Підвищення надійності силових контактних з’єднань електропневматичних контакторів електровозів постійного струму

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ УКРАЇНИ

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ ІМЕНІ АКАДЕМІКА В. ЛАЗАРЯНА

УДК 629.423.02-192

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ СИЛОВИХ КОНТАКТНИХ З'ЄДНАНЬ ЕЛЕКТРОПНЕВМАТИЧНИХ КОНТАКТОРІВ ЕЛЕКТРОВОЗІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Спеціальність 05.22.09 - Електротранспорт

Баб'як Микола Олександрович

Дніпропетровськ - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теоретичних основ електротехніки Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна (ДІІТу) Міністерства транспорту України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор КОСТІН Микола Олександрович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України, завідувач кафедри теоретичних основ електротехніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Тартаковський Едуард Давидович,Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України, м. Харків,завідувач кафедри експлуатації та ремонту рухомого складу.

кандидат технічних наук, доцент

Гілевич Олег Ілліч,

Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту України, доцент кафедри автоматизованого електропривода.

Провідна установа:

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра електромеханіки, Міністерство транспорту України м.Луганськ.

Захист відбудеться 19.02.2004 р. о_14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.820.01 при Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна за адресою: 49010, м. Дніпропетровськ, вул. Акад. В.А.Лазаряна, 2, ауд.314.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна.

Автореферат розісланий 16.01.2004__ р.

В.о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради,

д.ф.-м.н., проф. В.І.Гаврилюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

контакт електропневматичний мідний зношення

Актуальність теми. Аналіз несправностей вузлів та агрегатів електровозів постійного струму серій ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 по залізницях України за останні 10 років показує, що до 50% відмов припадає на електрообладнання, до 35% причин яких є незадовільний стан контактних з'єднань електроапаратури, огляд і ремонт якої складає 15…25% від загальної працеємності ремонту всього електровоза.

На електропневматичних контакторах електровозів постійного струму в якості силових контактів традиційно використовують мідні контакт-деталі (губки). Основна причина їх відмов - це неякісний ремонт, головним фактором якого є дефіцит контактних елементів та міді. Як відомо, мідь, що застосовується при заводському виготовленні елементів і заміні зношених мідних губок на ремонтах, є не найкращим матеріалом за зносостійкістю і перехідним опором. До бракувального розміру допрацьовує лише 10% усіх контактів, решту вибраковують через оплавлення і порушення профілю контактної робочої поверхні, утворення раковин за рахунок електроерозії.

Враховуючи вищевикладене, а також великий дефіцит міді в Україні актуальною постає задача вибору надійного електропровідного матеріалу, як альтернативи “чистій” міді, для його використання в якості силових контактів найбільш навантажених струмом, а також домінуючих за кількістю електропневматичних контакторів електровозів постійного струму. Така задача в силовому апаратобудуванні ставиться вперше як у вітчизняній, так і в зарубіжній практиці ремонту та експлуатації рухомого складу залізниць. Тому дослідження експлуатаційної надійності силових електропневматичних контакторів з відновленими різними матеріалами силовими контактами є актуальною та важливою задачею ремонту тягового рухомого складу електричного транспорту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою досліджень по виконанню галузевої програми №0.54.02.3 за наказом МШС №25 ЦЗ від 06.11.87 “Дослідження і розробка нової технології електроосадження гальванічних покриттів на контактні деталі електроапаратури електровозів”, шифр 18.01.36.88.89.89 і виконана згідно з планом науково-дослідних робіт Придніпровської залізниці на 2000-2002р.р. за темою “Розробка і впровадження технології відновлення зношених мідних контактів електропневматичних контакторів електровозів ВЛ8”, шифр НТО/Т-32-00/НЮ-349, державний реєстраційний номер 0101U002581, а також за планом Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (1997-2002р.р.).

Мета роботи. Метою роботи є підвищення експлуатаційної надійності роботи та здешевлення ремонту силових контактних з'єднань електропневматичних контакторів електровозів постійного струму шляхом заміни чи відновлення мідних контактів композиційними матеріалами (псевдосплавами).

Задачі досліджень.

Провести аналіз особливостей роботи і видів пошкоджень електропневматичних контакторів електровозів та виконати попередній вибір провідникових матеріалів для напайок на контакти.

Виконати експериментальні, в умовах реальної експлуатації електровозів ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11, дослідження зміни контактного опору, температури і процесу зношення контактів із різних матеріалів.

Розробити математичні моделі та методики оцінки технологічної та експлуатаційної стабільностей, а також показників параметричної надійності контактів із різних матеріалів за критеріями контактного опору, температури та їх зносу.

Виконати порівняльний техніко-економічний аналіз працездатності різних матеріалів в якості контактних напайок силових контактів контакторів.

Розробити технологічну інструкцію по підготовці та заміні чи відновленню зношених мідних контактів напайками із найбільш надійного матеріалу. Впровадити результати досліджень в одному локомотивному депо залізниць України.

Об'єкт досліджень - процеси експлуатації та ремонту тягового електрорухомого складу залізниць України.

Предмет досліджень - ремонт електричної апаратури електровозів.

Методи досліджень - Для оцінки показників надійності контактів застосовували методи математичного моделювання, математичної статистики та надійності. Вимірювання величини зношення контактів здійснювали інструментальними методами. Фазовий склад, структуру та механічні властивості електроконтактних матеріалів досліджували металофізичними методами на приладах ДРОН-2, МІМ-8, ПМТ-3. Шорсткість поверхні напайок контактів вимірювали на профілометрі типу А1. Спад напруги на контактах вимірювали методом амперметра-вольтметра, температуру - за допомогою термометра ТТ-Ц016 з термопарою ХА(К)-10, контактний опір - компенсаційним методом. Обробку експериментальних даних проводили на ПЕОМ, використовуючи методи математичної статистики. Експериментальна перевірка основних положень роботи виконана на діючому електрорухомому складі (ЕРС).

