коллекторных пластин глянцевую темно-коричневую пленку (политуру) повышенной твердости. Такая политура увеличивает коммутационную устойчивость двигателя и значительно снижает износ коллекторных пластин. Однако такие условия в эксплуатации зачастую не выполнимы.

При движении локомотива ТЭД испытывает значительные динамические нагрузки со стороны рельсового пути. Эти нагрузки особенно возрастают в зимнее время года из-за повышения жесткости земляного полотна и превышают статические в 10 - 15 раз. Дополнительные динамические нагрузки возникают со стороны контактной сети при обрыве и восстановлении питания. В процессе движения локомотива может возникать превышение допустимых частот вращения якоря (при боксовании). Эти перегрузки при определенных условиях приводят к возникновению электромеханических резонансных колебаний звена «якорь - магнитная система», что вызывает различные повреждения, которые усугубляют нормальную работу КЩУ.

К часто встречающимся неисправностям коллектора ТЭД относится механический и электроэрозионный износ. Основными причинами механического износа являются применение щеток с повышенным коэффициентом трения; плохая очистка воздуха, поступающего для охлаждения; чрезмерное нажатие щеток; перегрев отдельных пластин; биение коллектора вследствие его эксцентриситета.

Электроэрозионный износ контактной поверхности вызывается неудовлетворительной коммутацией, приводящий к подгару коллекторных пластин, что может спровоцировать круговой огонь по коллектору, приводящий к прожогу и оплавлению пластин, распайке концов якорной обмотки в «петушках» коллектора. Перебросы по коллектору или на корпус двигателя могут быть вызваны загрязнением коллектора щеточной пылью.

Перечисленные неисправности коллектора устраняют обточкой, продорожкой, снятием фасок, шлифовкой и полировкой. Шероховатость обработанной поверхности должна соответствовать 8-му - 9-му квалитету согласно нормативным документам [1, 2]. Однако абразивная обработка отрицательно сказывается на работе КЩУ. Для исключения операций шлифования и полирования из технологического процесса ремонта ТЭД предлагается после продорожки создавать оксидную пленки типа политуры повышенной твердости с новыми свойствами, обеспечивающими повышение коммутационной устойчивости и снижение износа коллектора.

Существуют различные методы упрочнения поверхностей деталей машин из сталей и сплавов, которые можно подразделить на следующие группы в зависимости от технологического приема изменения поверхностных или объемных свойств материала.

Упрочнение путем создания поверхностных пленок, при котором структура внутренних слоев материалов остается неизменной. Упрочнение осуществляется формированием покрытия за счет химических и диффузионных реакций между элементами парогазовых смесей и материала изделия. Покрытия могут реализовываться газопламенным, плазменным, детонационным и другими известными видами напыления. При этом триботехнические свойства тел во многом определяются структурой и химическим составом поверхностных покрытий.

Другим прогрессивным подходом к созданию качественного упрочнения поверхностей в настоящее время считается исследование, разработка и совершенствование технологий получения поверхностных слоев с заданными составом, структурой и, соответственно, с требуемыми свойствами. При этом необходимо учитывать, что решающее значение при формировании структуры слоя имеют энергетическая способность взаимодействия насыщающего элемента, физико-химическая природа насыщающей среды и механизм фазовых превращений [3]. Широкие перспективы в этом направлении открывает технологическое обеспечение износостойкости металлических поверхностей на основе электрофизических способов упрочнения с применением высокоэнергетических концентрированных потоков энергии. В по-

следние годы эти методы используются для легирования приповерхностных слоев металлов и сплавов.

Проблема повышения надежности и долговечности деталей машин и инструментов может быть решена относительно дешевой, нетрудоемкой, но высокоэффективной механической обработкой. Важнейшим условием повышения надежности машин является работоспособность деталей узлов трения, которая в свою очередь связана с их износостойкостью. Одним из основных факторов, определяющих износостойкость деталей машин, является сопротивление материалов разрушающему действию абразивных частиц. Особого внимания заслуживает возможность повышения сопротивления металлов абразивному изнашиванию путем изменения их физико-механических свойств, т. к. в этом случае не требуется замена применяемых материалов на более дорогие и дефицитные. Поэтому повышение абразивной износостойкости может быть достигнуто путем применения известных, но не нашедших широкого распространения технологических операций. Например, среди технологических способов повышения абразивной износостойкости металлов большое значение принадлежит механической обработке. Использование этого способа позволяет повысить абразивную износостойкость до 40 - 80 % [4].

Существующие методы термической обработки можно разделить на объемные и поверхностные. К первым относят традиционные процессы термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск; ко вторым - все способы поверхностной закалки, создания электрохимических покрытий и химико-термическую обработку. Одним из наиболее широко применяемых вариантов поверхностной обработки являются химико-термические методы, способствующие повышению эксплуатационных характеристик изделий, изменению химического состава, структуры и свойств поверхностных слоев [5].

