Разработка физической модели для исследования процессов изнашивания элементов скользящего контакта. Разработка математической модели линейного износа щеток коллекторно-щеточного узла в виде квадратичного полинома и оптимизация процесса изнашивания.
Аннотация к работе
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВРабота выполнена на кафедрах «Теоретическая механика» и «Электрические машины» Государственного учреждения высшего профессионального образования «Ростовского государственного университета путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации» РАН, доктор технических наук, профессор Колесников Владимир Иванович, Научный консультант - доктор технических наук, профессор Соломин Владимир Александрович Защита диссертации состоится «__» февраля 2003 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета путей сообщенияЦелью диссертационной работы является установление общих теоретических и экспериментальных закономерностей влияния плотности электрического тока, линейной скорости коллектора и удельной нагрузки в контакте на электромеханические и фрикционные характеристики щеток, содержащих электропроводящие углеродные нити, исследование процессов изнашивания контактных элементов КЩУ тяговой электрической машины электровоза переменного тока, а также разработка на этой основе новой конструкции щеток КЩУ. Многофакторное исследование процессов трения и изнашивания контактных поверхностей КЩУ ТЭД и оптимизации функции отклика (линейного износа щеток) осуществлялось с применением методов математического планирования эксперимента и крутого восхождения, а статистическая обработка факторов - методом ранговой корреляции. изнашивание скользящий контакт щетка Научная новизна: - с помощью метода планирования эксперимента получена математическая модель линейного износа щеток в виде уравнения регрессии, а также установлена зависимость износа от наиболее существенных факторов - плотности электрического тока, линейной скорости скольжения щеток по коллектору и удельной нагрузке в контакте; при помощи метода крутого восхождения определено оптимальное сочетание входных факторов х1, х2 и х3 (плотности электрического тока под щеткой, скорости скольжения щеток по коллектору и удельной нагрузки в контакте), а также выявлены области значений первых двух (), в пределах которых линейный износ и искрение (коммутация) достигают минимальной величины. разработана новая конструкция щетки, подтвержденная патентом Российской Федерации на изобретение, исследование которой позволило установить, что применение токопроводящих углеродистых нитей со смазкой СЭМ-1 приводит к улучшению коммутации и снижению линейного износа электрощеток.При выполнении исследований получен ряд новых научных результатов, использование которых позволит улучшить работу коллекторно-щеточных узлов тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего токов. На основе анализа современных теоретических представлений и экспериментальных данных в области исследования ТСК с использованием метода ранговой корреляции установлено, что существенными факторами, влияющими на физические процессы в зоне контакта КЩУ ТЭД, являются плотность электрического тока, скорость скольжения щеток по коллектору, удельная нагрузка в контакте, содержание агрессивных веществ в окружающем воздухе, удельное сопротивление политуры. С помощью математических методов моделирования и планирования эксперимента получено критериальное уравнение, позволившее установить зависимость линейного износа от электромеханических, эксплуатационных и триботехнических параметров, перенести полученные на «модели» данные испытаний на «натурный» образец с помощью масштабных коэффициентов пересчета, а также при сокращении времени эксперимента получить достоверные результаты исследований. В результате анализа получено уравнение регрессии и его геометрическая интерпретация, позволившее установить зависимость линейного износа от плотности электрического тока (j), удельной нагрузки (р) и линейной скорости скольжения щеток по коллектору (?), причем первые два фактора являются более определяющими для процессов изнашивания и коммутации. Аналитическим путем с использованием метода крутого восхождения получено оптимальное сочетание входных факторов х1 и х2 (плотности электрического тока и линейной скорости скольжения щеток по коллектору), а также выявлены области их значений (), при которых линейный (Ілм = 0,027мм) износ и искрение (коммутация) достигают минимальной величины, что дает возможность выбрать машинисту рациональные режимы управления ТЭД НБ-418К при эксплуатации локомотивов.
Вывод
Результатом диссертационной работы является решение актуальной для железнодорожного транспорта научно-технической задачи повышения эффективности эксплуатации тяговых двигателей с новым типом электрощеток. При выполнении исследований получен ряд новых научных результатов, использование которых позволит улучшить работу коллекторно-щеточных узлов тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего токов.
1. На основе анализа современных теоретических представлений и экспериментальных данных в области исследования ТСК с использованием метода ранговой корреляции установлено, что существенными факторами, влияющими на физические процессы в зоне контакта КЩУ ТЭД, являются плотность электрического тока, скорость скольжения щеток по коллектору, удельная нагрузка в контакте, содержание агрессивных веществ в окружающем воздухе, удельное сопротивление политуры.
2. С помощью математических методов моделирования и планирования эксперимента получено критериальное уравнение, позволившее установить зависимость линейного износа от электромеханических, эксплуатационных и триботехнических параметров, перенести полученные на «модели» данные испытаний на «натурный» образец с помощью масштабных коэффициентов пересчета, а также при сокращении времени эксперимента получить достоверные результаты исследований.