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджується адекватно обраним математичним апаратом, проведенням експериментальних досліджень з достатньою збіжністю одержаних теоретичних та практичних результатів, позитивними результатами використання розробок на діючому електрорухомому складі.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше одержано аналітичні вирази контактного опору і вольтамперних характеристик контактних з'єднань силових кіл електровозів з врахуванням температурної залежності, мікротвердості і питомих опорів матеріалів контактів і плівки на них, а також впливу контактного тиску на шорсткі поверхні контактів, чим враховуються особливості конструкції і умов роботи електропневматичних контакторів електровозів й тим самим уточнюються показники експлуатаційної надійності.

Запропоновано двомірну модель і новий спосіб оцінки показників параметричної надійності роботи сильнострумових контактів силових кіл електровозів за критеріями їх зносу і контактного опору, які відрізняються від існуючих моделі та способу врахуванням кореляційного зв'язку між контактним опором і температурою контактів.

Вперше встановлено закономірності зношування силових контактів, що відновлені різними матеріалами, електропневматичних контакторів електровозів постійного струму та зміни їх контактного опору від пробігу електровоза, сили і тривалості протікання тягового струму, кількості переключень контакторів в умовах реальної експлуатації електровозів.

Одержано аналітичний вираз температури власне поверхні контактного з'єднання контакторів в перехідному режимі роботи з врахуванням зміни за часом тягового струму і впливу температури контактів на питомий опір їх матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів.

На базі результатів натурних ресурсних випробувань контактів електропневматичних контакторів електровозів постійного струму ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 відпрацьовано і надано Придніпровській залізниці технологічні рекомендації по заміні мідних контактів контактами з напайками із матеріалу МДК-3.

Розроблено інженерну методику оцінки показників параметричної надійності за критерієм зносу та контактного опору.

Розроблено і запропоновано Укрзалізниці ввести в Правила ремонту електровозів технологічні інструкції по підготовці та напайці напайок із композиційних матеріалів.

Виробникам електропровідних композиційних матеріалів, зокрема, акціонерному товариству “Геконт” (м. Вінниця), фізико-механічному інституту НАН України (м. Львів) та відкритому акціонерному товариству “Львівський локомотиворемонтний завод” (м. Львів) видано рекомендації по удосконаленню технологій виготовлення напайок для силових контактів електровозів.

У локомотивному депо Нижньодніпровськ-Вузол Придніпровської залізниці впроваджена нова технологія відновлення напайками із псевдосплаву МДК-3 зношених мідних силових контактів електропневматичних контакторів типу ПК електровозів постійного струму. Щорічний економічний ефект від впровадження складає 550…560 грн. на один електровоз без врахування митних витрат на закупівлю мідних контактів за кордоном. При врахуванні Виробником напайок з МДК-3 запропонованих в роботі зауважень і рекомендацій надійність контактів, що відновлені МДК-3, підвищиться, собівартість зменшиться, а економічний ефект від їх впровадження зросте.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві: Автор самостійно сформулював мету, задачі досліджень, наукові положення. Крім цього, в публікаціях, в яких відображено основні результати дисертації та які написані у співавторстві, автору належать: в [1,3,4,9] - розробка математичних моделей формування відмов за критерієм зносу для оцінки показників надійності контактів електропневматичних контакторів; [7,10] - виконання експериментальних досліджень, визначення властивостей матеріалів, систематизація результатів; [8] - чисельна оцінка раціонального міжремонтного пробігу електровозів. Роботи [2,5,6,11] написані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати доповідались та одержали схвалення на таких Міжнародних науково-технічних конференціях: “Технологии ремонта машин, механизмов и оборудования (Ремонт-99)”, Київ, 1999р.; “Надежность машин, механизмов и оборудования”, Київ, 2000р.; 11-ій “Проблеми розвитку рейкового транспорту”, Луганськ, 2001р.; 12-ій “Проблеми розвитку рейкового транспорту”, Луганськ, 2002р.; на семінарах “Перетворювачі енергії в технологічних процесах транспорту” при Науковій Раді НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано у 12 наукових працях, у тому числі: 8- у фахових виданнях, 3- у матеріалах конференцій, 1- у звіті про науково-дослідну роботу.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, що викладені на 181 сторінці машинописного тексту і які містять 100 рисунків і 23 таблиці, переліку літературних джерел із 90 найменувань, що викладений на 8 сторінках, 2 додатків на 10 сторінках. Ілюстрації (рисунки) і таблиці, які розміщені на окремих сторінках дисертації, займають 37 сторінок. Повний об'єм дисертації складає 199 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність досліджень, сформульована мета і завдання досліджень, приведені основні наукові положення та результати, що винесені на захист, а також відомості про практичне значення результатів роботи, їх апробацію і публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі розглянуті питання, що пов'язані з експлуатацією контактів електричних апаратів, проведено аналіз вітчизняних та зарубіжних публікацій на предмет дослідження зносу і відновлення контактів. Виявлено, що за останні 20…30 років силові контакти практично не були досліджені. Дослідження впливу надійності мідних силових контактів електропневматичних контакторів на надійність всього електровоза в умовах експлуатації не проводились взагалі.

Проведений в дисертації аналіз роботи електровозного парку постійного струму на ділянках залізниць України показує, що в силовій схемі електровозів найбільш вразливими є контакти лінійних і реостатних контакторів. Основним показником, що характеризує надійність роботи контакторів, є термін експлуатації контакт-деталей (губок) за критерієм швидкості їх зносу.

