Выбор щеток для тягового электродвигателя ЭД118 – А. Коэффициент трения между щеткой и коллектором

5 Выбор щеток для тягового электродвигателя ЭД118 – А

В настоящее время электроугольная промышленность изготавливает для электрических машин щетки более 30 типов. Они отличаются друг от друга конфигурацией, числом токоведущих проводов, местом их закрепления в щетке, а также наличием скошенных поверхностей на верхнем и нижнем торцах. Некоторые типы щеток, из числа наиболее распространенных, представлены на листе 8 графической части дипломного проекта.

На подвижном составе нашли применение щетки первого и второго ряда – радиальные и реактивные  – имеющие принципиальное различие. Оно заключается в направлении приложения усилия нажимной пружины щеткодержателя. Это усилие совпадает с центральной вертикальной осью щетки и является нормалью к поверхности коллектора. Кроме того, это усилие образует как с осью щетки, так и с нормалью некоторый угол.

Согласно требованиям ГОСТ 12232.1 – 77 устанавливают пять  значений углов наклона  и шесть значений углов скоса   торцовых поверхностей щеток. Указанное различие этих двух типов – весьма существенный момент при выборе конструкции щеток применительно к конкретным условиям их работы в электрических машинах.

Сегодня ни практических, ни научных рекомендаций по выбору той или иной конструкции щеток не существует. Поэтому проектировщики электрических машин руководствуются своей интуицией либо принимают решение на основании анализа предшествующих проектов – аналогов.

В настоящее время принято применение радиальных щеток на всех коллекторных реверсивных электрических машинах, а также на нереверсивных, преимущественно с угловой скоростью вращения до 3000 об/мин и на машинах с контактными кольцами.

Реактивные щетки, в основном, применяют в нереверсивных, высоко-скоростных (n > 3000 об/мин) машинах, двигателях и генераторах с широким диапазоном частоты вращения.

Реактивные щетки имеют преимущество перед радиальными с точки зрения обеспечения наилучших условий токосъема, т. е. поддержания стабильного контакта, снижения электрических и механических потерь. Под «стабильностью контакта» здесь надо понимать устойчивость щетки от изменяющихся сил трения, особенно в процессе реверсирования, от внешних возмущающих сил ( биение коллектора, местные перепады коллекторных пластин ).

Чтобы понять, в какой мере эти факторы взаимно увязываются с конструкцией щетки и щеткодержателя, выполним следующий анализ. На листе 8 графической части дипломного проекта и рисунке 3 изображена простейшая схема расположения сил, воздействующих на щетку при работе на коллекторе электромашины. По существу, здесь действуют две силы: сила нажимной пружины щеткодержателя P,  направленная вдоль центральной оси щетки, и сила трения направленная в сторону вращения коллектора, и равная

                                                        F_тр,                             (5.1)

где  – коэффициент трения между щеткой и коллектором.

Согласно экспериментальным данным, в зависимости от марки щеточного материала коэффициент трения углерода по металлу (латунь, медь) находится в пределах 0,15 – 0,25. Сила трения, возникающая между коллектором и щеткой, прижимает  последнюю к  внутренней обойме щеткодержателя с силой равной

                                                       F_тр                             (5.2)

Эта сила создает своего рода благоприятные условия для относительно стабильности скользящего контакта, как бы снижая амплитуду тангенциальных составляющих вибрации щетки [2].

На практике эта роль сил трения как стабилизирующего фактора не столь значительна, поскольку в условиях постоянно действующих вибрационных процессов коэффициент трения снижается. В свою очередь, снижается и сила трения, которая должна удерживать щетку в постоянном соприкосновении со стенкой обоймы щеткодержателя. Иначе говоря, возникает состояние механической неустойчивости, которое особенно усугубляется при реверсировании. Это может привести к нарушению нормального токосъема – ухудшению коммутации, увеличений плотности тока, сколам набегающей части щетки.