Улучшение работы щеточного контакта

В обмотку ротора ток подается через контактные кольца с помощью угольно-графитовых щеток, прижатых к их поверхности. Окружная скорость на рабочей поверхности колец при номинальной частоте вращения доходит до 70—75 м/с. В этих условиях на преодоление сил трения, возникающих между кольцами и щетками, и на перенос тока с поверхности щеток на поверхность кольца расходуется часть мощности, подводимой к валу ротора.

Надежность работы щеточного контакта зависит от твердости, формы и чистоты обработки трущихся поверхностей кольца и щеток, давления последних на кольцо, температуры нагрева и плотности тока в контактной зоне, а также от влажности и степени загрязнения атмосферы, в которой работают контактные кольца, пылью и парами масла. Переходное падение напряжения в контактном слое пропорционально проходящему току и для пары щеток мерки ЭГ-4 при плотности тока 7—10 А/мм² равно приблизительно 1,8 и 1,4 В соответственно для щеток отрицательной и положительной полярности. При наличии искрения указанная величина может значительно возрастать.

Условия работы скользящего контакта. Рассмотрим подробнее влияние перечисленных выше, факторов на работу щеточного контакта. Контактные пары, в которых кольца из термообработанной стали с твердостью рабочей поверхности работают со щетками марки ГЭ-2АФ или кольца из стали 35ХН3МАР работают со щетками ЭГ-2А, имеют лучшие показатели. Для контактных колец, изготовленных из стали более высокой твердости, необходимо применять и щетки марок более высокой твердости.

Наибольшим коэффициентом трения обладают щетки ЭГ-4 и ЭГ-2АФ при работе без прохождения тока в скользящем контакте (холостой ход без возбуждения). Так, например, для турбогенератора мощностью 200 МВт, работающего со щетками ЭГ-4, потери на трение в контактных кольцах в указанном режиме могут достигать 30—40 кВт, что приводит к сильному (до 180—200 °С) разогреву щеточного аппарата. Для этих щеток характерно резкое увеличение коэффициента трения при снижении плотности тока. У щеток марки ЭГ-2АФ коэффициент трения, равный при холостом ходе без возбуждения 0,35, уменьшается при работе под нагрузкой до 0,014.

У щеток зависимость коэффициента трения от прохождения тока в скользящем контакте, выражена менее резко, хотя и у них коэффициент трения снижается с 0,15 до 0,04 при изменении плотности тока от нуля до 10 А/см². Это объясняется тем, что при повышении плотности тока возрастает скорость износа щеток, увеличивается количество частиц износа, что вызывает переход работы контакта от трения скольжения к трению скольжения качения, причем скользящий контакт работает в области граничного трения вследствие образования на поверхности кольца окисной пленки (политуры). Эта окисная пленка существенно улучшает условия работы скользящего контакта.

Для формирования и сохранения равномерной и плотной пленки основное значение имеет температурный режим работы колец, определяемый плотностью тока под щеткой и силой давления. Оптимальная плотность тока для щеток марки ЭГ-4 составляет 8—12 А/см², а сила давления пружин в щеткодержателях должна обеспечивать давление под щеткой 0,016—0,02 МПа. Оптимальная сила давления уточняется в зависимости от конкретных условий эксплуатации щеточного узла, уровня вибрации контактных колец, материала контактных колец и щеток, запыленности и влажности окружающей атмосферы и др.

Кроме давления существенное влияние на износ щеток при одинаковых состояниях рабочей поверхности, амплитуде вибрации и других параметрах оказывают их расположение на поверхности колец и расстояние между ними. При указанной выше плотности тока и окружной скорости кольца 70—80 м/с оптимальное расстояние между щетками (по ходу вращения кольца), обеспечивающее их минимальный износ, равно 50—60 мм.

Работа скользящего контакта сопровождается износом не только угольных щеток, но и контактных колец, который при рекомендуемой плотности тока (8—12 А/см²) имеет резко выраженный полярный характер: износ отрицательных колец значительно выше, чем положительных. Поэтому для равномерной выработки колец приходится периодически изменять их полярность. Во избежание нарушений в работе щеток при такой смене в течение первых 4—6 ч ток ротора должен быть не более 30—50% номинального. Опыт эксплуатации показал, что щеточный контакт работает лучше, если на кольцах отрицательной полярности стоят щетки марок 611 А, ЭГ-4, ЭГ-2АФ, а на кольцах положительной полярности щетки марок 611А и ЭГ-4А.