За отриманими даними до бракувального розміру (3,5 мм) при постановці нових мідних контактів (товщина в робочій зоні 10 мм) працює всього близько 10% контактів. До товщини 5 мм, при якій з ремонту електровоз видавати заборонено, працює близько 20% губок. Решту контактних губок вибраковують через оплавлення контактної поверхні - 10%; порушення профілю робочої поверхні - 15%.

Останні види пошкоджень виявляють при ТО-2, 3 або при ПР-1 і такі контактні губки вибраковують через 10…18 тис. км. пробігу, що призводить до збільшення обсягу робіт.

Розглядаючи загальні причини виходу з ладу контакт-деталей, можна виділити три їх групи: підгоряння, стирання, злом губки, які обумовлені цілою низкою факторів: неякісним контактом губок; кріпленням контактних губок до контактотримача; площею прилягання; якості обробки та зачистки контактів; неправильного розташування рухомих контактів відносно нерухомих, вираженого в малій зоні протікання робочих струмів; та несправності притираючої пружини, від якої залежить величина контактного тиску, що також не завжди задовольняє вимогам правил ремонту.

Таким чином, як витікає з аналізу, ненадійна робота міді, як контактного матеріалу, вимагає її заміни більш якісним матеріалом.

У другому розділі викладено методики експериментальних досліджень, визначено місце випробовувань, кількість необхідних спостережень при експериментальних випробуваннях та методи досліджень технологічних характеристик електропровідних матеріалів і напайок з них.

Третій розділ присвячено вибору провідникового матеріалу для напайок на контакти, дослідженню важливих з точки зору якісної експлуатації характеристик напайок, а саме: шорсткості їх поверхні і мікротвердості матеріалу.

Для експлуатаційних випробовувань в якості матеріалів для напайок на контакти були взяті такі матеріали (за порядковими номерами): №1 - композиційний матеріал (псевдосплав) МДК-3 виробництва АТ “Геконт”, м. Вінниця, Україна (співавторство - Баб'як М.О.); №2 - композиційний мідно-графітовий (порошковий) МГр, виробник - завод “Красная звезда”, м. Стаханов, Україна; №3 - електролітичне композиційне покриття типу ФМІ виробництва фізико-механічного інституту НАН України, м. Львів (співавторство - Баб'як М.О.); №4 - мідь профільна тверда, типу М1, ГОСТ 859-66, згідно технічних вимог оловянована ГХ603-10, виробництва ЗАО НПФ “Металл-Комплект”, Росія; №5 - мідь лита МЛ, виробництва ВАТ “Львівський локомотиворемонтний завод”, Україна; №6 - мідь профільна тверда, типу М1 (в роботі М1зн), виробник - Росія. З цим матеріалом досліджували зношені контакти (для порівняння з новими).

У роботі встановлено що, нормативна величина тиску F_k головних (силових) контактів, що дорівнює 270Н, витримується лише на 50% контакторів; при цьому , а .

Зі збільшенням Fk поверхня контактів стає більш гладкою і шорсткість S_m зменшується. Помітний вплив на зменшення шорсткості чинить також кількість вмикання контактора.

Величина контактного опору R_k не є єдиною значущою характеристикою контактного з'єднання тому, що R_k залежить від температури T контактів, а теплові процеси в контактному з'єднанні визначають його працездатність.

При збільшенні спаду напруги U_к контактного з'єднання збільшується T і досягається таке її значення, при якому починається розм'якшення (пластична деформація) матеріалу контактів, тобто структурна їх зміна, яка призводить до зміни механічних властивостей і далі до їх зварювання, що призводить до аварійної роботи контактного з'єднання.

Тому температура контактного з'єднання повинна бути також (разом з R_k) обов'язково контрольованим параметром.

Згідно з ДСТУ 2773-94 для номінального режиму роботи комутуючих контактів з міді перевищення величини Т відносно температури навколишнього середовища Т_н.с. не повинно бути більшим за +75єС.

У четвертому розділі досліджено технологічну і струмову стабільності та параметричну надійність контактів за критеріями контактного опору і температури. Для цього вперше отримано аналітичний вираз контактного опору контактного з'єднання силових контакторів електровозів у вигляді:

(1)

де - температура “ненагрітих контактів”, “кімнатна”, переважно +20°C;

T_пл - температура плавлення матеріалу контакт-деталей;

- товщина провідника (контактного зєднання);

- довжина контактного зєднання;

- питомий електричний опір матеріалу при ;

- температурний коефіцієнт матеріалу контактів відносно електричного опору;

- мікротвердість матеріалу контактів при ;

- середній крок початкової нерівності мікропрофілю поверхні;

- середнє арифметичне відхилення мікропрофілю поверхні нових контактів;

, - постійні апроксимації, що визначають з експериментів;

- контактний тиск;

Числова оцінка R_k при Т = Т_О для контактів із різних досліджуваних в роботі матеріалів за середніми значеннями величин, що входять до (1), наведена в таблиці 1.

Таблиця 1 - Середні значення контактного опору при =+20°C контактів електропневматичних контакторів електровозів постійного струму

Матеріал контактів	МДК-3	МГр	ФМІ	Мідь М1	Мідь МЛ	мідь М1зн
, 10-6, Ом.	20,93	39,4	8,02	16,45	9,8	10,2

Оскільки середні значення не характеризують усі можливі значення контактного опору, бо в формулах усі величини, за винятком , , та ,є випадковими, а отже і носить імовірнісний характер, в подальшому проаналізовано технологічну стабільність для усіх видів контактів для на основі формули (1), для чого одержано вираз дисперсії контактного опору:

(2)

Для визначення власного допуску використані дані, які було одержано в результаті натурних дослідів над контактами електропневматичних контакторів типу ПК електровозів ВЛ8. Значення вагових коефіцієнтів у формулі (2) наведено в таблиці 2.

