Технические науки/4. Транспорт

Ступаков С. А., Филиппов В. М., Томилов В. В.

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

К вопросу исследования влияния температурных процессов на изнашивание контактных пар устройств токосъема электрического транспорта

Создание высокоскоростного электрического транспорта является одним из путей повышения провозной и пропускной способности железнодорожных магистралей. Для обеспечения бесперебойной работы электроподвижного состава нового поколения необходимо создание устройств токосъема, которые должны отвечать требованиям надежной и качественной передачи электроэнергии, а также отличаться от существующих повышенным сроком службы.

В связи с этим при проектировании устройств токосъема необходимо учитывать возможные параметры их эксплуатации и факторы, влияющие на качество токосъема. Контактная пара устройства токосъема обеспечивает передачу подвижному составу тягового тока, что вызывает усиленный электромеханический износ ее элементов. Одним из факторов, существенно ускоряющих процесс изнашивания элементов контактной пары, является термическое действие электрического тока.

В рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» (договор № 13.G25.31.0034 от «07» сентября 2010 г.), реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, выполнялись экспериментальные исследования созданного образца магистрального токоприемника для высокоскоростного подвижного состава. Один из пунктов методики исследований посвящен электромеханическому изнашиванию контактных вставок (КВ) токоприемника.

Однако реализация методики экспериментальных исследований изнашивания требует значительных затрат времени и ресурсов. Для сокращения объема экспериментальных исследований создана математическая модель, позволяющая выполнять оценку влияния на износ КВ параметров эксплуатации (в т. ч. термического действия электрического тока), а также факторов окружающей среды.

Формирование математической модели выполнялось по двум направлениям [1]: модель механического изнашивания КВ (от контактного нажатия) и модель электрического изнашивания (от электрического тока). Созданная модель позволяет учитывать влияние на электромеханический износ контактных элементов электроэрозии, изменения физико-механических свойств материалов контактной пары, а также шероховатости поверхностей элементов [2]. Входными данными для моделирования являются сведения о физико-механических и химических свойствах материалов, о геометрических размерах и форме элементов, а также об условиях эксплуатации устройств токосъема.

Функциональная зависимость между механической составляющей I_М модели изнашивания и факторами модели описана в работе [3] и имеет вид:

(1)

где P – контактное нажатие; υ – скорость скольжения; t – время испытаний;
r – характерный линейный размер; Cu – содержание меди в элементе контактной пары; Н₁/Н₂ – безразмерный симплекс (отношение твердостей); ₁ – теплопроводность материала контактного элемента; с₂ – удельная теплоемкость токопровода.

Анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных при различных параметрах окружающей среды, подтвердил необходимость внесения в модель критериев, учитывающих состояние окружающей среды – влажности и запыленности, а также критерия, учитывающего влияния силы трения в скользящем контакте. Кроме этого, необходимо учитывать влияние температуры элементов контактной пары на фактическую площадь контакта и на их твердость.

В уравнении (1) в соответствии с положениями теории подобия в соответствующие критерии были объединены следующие факторы:

– контактное нажатие, удельная теплоемкость, теплопроводность;

– скорость скольжения, время испытания.

В качестве симплексов использованы твердости элементов пары трения, содержание меди в материале элемента пары, влажность и запыленность окружающей среды.

Согласно -теоремы число безразмерных комбинаций комплексов и симплексов равно разности между количеством физических величин и основных единиц размерности, т. е. k = Ф – n = 11 – 4 = 7. Таким образом, получено уравнение (2):

, (2)

где а₀ – постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; _m, _m, _m, _m , _m , _m – коэффициенты, определяемые экспериментально; Ptc₂/(r²) – комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента – передавать тепло); с₂ – удельная теплоемкость токопровода; υt/r – отношение пути трения к коэффициенту поверхности контактного элемента; – коэффициент влияния температурного градиента на интенсивность изнашивания (a, b – экспериментальные коэффициенты,  – критерии, характеризующие тепловые процессы при взаимодействии элементов контактной пары); – градиент температуры элемента контактной пары по нормали z к его поверхности; Т_n – температура n-го тела; Т_i – температура i-го тела; – критерий Мейера (pυ – мощность трения (с учетом коэффициента распределения тепловых потоков), f_т – коэффициент трения); – отношение среднего значения относительной влажности окружающей среды за пять лет к значению относительной влажности на момент исследований, – отношение среднего значения запыленности окружающей среды за пять лет к значению ее запыленности на момент исследований.