Для получения требуемых свойств материалов широко используются комбинированные методы поверхностного упрочнения. Использование комбинированных покрытий дает возможность создавать поверхностные слои с заданными разнообразными физико-химическими и механическими свойствами [6]. Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе), полярного переноса продуктов эрозии на катод (деталь), на поверхности которого формируется слой измененных структуры и состава. Величина этих изменений традиционно определяется составом, структурой, свойствами материалов электродов и технологическими параметрами процесса ЭИЛ.

Формирование упрочненного слоя происходит в результате сложных плаз-мохимических, тепло физических и меха-нотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках воздействия единичного искрового разряда и в общем случае протекает по следующей схеме (рисунок 1). При сближении легирующего электрода с упрочняемой поверхностью на определенном расстоянии происходит искровой разряд длительностью КГ6 - 10~3 с.

В результате на поверхностях анода и катода образуются локальные очаги плавления и испарения, вызывающие их электрическую эрозию и взаимный массоперенос. Благодаря полярному эффекту, связанному с преимущественным переносом эродируемого материала анода на катод, на поверхности последнего формируется тонкое покрытие с определенными фи-

Рисунок 1 - Общая схема процесса электроискрового легирования: А - легирующий электрод (анод); К - поверхность детали (катод); а - межэлектродный промежуток; ГИ - генератор импульсов; БС - белый слой; ДЗ -диффузионная зона; ЗТВ - зона термического влияния

8 ИЗВЕСТИЯ Трансе НОТ ИЩ

зико-химическими и механическими свойствами. Параллельно действующее импульсное тепловое воздействие вызывает гамму механотермических процессов, приводящих поверхностные слои электродов в сложнонапряженное состояние вплоть до их пластической деформации и хрупкого разрушения. Поскольку электроды при искровом разряде находятся в кинематической связи между собой, вслед за осажденными частицами упрочняемая поверхность подвергается ударно-вибрационному воздействию. В течение каждого акта контактного взаимодействия между электродами образуются и тут же разрушаются микролокальные мостики сварки, вызывающие дополнительную к механическому воздействию пластическую деформацию упрочняемых поверхностных слоев. Энергетическое воздействие высокой концентрации стимулирует протекание сопутствующих электроискровому легированию микрометаллургических процессов, в частности, термохимических, газодинамических и диффузионных.

Упрочненная поверхность, сформированная электроискровым легированием, представляет новую композиционную структуру, которую в общем случае можно представить следующим образом. Верхний слой представляет пленку из материала анода, модифицированного элементами материала катода и межэлектродной среды, лежащего на поверхности в виде отдельных «островков», сплошность которых зависит от режимов упрочнения, материала анода и времени обработки. Под ним располагается зона, состоящая из смеси материалов анода и катода, образованная в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фазы на упрочняемой поверхности («белый» слой). Далее следует слой, сформированный за счет диффузии химических элементов материала анода в упрочненном материале катода (диффузионная зона). И, наконец, под ним располагается нижний, наибольший по толщине слой, образованный в результате импульсного теплового воздействия (зона термического влияния). Этот слой 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 электроискрового легирования значимость первых трех слоев может быть существенной, а роль структуры, сформированной под действием импульсного теплового воздействия, является всегда основополагающей, определяющей эффективность упрочнения.

Упрочнение происходит

за счет осаждения на поверхности катода материала противоположного электрода (анода). Наибольший эффект достигается при использовании материала легирующего электрода с высокой твердостью;

диффузии материала анода в катод и образования растворов, смесей, химических соединений. Происходит насыщение поверхности оксидами, нитридами, а также образование на поверхности метастабильных фаз с очень мелким зерном;

образования зоны взаимной кристаллизации Mel и Ме2 и неравновесных структур, фаз, а также мелкозернистой структуры.

Суть данного метода заключается в том, что при сближении электродов напряженность электрического поля увеличивается и при некотором зазоре между ними она достигает величины, достаточной для возникновения искрового электрического разряда. Через возникший канал сквозной проводимости пучок электронов фокусированно ударяется о металлическую поверхность анода. Кинетическая энергия заторможенных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. В связи с тем, что система броском освобождает накопленную энергию, плотность тока значительно превосходит критические значения. В результате этого от анода отделяется капля расплавленного металла, которая движется к катоду, опережая движущийся анод.

Летящая капля при перемещении в межэлектродном пространстве успевает нагреваться до высокой температуры, закипает и «взрывается». Цепь тока прерывается, сжимающие усилия электромагнитного поля исчезают и частицы разлетаются широким фронтом. Так как

№ 4(4) 2010

перегретая капля и частицы находились в соприкосновении с межэлектродной средой, то по составу и свойствам они отличаются от исходного материала легирующего электрода анода. Расплавленные частицы, достигнув поверхности катода, свариваются с ним и частично внедряются в поверхность. Процесс на этом не заканчивается, поскольку вслед за частицами движется электрод, включенный в систему, уже успевшую вновь накопить энергию. Через раскаленные частицы, лежащие на катоде, происходит второй импульс тока, сопровождающийся механическим ударом движущейся массы анода.