Таблиця 2 - Числові значення вагових коефіцієнтів (знак квадрату опущено) у формулі (2) для

Матеріал контактів	Вагові коефіцієнти при стандартних відхиленнях параметрів, тобто при:
МДК-3	0,441	0,44	0,821	0,98	0,158	0,257	0,247	0,012	0,0015
МГр	0,543	0,434	0,824	1,0	0,175	0,29	0,266	0,02	0,001
ФМІ	0,39	0,39	0,824	1,4	0,574	0,872	0,96	0,092	0,0016
М1	1,02	1,02	0,86	0,973	3,09	5,2	5,51	0,376	0,0042
МЛ	0,985	0,98	0,83	1,05	2,92	2,82	2,68	0,386	0,004
М1зн	0,48	0,48	0,892	1,02	2,14	3,21	3,23	0,248	0,002

Основними параметрами, що характеризують працездатність електроконтактних пар, є їх контактний опір , температура і товщина губок . Але на стадії технологічного монтажу (збирання) контакторів температура дорівнює “кімнатній” , а товщина - товщині нових, не зношених контактів. Тому контрольованим параметром приймається лише контактний опір . І тоді для оцінки параметричної надійності контактів на стадії їх зборки була використана одномірна модель відмов типу “навантаження-міцність“, згідно з якою повинно бути

, (3)

де , - відповідно поточне (при ) і допустиме значення контактного опору.

Оскільки обидві величини в (3) є випадковими, абсолютна вимога використання нерівності (3) не має сенсу. Можливо лише поставити умову, щоб вона була виконана з тою чи іншою імовірністю. Таким чином, поставлена задача може бути розв'язана в імовірнісному трактуванні.

Введемо “функцію працездатності” F, яка дорівнює

. (4)

Тоді імовірність порушення нерівності (3) або, що те й саме, імовірність виходу з ладу контакт - деталі за допустиме значення опору визначиться:

 . (5)

Якщо випадкові величини і розподіляються за Гауссом, то імовірність V визначається через функцію Лапласа :

, (6)

де - характеристика резерву, що рівна

, (7)

де ,, - коефіцієнти кореляції та дисперсії величин і.

Ще одним показником надійності контакт-деталей в цьому випадку введено коефіцієнт запасу за опором:

. (8)

Вищевикладені методи дають достатньо точне, але дуже трудоємне визначення імовірності V. Нижче пропонується більш простий спосіб, до того ж він базується на довільних законах розподілень і . Обриваючи криві цих розподілень в точці і вводячи позначення для малих площ ,, маємо (рис.1):

, . (9)

Можна довести, що імовірності відмови V задовольняє нерівність

V>щ₁щ₂ (10)

при будь-якому виборі значення . Дійсно, добуток щ₁щ₂ є імовірністю того, що одночасно і ; при цьому із розгляду виключені випадкові події при або при , котрі також відповідають відмовам.

Можна показати, що імовірність безвідмовної роботі Q контактного з'єднання оцінюється як

. (11)

З'єднуючи оцінки V і , одержимо: . (12)

Введемо також величину, що характеризує гарантію безвідмовної роботи контакт - деталі:

 (13)

Аналіз статистичного матеріалу по вимірюванням контактного опору (при ) на контакторах електровозів ВЛ8 дозволив встановити, що розподілення контактів із матеріалів МДК і М1 апроксимуються нормальним законом з достатньо високою ймовірністю Р (за критерієм Пірсона), що рівна відповідно 0,15; 0,2. Коефіцієнт асиметрії статистичних розподілень також свідчить про близькість емпіричних розподілень теоретичному закону Гаусса. Значення числових характеристик і і показників надійності на стадії зборки контактів наведено в таблиці 3.

Таблиця 3- Статистичні характеристики величини контактного опору та показники надійності за критерієм

Матеріал	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом,	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом	, 10-6, Ом	Показники надійності
									KR	г	V
МДК-3	21,2	5,9	32,531	3,937	68,25	2,85	62,776	1,902	1,929	6,915	8,1?10-13
МГр	41,2	12,6	65,400	8,409	122,1	12,12	98,821	8,089	1,511	2,864	5,95?10-4
ФМІ	8,9	2,71	14,104	1,808	88,7	7,23	74,813	4,825	5,304	11,780	0
М1	16,5	4,67	25,469	3,116	73,15	2,05	69,212	1,368	2,717	12,850	0
МЛ	10,1	2,91	15,689	1,942	51,2	2,13	47,109	1,421	3,002	13,054	0
М1зн	11,1	3,42	17,668	2,282	76,8	3,2	70,653	2,1355	3,998	16,949	0

Статистичні розподілення із матеріалів ФМІ, М1зн, та МГр (рис. 2) з імовірністю (за критерієм Пірсона) підкоряються теоретичному розподіленню імовірностей суттєво позитивних величин.

 (14)

У зв'язку з цим імовірність відмови V цих контактів знайдена за виразом (10) згідно з рис.1 і, як приклад, на рис.2 показано визначення V для контактів із МГр (; ; ).

Чисельні результати V наведено в табл.3, із аналізу якої витікає, що досліджувані матеріали і існуюча технологія регулювання контактів забезпечують високі показники надійності на стадії технологічної зборки та монтажу: коефіцієнт запасу дорівнює від ~2 до 5, а імовірність відмови V навіть для контактів з МГр складає незначну величину, рівну , а для МДК-. Зауважимо, що V для контактів з ФМІ та М1зн дорівнює нулю, бо площі під законами розподілень і не перетинаються і тому, згідно з рис.1, імовірності і дорівнюють нулю.