Тепловые процессы в элементах контактной пары устройства токосъема описываются математически системой дифференциальных уравнений Пуассона в частных производных. Тепловое состояние n-го тела описывается следующим дифференциальным уравнением теплового баланса [4]:

, (3)

где с_n – теплоемкость n-го тела;

n – количество тел, связанных в тепловом отношении с телом n;

Λ_in – теплоотдача от i-го тела к n-му телу;

– потери мощности n-го тела от протекания электрического тока;

t – время.

Для КВ изменение теплоемкости в переходном процессе при движении подвижного состава описывается формулой:

, (4)

где ; α – коэффициент теплоотдачи, ; – скорость встречного воздушного потока; v – скорость относительного перемещения контактного провода и контактной вставке по горизонтали, перпендикулярно оси пути; m₁, m₂ – коэффициенты, определяемые экспериментально. В уравнении (4) приняты следующие обозначения: 1 – КВ (КЭ), 3 – полоз токоприемника, в – воздушный поток.

Изнашивание контактных пар устройств токосъема от воздействия электрического тока можно представить с помощью функциональной зависимости между такими факторами как дугостойкость материала; количество электричества, прошедшее через дугу; длина пути трения; контактное нажатие; комплекс, учитывающий изменение шероховатости поверхностей; комплекс, учитывающий износ при токовой нагрузке без искрения [5]:

(5)

где – коэффициент дугостойкости материала, зависящий от рода тока, времени его протекания через контакт и полярности элемента контактной пары; Q – количество электричества, которое определяется средним значением тока дуги I, количеством искрений n и временем горения t; s – длина пути трения; P – контактное нажатие; g – коэффициент, характеризующий изнашивание материала вследствие повышения шероховатости поверхностей; W₀ – коэффициент износа от механической нагрузки (без тока); W₁ – коэффициент износа при токовой нагрузке без искрения; j – плотность тока.

Взаимодействие элементов контактной пары представляет собой динамический процесс, при котором возможны кратковременные потери контакта. Это приводит к возникновению дуги между элементами, термическое действие которой приводит к увеличению интенсивности изнашивания – возникает испарение материала с поверхностей контакта и увеличивается их шероховатость. Процесс изнашивания контактных пар при протекании через контакт электрического тока заключается во фриттинге пленок поверхностей и электролизе. При этом изменение шероховатости поверхностей является функцией Q/s.

Окончательно с учетом влияния температуры элемента контактной пары от токовой нагрузки и параметров внешней среды запишем уравнение для определения электрической составляющей износа I_E:

(6)

где – критерий Био; – перепад температуры по толщине контактного элемента; – температурный напор (разности температур материала КЭ и окружающей среды); – интенсивность электроэрозионного износа, нелинейно зависящая от дугостойкости материала с учетом температурного градиента элемента контактной пары; – масштабные коэффициенты; – комплекс, , – симплексы (см. уравнение (4); k₁ – функционал, прямо пропорциональный по модулю величине контактного нажатия и логарифмически зависящий от рода тока и поляризации КЭ; k₂ – функционал, обратно пропорциональный величине контактного нажатия и логарифмически зависящий от рода тока и поляризации КЭ; k₃ – критерий, учитывающий род тока (переменный или постоянный) и полярность контактного элемента (анодно- или катоднополяризованный); k₄ – критерий, учитывающий содержание графита в материале; – функционал, характеризующий состояние окружающей среды (температуру, влажность, запыленность); – критерий Фурье ( – коэффициент температуропроводности, t_i – время изменения внешних условий), устанавливающий соответствие между темпом изменения условий в окружающей среде и темпом перестройки температурного поля внутри элемента контактной пары).

Таким образом, с учетом уравнений (2) и (6) можно получить итоговую зависимость изнашивания контактных пар с учетов влияния температуры:

(7)

На основании уравнения (7) можно построить зависимости величины износа от контактного нажатия и температуры. На рис. 1 приведена такая зависимость для металлокерамических вставок на железной основе ВЖ3П.

Рис. 1. Зависимость величины износа от контактного нажатия
и температуры для КВ ВЖ3П

Литература:

1. Мышкин Н. К. Электрические контакты / Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц,
М. Браунович. Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. 560 с.

2. Кончиц В. В. Триботехника электрических контактов / В. В. Кончиц,
В. В. Мешков, Н. К. Мышкин. Минск: Нука и техника, 1986. 255 с.

3. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. – М.: Машиностроение, 1982. 191 с.

4. Григорьев В. Л. Тепловые процессы в устройствах тягового электроснабжения: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. /
В. Л. Григорьев, В.В. Игнатьев. М.: Изд-во ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 182 с.

5. Хольм Р. Электрические контакты / Р. Хольм. М.: Иностранная литература, 1961. 480 с.