Технические науки/4. Транспорт

Филиппов В. М., Ступаков С. А., Охрименко Т. В., Фролова О.П.

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

Исследования изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта

В настоящее время проблема надежности и экономичности токосъема электрического транспорта остро проявляется в условиях создания в России высокоскоростных магистралей. В свете этой проблемы при разработке новых или совершенствовании существующих устройств токосъема наряду с надежностью и экономичностью к ним предъявляется требование увеличения срока службы, которое может быть выполнено различными способами, в т. ч. путем выбора материалов контактной пары, наиболее полно отвечающих критериям качества токосъема [1].

В рамках решения задачи обеспечения качественного токосъема был выполнен комплекс исследований по выбору оптимальных сочетаний материалов контактных пар устройств токосъема монорельсового и магистрального электрического транспорта. Основным критерием оптимальности был принят минимальный износ элементов.

В исследованиях контактных пар токоприемника монорельсового и магистрального транспорта использованы следующие материалы: ПМГ (медно-графитовый композит, изготовленный способом порошковой металлургии); бронза (БрОЦС 5-5-5); сталь (конструкционная сталь Ст. 5); графит; металлокерамика (металлокерамические накладки на медной (МКМ) и железной (МКЖ) основах).

Фрикционное взаимодействие элементов трибосистемы «контактный элемент – токопровод» представляет собой нелинейный процесс, который определяется большим количеством взаимосвязанных факторов – как внутренних (физико-химические свойства материалов пары трения), так и внешних (динамические нагрузки, наличие электрического тока в контакте, параметры внешней среды и др.).

Методика исследований изнашивания элементов контактной пары предполагает варьирование следующих параметров: контактного нажатия; скорости относительного движения элементов пары трения; рода и силы протекающего электрического тока в контакте, а также его полярности; параметров окружающей среды (влажности, запыленности, температуры) и др.

Для каждого сочетания материалов контактной пары выполнялись последовательные исследования износа материалов: от контактного нажатия (трибосовместимость, задиростойкость и износостойкость); от токовой нагрузки (переменный ток, постоянный ток при анодной и катодной поляризации КЭ); от внешних параметров (запыленности, влажности, температуры, и др.) при протекании тока в контакте.

Экспериментальные исследования выполнялись на специализированной установке [2]. Для реализации методики исследований конструкция установки предусматривает использование различных модулей: для исследования силы трения в скользящем контакте, для исследования износа при высоких или низких температурах, для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон токопровода и др. Кроме этого, установка дополняется внешними модулями – аэродинамическим и модулем токовой нагрузки. Выполнена статистическая обработка результатов эксперимента, значения критериев приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетные значения критериев

ПМГ		Бронза		Сталь		Металлокерамика
Расчетные значения критерия Фишера Fср расч (Fтабл = 2,14)
1,87		1,65		2,01		1,78
Расчетные значения критерия Стьюдента tср расч (tтабл = 1,97)
1,61		1,48		1,12		1,47
Расчетные значения критерия Пирсона
6,8432	7,8147	3,7061	3,8415	5,6149	5,9915	4,3285	5,9915

По результатам экспериментальных исследований построены зависимости электромеханического изнашивания КЭ (рис. 1) и КВ (рис. 2). На рис. 1 и 2 приняты обозначения: Р – контактное нажатие, Н; I_h – интенсивность изнашивания, мкм/км.

Рис. 1. Среднеквадратические значения износа КЭ:

1 – графит; 2 – ПМГ; 3 – бронза; 4 – металлокерамика; 5 – сталь

Рис. 2. Среднеквадратические значения износа КВ:

1 – графит; 2 – МКМ; 3 – МКЖ

Реализация методики экспериментальных исследований изнашивания элементов контактных пар устройств токосъема требует наличия специализированных экспериментальных комплексов, а также значительных затрат времени и ресурсов. Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован комбинированный способ – совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема. В соответствии с этим необходимый объем экспериментальных исследований выполняется с помощью специализированных комплексов, а полученные результаты служат входными данными для дальнейшего выполнения расчетов и прогнозирования ресурсов элементов контактных пар.

Контактная пара устройства токосъема электрического транспорта представляет собой узел, функционирующий в условиях электромеханического изнашивания. Формирование математических моделей выполнялось по двум направлениям [3]: модель изнашивания от контактного нажатия и модель изнашивания от протекания электрического тока, учитывающая дополнительный электромеханический износ контактных элементов от электроэрозии, изменения шероховатости и физико-механических свойств материалов [4].

Входными данными для моделирования являются сведения о физико-механических и химических свойствах материалов элементов контактных пар устройств токосъема, о геометрических размерах и форме элементов, а также об условиях эксплуатации устройств токосъема.

Для каждой контактной пары выполняются экспериментальные исследования при граничных значениях диапазона варьирования входных параметров (контактного нажатия, скорости скольжения, плотности тока и др.). Построение итоговых зависимостей изнашивания выполняется на основании результатов расчета. Для уточнения диапазона, характеризующегося минимальным износом, могут быть выполнены дополнительные экспериментальные исследования.

Уравнение для решения задачи об оптимальных условиях механического изнашивания при поиске области оптимума приведено в работе [5] Э. Д. Брауна, Ю. А. Евдокимова, А. В. Чичинадзе. В этом уравнении на основании положений теории подобия в соответствующие критерии были объединены следующие факторы: контактное нажатие, удельная теплоемкость, теплопроводность; скорость скольжения, время испытания.

В качестве симплексов для случая исследования контактных пар устройств токосъема использованы твердости элементов пары трения и содержание меди в материале элемента пары. Параметром оптимизации принят массовый износ I_М.