В роботі досліджено струмову та часову стабільності контактного опору та температури (рис.3 і 4). В процесі експлуатації було одержано залежності R_k(I) при 80% і 100% площах торкання S_тор губок, які свідчать про те, що, по-перше, загальний характер зміни R_k(I) таких (зношених частково) контактів подібний до залежностей R_k(I) для нових контактів.



По-друге, ступінь зростання R_k при зменшенні поверхні торкання S_тр різна у різних матеріалів. Звідси витікає важливість правильного зачищення і регулювання положення контактів на ремонтах. Для контактів без дугогасної камери опір значно менший і приблизно у 1,5...1,8 рази зменшується при зносі контактів до 5 мм та 3 мм при роботі як з дугогасною камерою, так і без неї.

Були виконані дослідження зміни величини R_k при вмиканні електропневматичного контактора, коли контакти проходять три своїх положення: торкання, середнє і робоче.

Встановлено також, що опір контактів не залишається постійним в експлуатації. Аналіз показує, що зміна R_k за часом протікання струму (Ін=500А) для досліджених нами контактів відрізняється від якісних R_k(t) при поступовому збільшенні спаду напруги U_к на контактах, які наведено в літературі. Одержані в наших дослідах R_k(t) і U_к(t) мають ступенево-спадаючий характер для контакторів з дугогасними камерами і майже незмінні - для контакторів без камер. Власне, і зростаючий, і спадаючий, і незмінний характери зміни R_k за часом при підвищенні температури Т контактного з'єднання пояснюються перевагою тієї чи іншої протилежних дій нагріву матеріалу контактів: збільшенням опору металу контактів чи зменшенням опору поверхневої плівки. Тобто, спостерігається нове явище, яке треба назвати “ступеневим В-фріттінгом” на відміну від відомого (очевидно, одноступеневого) “В-фріттінга”.

Закономірності зміни R_k від температури контактного з'єднання Т ідентичні кривим R_k(I) і мають таке ж пояснення, бо підвищення температури здійснювали за рахунок підвищення теплових втрат при зростанні струму, що протікає через контакти.

У роботі виведено формулу зміни в перехідному режимі перевищення температури поверхні контакту над температурою навколишнього середовища у вигляді

, (15)

де - опір тіла губок-контактів при температурі T₀;

- перевищення температури тіла контактів над температурою навколишнього середовища _н.с.=Т₀, найбільше значення якої прийнято 40С.

Формула (15) отримана без існуючих в літературі припущень, що I=const, а .

В табл. 4 наведено значення перегріву поверхні контактів із різних матеріалів в перехідному режимі, що знайдені при середньому (згідно статистики) і номінальному значеннях струму.

Таблиця 4 - Визначення перегріву контактів Ик для різних матеріалів

Тип матеріалу	І, А	ф, хв.	Ику, ?C (t=0), хв.	Ику, ?C (t=10), хв.	Ику, ?C (t=40), хв.	Ику, ?C (t=80), хв.	Ику,?C (t=100), хв.
	Ін, А
МДК-3	307,8	8,87	0,73	18,18	26,24	26,53	26,53
	500	11,28	1,94	53,52	87,09	89,58	89,65
МГр	307,8	13,34	2,61	40,14	70,06	73,52	73,69
	500	30,48	6,90	132,6	333,5	422,3	446,31
ФМІ	307,8	9,40	0,10	6,45	9,66	9,80	9,80
	500	10,05	0,28	17,54	27,16	27,66	27,67
М1	307,8	8,90	0,45	13,01	18,86	19,06	19,07
	500	10,21	1,20	36,60	56,73	57,85	57,87
МЛ	307,8	8,63	0,16	7,51	10,78	10,88	10,88
	500	9,32	0,42	20,57	30,62	31,03	31,04
М1зн	307,8	8,66	0,17	7,84	11,26	11,37	11,37
	500	9,40	0,46	21,52	32,16	32,61	32,62

Для оцінки параметричної надійності за критеріями контактний опір R_К та температура Т (крім товщини) в роботі розроблено і застосовано двомірну імовірнісну модель типу „навантаження - міцність ”, згідно з якою контакт - деталь нормально функціонує, якщо одночасно за визначений термін експлуатації:

, , (16)

або , . (17)

Кількісною мірою працездатності контактного з'єднання у цьому випадку є імовірність одночасного виконання обох умов (17). Тобто задача полягає в знаходженні імовірності безвідмовної роботи контактів

(18)

де f(h₁,h₂) - густина сумісного розподілення величин Н₁, Н₂ в будь-який момент часу (чи пробігу).

Зокрема, при гауссовому розподіленні величин Н₁,Н₂ імовірність Р_1,2 визначається за формулою:

, (19)

де Ф(г), О(г,) - табульовані функції відповідно Лапласа і Оуена;

Імовірність Р_1,2 можливо визначити і приблизно, користуючись виразом:

, (20)

де ;

- коефіцієнт кореляції величин Н₁ та Н₂.

Як показали результати експлуатаційних випробувань контактів, теоретичні розподілення R_K і Т підкоряються закону Гаусса зі значеннями параметрів, наведеними в таблицях 5 і 6.

Таблиця 5 - Статистичні характеристики розподілення контактного опору, визначеного під час стендових випробувань.

Тип матеріалу	МДК-3	МГр	ФМІ	М1	МЛ	М1зн
	43,67	70,05	19,55	19,38	13,13	27,92
	721,85	957,15	97,07	145,10	6,23	251,1
	26,78	30,94	9,85	12,05	2,5	15,85
Коефіцієнт асиметрії	0,28	0,89	0,12	1,36	-0,37	0,82
Ексцес	-1,53	0,55	-1,49	0,3	-1,23	-0,75

Таблиця 6 - Статистичні характеристики розподілення температури, визначеної під час стендових випробувань.

