Надежность коллекторно-щеточного узла

Анализ работы коллекторно-щеточного узла. Работоспособность и долговечность коллекторного узла определяется воздействием трех групп основных факторов, связанных с электромагнитными процессами, механическими воздействиями и физико-химической природой скользящего контакта.

К факторам электромагнитного характера относятся электромагнитные нагрузки, напряжения между смежными пластинами, реактивная ЭДС, токовые перегрузки и др.

Факторы механического воздействия определяются технологическими и конструктивными особенностями машины (ослабление прессовки, эксцентриситет и эллиптичность коллектора, уровень вибрации всей машины или агрегата, частота вращения ротора).

Факторы физико-химической природы скользящего контакта определяются условиями токосъема и состоянием окружающей среды (износ щеток и коллектора, нажатие на щетку, материал коллектора, температура, влажность, кислотность и запыленность окружающей среды). Следует упомянуть об образовании контактной пленки на поверхности коллектора. Наличие пленки снижает скорость износа коллектора и способствует более благоприятному распределению тока под щетками. Влага, наличие в среде активных газов и особенно запыленность оказывают разрушающее воздействие на материал коллектора. Кроме того, большое число повреждений коллекторов вызывается трением щеток о коллектор и высокими плотностями токов под щетками при их неплотном прилегании к коллектору, что сопровождается значительным повышением температуры (местный перегрев отдельных участков). В результате этого наступает термическая ионизация щеточных контактов. Размыкание и замыкание контактных точек на поверхности коллектора с образованием малых электрических дуг приводят к разрушению поверхности коллектора.

Наиболее эффективными средствами уменьшения износа коллектора являются: улучшение условий коммутации машины путем правильной настройки добавочных полюсов, подбор марки и размера щеток для данной мощности и напряжения машины, снижение окружной скорости коллектора и выбор оптимального давления щетки на коллектор. Существенной является также тщательная балансировка якоря для снижения вибраций на коллекторе.

Данные эксплуатации и экспериментов показывают, что износ коллекторов при непрерывной работе машины обычно находится в пределах 0,03… 2 мм в год. Например, для коллекторов, изготовленных из меди Ml, он составляет 0,36 мм при использовании щеток марки 611 М и 0,2 мм при использовании щеток марки ЭГ-74К за 10 000 ч работы.

Совместный анализ физических факторов, воздействующих на коллекторный узел, и статистических данных, получаемых в результате испытаний, экспериментов и эксплуатации машин постоянного тока, позволяет решать задачи создания математических моделей надежности коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока.

Модели надежности коллекторно-щеточного узла. Математическая модель надежности — это определенное математическое выражение, связывающее значения физических параметров системы, действующих нагрузок и вероятности безотказной работы системы или иных показателей надежности.

Любая математическая модель является лишь некоторым приближением к исследуемому объекту. Процесс разработки математической модели заключается не только в теоретической разработке какой-либо гипотезы, но и в постоянной проверке соответствия принятой гипотезы и имеющихся статистических данных, получаемых в результате опыта.

Вначале решается задача по определению закона распределения отказов. С этой целью строятся гистограммы распределения и делается предположение о законе распределения. Дальнейшая проверка соответствия теоретического и экспериментального распределения позволяет уточнить закон распределения. Так, установлено, что для большинства машин износ щеток описывается с достаточной степенью точности нормальным или логарифмически-нормальным законами. В дальнейшем полученные зависимости используются для оценки надежности как испытуемых машин, так и для вновь проектируемых. При сокращенных по времени испытаниях закон распределения позволяет оценить надежность за любое время.

В некоторых случаях надежность коллекторно-щеточного узла определяется только износом коллектора.

В качестве примера приведем данные по машинам постоянного тока типа П22М, для которых преобладает электроискровой износ. Уровень искрения оценивается длительностью т_д горения.

Рис. 11.1. Зависимость уровня искрения И от длительности горения дуги для щеток ЭГ-74 (/), ЭГ-4 и ЭГ-63 (Д ЭГ-14 (J).