3. На основании методики физического моделирования был разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволяющий воспроизводить характеристики и физические процессы КЩУ как у реальной электрической машины.
4. Разработана математическая модель КЩУ ТЭМ в виде уравнения регрессии, позволившая установить минимальное значение линейного износа щеток и наименьший уровень искрения при работе ТЭД при соответствующих входных электрических и нагрузочно-скоростных варьируемых параметрах.
5. В результате анализа получено уравнение регрессии и его геометрическая интерпретация, позволившее установить зависимость линейного износа от плотности электрического тока (j), удельной нагрузки (р) и линейной скорости скольжения щеток по коллектору (?), причем первые два фактора являются более определяющими для процессов изнашивания и коммутации.
6. Аналитическим путем с использованием метода крутого восхождения получено оптимальное сочетание входных факторов х1 и х2 (плотности электрического тока и линейной скорости скольжения щеток по коллектору), а также выявлены области их значений ( ), при которых линейный (Ілм = 0,027мм) износ и искрение (коммутация) достигают минимальной величины, что дает возможность выбрать машинисту рациональные режимы управления ТЭД НБ-418К при эксплуатации локомотивов.
7. Экспериментальным путем установлено, что применение щеток новой конструкции позволит улучшить коммутацию тяговой электрической машины на один класс. Результаты подтверждены на «натурных» испытаниях.
8. С учетом установленных закономерностей влияния плотности тока, линейной скорости и нагрузки на износ и искрение щеток в ТЭД электровозов сформулированы обобщенные рекомендации по конструированию щеток нового типа. На этой основе разработана новая конструкция щетки для ТЭД постоянного и пульсирующего токов, защищенная патентом РФ на изобретение, отличающаяся тем, что в продольном разрезе щетки размещена смазка СЭМ-1 и электропроводящие углеродистые нити.
9. Применение щеток новой конструкции позволило повысить коэффициент полезного действия тяговых электродвигателей НБ-418К на 0,3 % и обеспечило годовую экономию электрической энергии одним грузовым электровозом в размере 38 тыс. рублей.
Основные положения диссертации опубликованы в работах
1. Колесников В. И, Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Определение ведущих факторов, влияющих на трение и износ коллекторно-щеточного узла тяговых электрических машин методом ранговой корреляции // Вестник РГУПСА, 2000, № 1. С. 27- 30.
2. Соломин В. А., Трубицина Н. А. Усовершенствованное устройство токосъема для тяговой электрической машины // Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте. Межвуз. сб. науч. тр. с междунар. участием под ред. В. Н. Яковлева / Самара СИИЖТ, Вып. № 23, 2002. С. 36 - 38.
3. Колесников В. И., Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Пути повышения износостойкости токопроводящих трибосистем подвижного состава // Вопросы конструкции, динамики, надежности и технической диагностики систем подвижного состава. Межвуз. сб. науч. тр. под ред. В. Н. Кашникова / Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000. С. 125 - 127.
4. Чернявская (Трубицина) Н. А. Основные факторы, влияющие на износостойкость токопроводящих трибосистем тяговых двигателей // Материалы 58 - й науч. конф. проф.- препод. состава / Ростов - на - Дону, РГУПС, 1999. С. 116.
5. Колесников В. И., Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Плакирование поверхности коллектора тягового электродвигателя при помощи электропроводящей смазки зоны трения // Тез. докл. междунар. науч. техн. конф. ААИ / Москва, МАМИ, 1999. С. 39 - 41.
6. Колесников В. И., Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Анализ факторов, влияющих на износостойкость токопроводящих скользящих контактов. Ростов-на-Дону, 1999. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 12.07.99, № 5, б/о, 56 с.
7. Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Совершенствование конструкции токопроводящих скользящих контактов тяговой электрической машины. Ростов-на-Дону, 1999. Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 12.07.99, № 5, б/о, 56 с.
8. Чернявская (Трубицина) Н. А. Исследование процессов трения и изнашивания в электрическом скользящем контакте коллекторно-щеточного узла // Труды 59 - й науч.- техн. конф. проф.- препод. состава / Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000. С. 133.
9. Чернявская (Трубицина) Н. А. Влияние основных факторов на износ токопроводящего скользящего контакта коллектор-щетка и их исследование при помощи новых конструкций щеток // Труды 2-ой междунар. отрасл. науч.- техн. конф. / Ростов - на - Дону, РГУПС, 2000. С. 111.
10. Соломин В. А., Чернявская (Трубицина) Н. А. Стенд для исследования электрического и механического износа коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей // Труды междунар. науч.- техн. конф. / Ростов - на - Дону, РГУПС, 1999. С. 202.
11. Патент 2178225 РФ. МПК НО 1R 39/40, 39/56. Устройство токосъема для электрической машины / В. И. Колесников, В. А. Соломин, Н. А. Чернявская (Трубицина). Заявл. 20.01.1999. Опубл. 10.01.2002. Бюл. № 1.