Тип матеріалу	МДК-3	МГр	ФМІ	М1	МЛ	М1зн
	50,60	57,13	50,92	52,02	50,35	47,13
	285,02	355,96	458,28	2803,50	288,35	231,01
	16,88	18,87	21,41	16,90	16,98	15,20
Коефіцієнт асиметрії	0,02	-0,37	0,82	-0,06	0,38	0,25
Ексцес	-1,33	-1,43	-0,46	-1,49	-1,15	-1,32

Використовуючи статистичні дані було отримано параметри виразів (19), (20), які дозволили визначити шукану імовірність P_1,2 безвідмовної роботи контактів із різних матеріалів за критеріями контактного опору і температури (з врахуванням їх кореляції) при зміні в експлуатаційних умовах тягового струму через контакти в межах 50…1500 А. Результати розрахунків P_1,2 за формулами (19) (чисельник) і (20) (знаменник) наведено в табл. 7. В реальних умовах експлуатації електровозів ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 тривалість роботи контактів навіть при І_Н=500А невелика, тому значення Р_1,2 у номінальному тяговому режимі будуть вищі, ніж у табл.7.

Таблиця 7 - Імовірність безвідмовної роботи контактів за критеріями і .

Матеріал контактів	МДК-3	МГр	ФМІ	мідь М1	мідь МЛ	мідь М1зн
	0,965	0,892	0,892	0,968	0,967	0,985
	0,971	0,890	0,890	0,970	0,961	0,981

П'ятий розділ присвячено дослідженню параметричної надійності контакторів при граничному стані за зносом контактів.

Встановлено,що під час експлуатації спостерігається технологічний та експлуатаційний зноси контактів; технологічний знос занадто великий. Так, для міді М1 при обробці на верстаті під час капітального ремонту знімається шар металу товщиною 1…2,5 мм, що призводить до втрати 5…21г металу. При обробці напильником при технічних оглядах чи періодичних ремонтах знімається 0,2…1,3 мм (1,5…2г), а при обробці контактів, знятих з електровоза, - до 4…8 г міді.

Впродовж всього терміну експлуатації контактів велись спостереження за характеристикою зношення. При візуальному контролі стану контактних поверхонь вже після 8…12 тис.км. пробігу на мідно-графітових (МГр) та мідних литих (МЛ) контактах були помічені сліди ушкодження електричною дугою з утворенням ерозійних раковин. Після 12131км пробігу виявлено значне пошкодження електричним струмом робочої зони мідно-графітових контактів, що спонукало до їхньої заміни новими контактами. На мідних контактах (твердотянутих та з напайкою мідної пластини) процес утворення контактної плями (розширення лінії контакту) практично однаковий і в 2…2,5 рази протікає повільніше, ніж на литих мідних контактах. Електролітично осаджений композит ФМІ на першому етапі контролю (10129 км.) зарекомендував себе на рівні твердотянутої міді, а після 50 тис.км. пробігу середня інтенсивність зносу зросла, що викликано зменшенням на окремих контактах осадженого шару. Найкраще зарекомендував себе матеріал МДК-3, який при 82623 км. пробігу мав знос по масі 0,35 г., а по товщині в робочій зоні - 0,03 мм на 10000 км пробігу електровоза. На відполірованих контактних поверхнях пластин МДК-3 відсутні раковини від дії електричної дуги. Ширина контактної лінії становить 1…1,3 мм при відповідній лінії 9…23 мм на мідних контактах.

Аналіз реалізацій зміни товщини b контактів-губок в залежності від пробігу електровозів, свідчить що усі залежності є монотонно-спадаючими і сильно переплітаються, до того ж зміна носить випадковий характер і тому весь процес може розглядатися, як нестаціонарний випадковий. Тому подальше опрацювання кривих зносу виконували імовірнісно-статистичними методами.

Знос контактів також залежить від кількості їх переключень N та сили струму I, що комутується, тому в процесі випробувань були визначені ці величини. Встановлено, що в середньому на 10⁴ км пробігу контакторні елементи здійснюють приблизно 1100-1700 комутацій, а тягові струми мають розкид 89,3 А при середньому значенні 290 А. Залежності зносу по товщині від кількості переключень N і сили струму І практично лінійні (рис.5 і 6) з коефіцієнтом пропорційності , рівним для міді М1. Значення середньої інтенсивності зносу по масі і товщині наведено в табл.8, уже з якої витікає, що в середньому найбільш зносостійким є композит-сплав МДК-3.

В роботі виконано оцінку показників параметричної надійності контактів за критерієм зносу за відомим методом часу (в нашому випадку пробігу ) безвідмовної роботи. Для цього, користуючись реалізаціями зносу, було одержано пробіги ? роботи контактів до параметричної відмови (тобто їх ресурси). Під останньою в цій роботі було прийнято повне зношення напайки контакту товщиною b_гр=2мм, виконаної із кожного матеріалу. Ці пробіги є випадковими величинами ?, результати статистичної обробки яких для кожного матеріалу наведено в таблиці 9.