(мкс) искровых разрядов между щеткой и коллекторной пластиной. Зависимость уровня искрения от длительности горения дуги для щеток ЭГ-74 (1), ЭГ-4 и ЭГ-63 (2), ЭГ-14 (3)) показана на рис. 11.1. Наработка на отказ в этом случае определяется временем работы машины до момента прогорания ламелей на один паз по всей ширине. Считая, что скорость износа, а (мм/ч) пропорциональна числу искровых разрядов в единицу времени (частота вращения якоря и, об/мин), обратно пропорциональна суммарной длине сбегающего края щеток /_щ (см) вдоль оси коллектора, а запас энергии в дуге обратно пропорционален индуктивности разрываемого контура L_p (Гн), получим.

На скорость износа коллекторов, а влияет большое количество разнородных по своей природе случайных факторов, поэтому распределение а считается нормальным. Используя закон нормального распределения величины износа, определяют вероятность безотказной работы коллектора в функции времени и уровня искрения. Наработка отдельных машин до отказа достигает более 25 000 ч, причем выявлена зависимость срока службы от температуры, окружной скорости, вибрации и марки применяемых щеток.

Рассмотрим модель надежности коллекторного узла электрических машин постоянного тока, конструктивно встроенных в электромашинные преобразователи постоянного тока в переменный. В результате многочисленных экспериментов было установлено наличие корреляции между наработкой коллекторного узла у и биением коллектора х.

где х, у — средние арифметические значения параметров биения и наработки коллекторного узла; г —коэффициент корреляции; а_х, <�з_у — средние квадратические отклонения параметров биения и наработки коллекторного узла. Указанные параметры и отклонения определяются по формулам.

где А_х, А_у — значения биения и наработки коллектора, имеющие наибольшую частоту отказов; h_x, h_y — интервалы времени для измерения параметров биения и наработки; Дх, Ау — приведенные значения биения коллектора и его наработки. Значения Дх и Ду рассчитываются по формулам.

Коэффициент корреляции г между параметрами х и у определяется из выражения.

В результате вычислений по формулам (11.4)—(11.7) получаем иной вид выражения (11.3):

где В и к — соответствующие константы для определенного типа коллекторов.

Если в выражение (11.8) подставить значение предельно допустимой величины биения, то найдем среднюю наработку до отказа коллекторного узла.

Мощным инструментом при построении моделей надежности как коллекторных, так и иных узлов электрических машин являются методы теории планирования эксперимента. Наиболее часто применяется полный факторный эксперимент, при котором объект подвергается воздействию определенных факторов и фиксируется реакция объекта на данное воздействие. После математической обработки результатов получается модель надежности исследуемого узла машины (обычно в виде полиномов) в функции от интересующих нас параметров — воздействующих факторов.

С помощью методов теории планирования экспериментов было определено время безотказной работы (t_p) коллекторного узла в электромашинных преобразователях при изменении температуры 0 (°С), вибрации (двойная амплитуда вибрации — 2А) и ча;

Рис. 11.2. Номограмма для определения времени безотказной работы коллекторного узла при различных условиях эксплуатации:

1 — частота вращения 4000 об/мин; 2 — частота вращения 3500 об/мин; 3 — частота вращения 3 000 об/мин слоты вращения ротора п. Для получения этой зависимости был проведен дробный факторный эксперимент типа 2³Л Интервалы варьирования факторов следующие: температура менялась от 20 до 100 °C, вибрация — 20…80 мкм, частота вращения — от 3000… 4000 об/мин. За нижний уровень диапазона варьирования взяты параметры номинального режима. В результате обработки результатов получена интерполяционная формула.

По этой формуле построена номограмма для определения времени безотказной работы коллекторного узла при различных условиях эксплуатации (рис. 11.2). По этой номограмме можно определить время безотказной работы коллекторного узла при различных условиях работы машины, а на этапе проектирования машины оценить ресурс коллекторного узла и провести экономическое обоснование различных показателей.