Функциональная зависимость между I_М и факторами модели имеет вид:

(1)

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

Для каждого фактора в уравнении (1) определены показатели степени, а затем факторы с одинаковыми степенями объединены в комплексы. Представим функцию (1) как сплошной ряд, рассматривая только первый его член:

(2)

где а₀ – постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; _m, _m, _m, _m – коэффициенты, определяемые экспериментально; Ptc₂ / (r²) – комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента – передавать тепло); υt / r– отношение пути трения к коэффициенту поверхности контактного элемента.

Введем обозначения:

(3)

где Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ – независимые переменные (факторы).

Однако анализ результатов экспериментальных исследований, выполненных при различных параметрах окружающей среды, подтвердил необходимость внесения в модель критериев, учитывающих состояние окружающей среды – влажность и запыленность. Кроме этого, необходимо учитывать влияние температуры элементов контактной пары на фактическую площадь контакта и на их твердость. В связи с этим перепишем уравнение (3):

(4)

где – 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; – 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.

После обработки экспериментальных данных получены значения коэффициентов уравнения (4). На рис. 3 приведены номограммы для определения коэффициентов модели а₀ и _m (а, в – для модели контактной пары токоприемника монорельсового транспорта; б, г – для модели контактной пары токоприемника магистрального транспорта).

Рис. 3. Номограммы для определения коэффициентов модели (см. уравнение 5):

а, б – коэффициент а₀; в, г – коэффициент _m

На рис. 3 приняты следующие обозначения материалов КЭ: 1 – металлокерамика на основе железа; 2 – графит.

Коэффициенты _m, _m и _m от давления не зависят, их значения определяются условиями проведения эксперимента, физико-механическими характеристиками элементов контактной пары и являются почти постоянными.

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; нажатие в контакте; комплекс, учитывающий изменение шероховатости поверхностей; комплекс, учитывающий износ при токовой нагрузке без искрения:

(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; Р – 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.

Подробное описание процессов при возникновении дуги и изменении шероховатости поверхностей описано в работе [6] Р. Хольма.

Анализ результатов экспериментальных исследований электромеханического изнашивания элементов контактной пары позволил выполнить преобразование уравнения (5) к форме, приведенной в работе [7]. Окончательно с учетом влияния температуры элемента контактной пары от токовой нагрузки и параметров внешней среды запишем уравнение для определения электрической составляющей износа I_E:

где – 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 катодно-поляризованный);

k₄ – критерий, учитывающий содержание графита в материале;

– функционал, характеризующий состояние окружающей среды (температуру, влажность, запыленность);

– критерий Фурье (а_i – 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).

Определению фактической площади контакта посвящены работы [8, 9] К. Кнота, А. Тейлера, Н. Б. Демкина и др. На основе анализа работ указанных авторов получена формула расчета фактической (электропроводящей) площади контакта A_r:

где P_ст – статическое контактное нажатие в данный момент времени.

На рис. 4 приведены номограммы для определения функционалов модели k₁ и k₂ (рис. 4, а, б – для модели контактной пары токоприемника монорельсового транспорта; рис. 4, в, г – для модели контактной пары токоприемника магистрального транспорта); значение коэффициента k₄ почти постоянно. На рис. 4 приняты следующие обозначения материалов КЭ: 1 – графит; 2 – металлокерамика на основе железа.

Рис. 4. Номограммы для определения функционалов модели (см. уравнение 10):
а, в – функционал k₁; б, г – функционал k₂

На рис. 5 показаны графики (расчет и эксперимент) электромеханического изнашивания КЭ (рис. 5, а, в) и КВ (рис. 5, б, г); приняты следующие обозначения: 1 – механический износ (расчет); 2 – электрический износ (расчет); 3 – суммарная расчетная зависимость электромеханического износа; 4 – электромеханический износ (экспериментальные данные).

Рис. 5. Графики изнашивания КЭ и КВ (расчет и эксперимент):

а, б – графит; в, г – металлокерамика на железной основе

Сравнение U-образных кривых изнашивания КВ (рис. 5) показывает, что отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет не более 6%.

Таким образом, использование разработанных моделей позволяет выполнить эксперимент только для граничных значений диапазона нажатия в контакте, а полученные данные использовать в качестве входных значений для расчетов зависимостей изнашивания на математической модели. В случае необходимости уточнения границ диапазона, характеризующегося минимальными значениями износа элементов контактной пары, может быть выполнен дополнительный эксперимент.

Выводы:

1) разработана математическая модель электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта;

2) отклонение расчетных и экспериментальных данных изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта составляет не более 6%.

Литература:

1. Сидоров О. А. Методы исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта: Монография / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков. Омск, 2009. 155 с.

2. Сидоров О.А. Патент на полезную модель № 82638. МПК B 60 L 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта / О.А. Сидоров, С.А. Ступаков, А.Н. Кутькин, В.М. Филиппов. / Заявл. 15.12.2008. Опубл. 10.05.2009. Бюл. № 13. 2009.

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

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

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

6. Хольм Р. Электрические контакты. – М.: Иностранная литература, 1961. 480 с.

7. Ступаков С.А., Филиппов В. М., Охрименко Т. В. Математическое моделирование износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта. – Новосибирск. Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. №1. 2011. С. 240 – 243.

8. Кnothe К. Normal and tangential contact problem with rough surface / K. Кnothe, А. Theiler/ Proceeding of the 2nd mini conference on contact mechanics and wear of railway systems. Budapest, 1996. P. 34 – 43.

9. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 228 с.