Таблиця 8 - Результати випробовувань контактів, відновлених псевдосплавами

Матеріал контактної поверхні	Маса, г	Товщина, мм	Серед. пробіг, тис.км	Середня к-сть переключень	Інтенсивність зносу за
	Початкова	Кінцева	Початкова	Кінцева			масою, г	товщиною, мм
МДК-3	117,71	114,88	10,3	10,1	82623	11000	0,343	0,03
МГр	83,39	82,62	9,87	9,23	13600	2029	0,566	0,3
ФМІ	100,92	96,73	9,57	8,84	82088	10929	0,51	0,141
М1	114,67	112,6	10,3	9,29	52241	6955	0,396	0,181
МЛ	108,8	105,69	9,8	8,7	70851	9953	0,439	0,151
М1зн	102,9	96,63	8,9	7,3	76265	10933	0,822	0,191

Апроксимацію статистичних розподілень пробігу ? до відмови контактів здійснювали за наступними теоретичними розподіленнями: нормальним, логарифмічно - нормальним, Вейбулла і гама-розподіленням. Перевірку відповідності теоретичних законів ѓ(l) гістограмам вели за критерієм Пірсона.

В результаті встановлено, що з імовірністю p=0,16…0,19 для контактів з МДК, МГр і М1 та з імовірністю p=0,14…0,17 - для контактів із ФМІ, МЛ і М1_ЗН теоретичним розподіленням ѓ(l) є гама-розподілення, для якого далі визначена імовірність безвідмовної роботи P(?) контактів із різних матеріалів для пробігів L_P, відповідно до планових ТО-3 (L_P= 11 тис.км), ПР-1 (L_P= 22 тис. км), ПР-2 (L_P=165 тис. км) і ПР-3 (L_P=330 тис. км) електровозів постійного струму (табл. 9) за виразом:

, (21)

де Г(r) - гама-функція Ейлера.

Також було визначено значення г- відсоткового ресурсу Lг контактів (табл. 10).

Як витікає з аналізу табл. 9 і 10, найбільш надійними (в 1,75…2,1 рази у порівнянні з мідними з М1), тобто найбільш зносостійкими, а отже довговічними, є контакти з МДК-3. Наприклад, 10% накладок контактів будуть зношені на товщину, більшу д?2мм, при пробігах (тис. км): для матеріалу МДК-172,0; ФМІ-73,3; М1-92,4; МЛ-78,0. Найменш придатними для контактів електропневматичних контакторів електровозів є напайки із мідно-графітової суміші.

Таблиця 9 - Імовірність безвідмовної роботи контактів за критерієм зносу

Матеріал контактів	Емпіричні дані пробігів до відмови	Параметри гама-розподілення	Імовірність безвідмовної роботи для пробігів до ремонтів (в тис.км)
	, тис.км.	, тис.км.	,Ч10-3 1/тис.км	r	ТО-3, 13,0	ПР-1, 26,0	ПР-2, 170,0	ПР-3, 340,0
МДК	517,716	304,637	5,579	2,89	1,0	0,9995	0,92	0,67
МГр	61,341	62,235	15,837	0,97	0,85	0,7	0,093	0,008
ФМІ	118,748	38,758	79,05	9039	1,0	0,9996	0,12	0,0001
М1	305,404	196,566	7,904	2,41	1,0	0,995	0,74	0,40
МЛ	142,975	57,267	43,60	6023	1,0	0,9996	0,35	0,0015
М1ЗН	92,059	37,780	64,50	5,94	0,9999	0,995	0,035	0,0001

Таблиця 10 - г- відсоткові ресурси L_г (тис.км) контактів електропневматичних контакторів електровозів ВЛ8.

Рівень надійності, г,%	97	95	90	80	70	60	50
Матеріал контактів	г-відсоткові ресурси Lг (тис.км)
МДК	111,131	134,433	171,84	250,940	310,090	376,412	448,109
МГр	0	1,263	6,630	14,523	22,072	33,460	40,412
ФМІ	58,191	63,251	73,371	86,021	98,039	104,364	113,852
М1	50,607	63,291	92,41	132,911	177,215	221,407	265,690
МЛ	57,340	64,220	77,982	93,578	110,092	123,853	134,174
М1ЗН,	37,209	40,310	49,612	58,915	71,318	80,620	88,372

Користуючись експериментально одержаними залежностями зміни середнього та середньоквадратичного значень товщини контактів від пробігу (рис.7, 8) в дисертації розроблено методику і виконано чисельне імовірнісне прогнозування величини імовірності V_b виходу товщини b за встановлений допуск b_Д за виведеною формулою

. (22)

Прогнозування величини відмови контактів із різних матеріалів виконано за пробіг до ПР-З, тобто за LK-L0=(340…0) тис.км. Пробіг до ПР-3 прийнято 340 тис. км як середнє значення нормативних періодів до ПР-3 електровозів ВЛ8 (330 тис.км) і ВЛ10, ВЛ11, ВЛ11м (350 тис. км) згідно наказу № 351-Ц від 14.12.99 Укрзалізниці Міністерства транспорту України. Чисельно зазначені імовірності відмови для контактів із основних матеріалів склали: 0,125 - з МДК-3; 0,478 - ФМІ і 0,471 - М1.

Таким чином, із прогнозування витікає, що контакти із псевдосплаву МДК-3 у порівнянні з контактами із базового матеріалу (профільної твердої міді М1) у 3,8 рази більш надійні за критерієм зношування. Аналіз також показує, що найменше зношення (по середньому ) спостерігається для контактів з МДК: інтенсивність зношення дорівнює 0,03 мм/10⁴ км, а найбільше, на порядок більше, (0,3 мм/10⁴ км), для мідно-графітових контактів. Контакти з базового матеріалу, твердої профільної міді М1, зношуються скоріше, ніж з МДК у 6 разів (інтенсивність дорівнює 0,181 мм/10⁴ км).

В роботі запропоновано модель і методику раціонального діагностування товщини контактів, згідно яких для кожного другого ПР-1 в інтервалі 52…60 тис.км губки контактних з'єднань не діагностують і не відновлюють, а залишають до наступного ремонту; при цьому при відновленні чи заміні контактів їх товщина буде складати 7,5…8,5 мм.