На эффективность работы щеточного аппарата большое влияние оказывает вибрационное состояние конца вала, на котором расположены контактные кольца. Амплитуда вибрации вала на блочных турбогенераторах редко бывает ниже 200—300 мкм. В этих условиях большое значение имеет вибростойкость щеток — способность их сопротивляться интенсивному износу и разрушению (скалыванию) при повышенной вибрации. Наиболее вибростойки щетки марки 611А плотностью 1,54—1,55 г/см³. Интенсивность окалывания щеток при работе с вибрацией зависит также от ориентации щетки относительно направления вращения кольца.

Щетки изготавливаются методом прессования, при котором направление усилия опресоовки обычно совпадает с шириной щетки. Установлено, что интенсивность сколов уменьшается, если щетка поставлена так, что направление усилия прессования совпадает с направлением вращения контактного кольца. Нарушение этого условия (например, на турбогенераторах ТГВ-200, ТГВ-300, где плоскость прессования щёток повернута на 90° относительно направления вращения) приводит к интенсивному сколу щеток даже при низком уровне вибрации колец.

Улучшению условий работы щеток (особенно на турбогенераторах ТПВ-200) при вибрации колец до 500 мкм способствует установка между щеткой и нажимным стержнем щеткодержателя резиновой накладки толщиной 10 мм из теплостойкой резины средней твердости. Для нормальной работы щеток большое значение имеет состав окружающей среды. Наиболее благоприятные условия создаются при влажности 50—75% и отсутствии пыли и паров масла. При пониженной влажности следует применять электрографитированные щетки марок ЭГ-2АФ, ЭГ-4 в сочетании с бестоковыми графитными щетками марки 611 А, способствующими образованию политуры на поверхности колец и уменьшающими износ основных (токопередающих) щеток.

При повышенной влажности (более 80%) и загрязненной атмосфере ту же роль выполняют бестоковые электрографинированные сажевые щетки ЭГ-4. Количество бестоковых щеток подбирается так, чтобы перекрыть всю рабочую ширину контактного кольца.

Для машин с замкнутой системой вентиляции аппарата щеткодержателей с целью уменьшения запыленности рекомендуется уплотнять фильтр, а также очищать его 1 раз в 1,5—2 мес с последующим омачиванием в висцинавом масле или его заменителе. Очистку секций воздухоохладителя производят по мере необходимости, выполняя ее во время текущего и капитального ремонта.

Во избежание появления в зоне щеточного контакта масляных паров, которые засасываются вентилятором контактных колец из примыкающего к ним подшипника генератора, рекомендуется один средний вентилятор заменить двумя автономными, расположенными по обе стороны контактных колец. Тогда забор охлаждающего воздуха происходит в зоне, более удаленной от подшипника, чем в генераторе заводского исполнения, а выбрасываемый в сторону подшипника горячий воздух исключает возможность попадания масляных паров на кольца.

Эффективность работы контактных колец можно повысить, если на их рабочих поверхностях сделать нарезку по образцу той, которая выполняется заводами, на турбогенераторах с форсированным охлаждением. Нарезка придает кольцам свойство самовентиляции, обеспечивающей более интенсивный отвод тепловых потерь из зоны контакта. При вращении кольца с гладкой поверхностью под щеткой появляется аэродинамическая подъемная сила, приподнимающая щетку и образующая под ней клиновой воздушный зазор, ухудшающий качество скользящего контакта. Нарезка снижает эту подъемную силу: под краем щетки образуется разрежение, вследствие чего возникает добавочное усилие, прижимающее щетку к кольцу.