На следующем этапе процесса при механическом контакте электродов частицы свариваются между собой и прогревается тонкий слой поверхности катода, на котором они расположены. При этом помимо диффузии перенесенных частиц в толщину катода под действием электрического тока происходят химические реакции между этими частицами и материалом катода. Механический удар по раскаленной массе материалов проковывает полученное покрытие, чем значительно увеличивает его однородность и плотность. Далее анод движется вверх, а на поверхности катода остается прочно соединенный с ним слой материала анода.

Из приведенной модели процесса электроискрового упрочнения следует, что перенос материала анода происходит с момента пробоя межэлектродного промежутка до соприкосновения его с поверхностью катода; с момента пробоя и до соприкосновения электродов происходят два импульса тока и вещество переносится в плазменном состоянии.

Схема формирования углеродного слоя на коллекторе электрической машины постоянного тока (рисунок 2) работает следующим образом

Якорь ЭМ 2 приводится во вращение электродвигателем 4 через муфту 5, червячный редуктор 6 и ременную передачу 7. Напряжение с генератора импульсов 3 подается на углеродные электроды 1, которые прижаты к коллекторным пластинам с усилием 1Н и закреплены на изолирующей штанге.

Перед началом работы по формированию углеродного слоя коллектор электродвигателя обтачивается, осуществляется продорожка коллекторных пластин. Далее включаются механизм поворота якоря и генератор импульсов. На углеродные электроды подается напряжение от генератора импульсов с определенной частотой, и якорь начинает вращаться. Таким образом и осуществляется процесс формирования углеродного слоя на коллекторе ЭМПТ.

Метод ЭИЛ был апробирован для упрочнения коллекторных пластин двигателя общепромышленного изготовления типа П31 с номинальной мощностью 1,5 кВт, частотой вращения 1500 об/мин, напряжением питания 220 В, с параллельным возбуждением. Предварительно на поверхности коллектора была наработана политура и снята безыскровая зона. Расположение ветвей безыскровой зоны (рисунок 3, а) характеризует некоторое превышение реактивной ЭДС над коммутирующей, т. е. коммутация носит замедленный характер. Кривые токов подпитки и отпитки пересекаются при токе нагрузки, равном 1,75 /н.

После испытаний коллектор был вновь прошлифован, т. е. была снята политура и проведено электроискровое легирование по схеме рисунка 2. Безыскровая зона, снятая после обработки коллектора ЭИЛ дала поразительные результаты (рисунок 3, б). Увеличение тока нагрузки не вызывало сужения кривых подпитки - отпитки, а, наоборот, они расширялись и

Рисунок 2 — Схема формирования углеродного слоя на коллекторе электрической машины постоянного тока

ю ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^

при токе нагрузки, равном 2 /„ токи подпитки и отпитки, превышающие 2 /н, не вызывали искрения щеток. Дальнейшее увеличение токов нагрузки и подпитки в связи с опасностью перегрева обмоток добавочных полюсов было приостановлено.

Такое расположение безыскровых зон (см. рисунок 3, б) объясняется тем, что в процессе обработки коллекторных пластин ЭИЛ произошло науглероживание их материалом щеток. Поверхностный слой коллекторных пластин приобрел новые свойства и приблизился по свойствам к угольно-графитному коллектору. Физическую сущность защиты меди углеродной плазмой и способ ее нанесения предложил автор патента [7]. Как показано в работе [7], при нанесении углеродной пленки толщиной 10 мкм температура на поверхности меди понижается в пять раз. Этим обстоятельством можно объяснить расширение безыскровой зоны.

Таким образом, данный метод, как более перспективный, можно рекомендовать для осаждения углерода и повышения твердости поверхности коллекторных пластин ТЭД. Метод ЭИЛ позволит повысить надежность работы КЩУ ТЭД, получить высокие эксплуатационные свойства в поверхностных слоях за счет науглероживания коллекторных пластин материалом рабочих щеток, улучшить коммутационные свойства, повысить ресурс работы тягового электродвигателя и подвижного состава в целом.

Список литературы

1. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава. ЦТ-ЦТВР/4782. М., 1992.-296 с.

2. Правила текущего ремонта и технического обслуживания электровозов переменного тока. МПС РФ. ЦТ-635.М., 1999.-404 с.

3. Бровер, А. В. Влияние поверхностной термообработки с использованием концентрированных потоков энергии на конструкционную прочность стали [Текст] / А. В. Бровер // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - № 10. - С. 22 - 27.

4. Маслов, Л. Н. Влияние пластичности стали, упрочненной высокотемпературной термомеханической обработкой, на интенсивность абразивного изнашивания [Текст] / Л. Н. Маслов, О. И. Шаврин // Трение и износ. - 2005. - Т. 26. - № 6. - С. 613 - 621.

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. Электроискровой способ изменения исходных свойств металлических поверхностей [Текст] / Б. Р. Лазаренко, Н. И. Лазаренко / АН СССР. - М., 1958. - 177 с.

7. Патент 1Ш №2008698 С1. Способ нанесения защитного покрытия на рельсы электромагнитного ускорителя / Колесников В. А. Заявлено 21.05.1990; Опубл. 28.02.1994, Бюл. № 4. - 4 е.: ил.

Рисунок 3 - Безыскровые зоны: а - при нормальной политуре; б - после обработки коллектора ЭИЛ