У шостому розділі викладена технологічна інструкція, призначена для здійснення процесу відновлення зношених мідних контактів - губок електропневматичних контакторів типу ПК електровозів ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11. Нею передбачається в окремих випадках використання тонкіших контактних пластин псевдосплаву МДК-3, ніж повні мідні напайки, що передбачені кресленнями заводу-виробника.

Виконано аналіз економічної доцільності застосування нових псевдосплавів, особливо МДК-3, для контактних напайок, який переважає мідь за зносостійкістю. Розрахунки показують, що запровадження нового матеріалу передбачає економію матеріальних та технічних засобів, економію на утримання та експлуатацію рухомого складу в цілому. Завдяки своїм якостям застосування псевдосплаву дозволяє скоротити час на ремонт та обслуговування рухомого складу, робочу силу та засоби праці. Річний економічний ефект від впровадження псевдосплаву МДК-3 на кожен електровоз лише одного локомотивного депо становить 44054…56035 грн. в залежності від кількості обробок контактів напильником.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень вирішена важлива науково-технічна задача підвищення рівня експлуатаційної надійності та здешевлення ремонту діючих електровозів постійного струму. Основні наукові результати, висновки та практичні рекомендації дисертації полягають у наступному.

Мідь в якості електропровідного матеріалу в силових розривних контактах електроапаратури електровозів постійного струму володіє низькою комутаційною зносостійкістю, обумовлює від 21 до 27% відмов електрообладнання, одночасно є дефіцитним матеріалом і тому потребує її заміни більш надійним і менш дефіцитним контактним матеріалом, зокрема, композиційним.

Нормативне значення (270 Н) величини контактного натиску силових контактів контакторів електровозів, від якого лінійно залежить шорсткість контактної поверхні і отже інтенсивність зносу контактів, витримується лише на 50% контакторів, при цьому навіть середнє значення натиску більше нормативного і складає 274,4 Н, а дисперсія - 32,11 Н².

Найбільш об'єктивними контрольованими параметрами силових контакторних з'єднань є контактний опір R_К, температура поверхні Т і величина зношення ?b губок - контактів; їх поточні і допустимі значення є випадковими величинами.

Найбільший вплив на технологічну нестабільність контактного опору знеструмлених ненагрітих (при 20?С) силових контактів, особливо мідних, чинять відхилення величини мікротвердості матеріалу, шорсткість та контактний натиск (коефіцієнти ваги складають 2,14…5,51), тому при технологічній збірці контактора треба ретельно обробляти поверхні губок і точніше регулювати величину натиску.

Усі досліджувані контактні матеріали володіють властивостями, які забезпечують високі показники параметричної надійності на стадії технологічної зборки контакторів: коефіцієнт запасу, знайдений за імовірнісною моделлю “навантаження-міцність”, складає від 2 до 5, а імовірність відмови контактів за критерієм контактного опору незначна і дорівнює менше 6·10^-4.

Фактичні поточні значення R_k і Т контактів, що одержані в умовах експлуатаційної зміни струму від 50 до 1500 А і часу його протікання до 20 хв, не перевищують допустимих значень і, наприклад, для контактів з базового матеріалу (мідь М1) і псевдосплаву МДК-3 складають відповідно ~18,5·10^-6 Ом, ~90°С та ~20·10^-6 Ом і ~70°С. Виключення складають мідно-графітові порошкові контакти, для яких R_k в зазначених умовах наближається до 175·10^-6 Ом, що є нижньою допустимою границею опору для цього матеріалу.

Експериментально підтвердженими розрахунками по запропонованій двомірній імовірнісній моделі, яка враховує кореляційний зв'язок між Rk і Т, встановлено, що в експлуатаційних умовах протікання тягового струму через контакти в межах 50…1500 А (при Ін=500 А) імовірність безвідмовної роботи контактів з МДК-3 та з базового матеріалу, міді М1за критеріями їх контактбезвідмовної роботи контактів з МДК-3 та з базового матеріалу, міді М! За критеріями їх контактного опору і температури дорівнює 96,5…97%. Найменш надійними за цими критеріями є мідно-графітові контактні з'єднання, для них імовірність безвідмовної роботи складає 89…89,2%.

Величина сумарного зносу обумовлюється факторами технологічного та експлуатаційного характеру. Технологічний знос великий: так під час капремонту при обробці мідних контактів на верстаті з них знімається шар металу товщиною 1…2,5 мм, тобто 5…21 г міді, а при ручній обробці на ТО-2,3 чи ПР-1,2,3 - відповідно 0,2…1,3 мм, тобто до 1,5…2,0 г.

Згідно регресійним залежностям одержаним за результатами порівняльних експлуатаційних випробувань контактів з різних матеріалів:

найменше зношення (по середньому значенню ) мають контакти з МДК-3, їх інтенсивність зносу складає 0,03 мм/10⁴ км, а найбільше - мідно-графітові з інтенсивністю 0,3 мм/10⁴ км;

контакти з міді М1 (базовий матеріал) зношуються швидше, ніж із МДК-3, в 6 разів (0,181 мм/10⁴ км), але дисперсія величини зносу псевдосплаву після пробігу 80…100 тис. км зростає швидше, ніж для міді.

Найбільше значення г-відсоткового ресурсу, наприклад, 250,9 тис. км пробігу при г=80%, за критерієм зносу мають контакти з МДК-3, далі - з М1, МЛ і ФМІ, які мають ресурс менший в 2…3 рази у порівнянні з контактами з МДК-3. Мідно-графітові контакти через 50…60 тис. км майже 100-відсотково виходять з ладу і тому є непридатними для електропневматичних контакторів.

Розрахунками за розробленими в роботі моделлю і м...