Направление нарезки следует согласовывать с направлением вращения ротора, с тем чтобы угольная пыль, образующаяся при работе, сдувалась потоком охлаждающего воздуха. Нарезку следует выполнять многозаходной с углом наклона около 25°, так как коэффициент теплоотдачи при этом приблизительно в 4 раза выше, чем при обычной однозаходной нарезке. Ширина щеток для колец с нарезкой должна выбираться кратной шагу винтовой линии во избежание изменения ширины контактной поверхности щетки при вращении кольца, что вызывает периодическое изменение давления на щетку и увеличивает неравномерность распределения тока.

Проточка контактных колец. Наибольшее влияние на работу щеточного контакта оказывает состояние поверхности контактных колец. Если статическое радиальное биение и перепад высот рабочих дорожек, проверенные индикатором часового типа (с ценой деления 0,01 мм) в холодном состоянии ротора, при вращении его овалоповоротным устройством превышают 0,2—0,3 мм, а на контактной поверхности колец имеются следы эрозии, подгары, участии с матовой поверхностью и пр., то необходимы проточка и шлифовка колец. Кольца протачиваются, если выработка контактной поверхности кольца превышает 1 мм; для проточки используется специальное приспособление, имеющее резцы с пластинами из твердых сплавов типов Т15К6, Т14К8, Т5КШ и др.

При выработке поверхности меньше указанной можно обойтись одним шлифованием. В качестве привода шлифовального круга применяются стандартные шлифовальные машины: электрические ИЭ-2004 (Э-2005), ИЭ-2002 (С-499А) или пневматические ИП-2001 (П2013), ИП-2211 (П-44А).

Глубина резания при проточке 0,1—0,2 мм, скорость продольной подачи 0,1—0,15 мм/об при вращении вала валоловоротным механизмом с окружной скоростью на поверхности резания 5—7 м/мин. Проточка производится до полного удаления на обрабатываемой поверхности всех дефектов, после чего чистовым резцом снимается последняя стружка и затем выполняется предварительное и окончательное шлифование. В процессе проточки и особенно шлифования могут возникнуть следующие дефекты цилиндрической поверхности кольца: овальность, образующаяся из-за колебаний ротора в подшипниках, неодинаковой жесткости ротора относительно оси полюсов и перпендикулярной ей оси или из-за недостаточной жесткости шлифовального приспособления; волнистость, вызываемая овальностью и биением шлифовального круга, упругими иколебаниями, возникающими в горизонтальной плоскости между кольцами и шлифовальным кругом, или неуравновешенностью шпиндельного узла шлифовальной головки.

Появлению дефектов на обрабатываемой поверхности способствуют затупление и засаливание шлифовального круга, характерные для кругов с уменьшенным размером абразивных зерен. При засаливании на поверхности круга появляются участии, потерявшие способность резаний и образующие волнистую поверхность. Шлифование рабочей поверхности колец производится кругами в режимах предварительного и окончательного шлифования.

При предварительном шлифовании рекомендуется снимать слой металла толщиной не менее 0,3—0,4 мм, при этом обеспечивается класс чистоты обрабатываемой поверхности V 7—V 6. В режиме предварительного шлифования окружная скорость поверхности контактных колец должна быть 5—7 м/мин, окружная скорость поверхности круга — 20—30 м/с, глубина шлифования (поперечная поддача) — 0,01—0,02 мм, продольная подача (0,5—0,6) В мм за один оборот ротора, где В — ширина круга в миллиметрах; направление вращения круга встречное по отношению к вращению ротора.

В процессе шлифования (происходит затупление круга, что сопровождается изменением чистоты обрабатываемой поверхности, появлением прижогов, уменьшением интенсивности обработки, появлением дополнительного характерного шума. Для восстановления режущей способности круга и получения качественной поверхности контактных колец необходимо периодически проводить правку круга. В качестве инструмента для правки шлифовального круга применяются технические алмазы в виде алмазно-металлических карандашей или твердосплавные кольцевые диски.

Охлаждающие жидкости при шлифовке контактных колец применять нельзя из-за опасности падения сопротивления изоляции токоведущих частей. В качестве охлаждающей среды применяется сухой воздух, подаваемый под давлением 0,3—0,4 МП а непосредственно в зону контакта шлифовального круга с кольцом.

Окончательное шлифование целесообразно проводить методом «выхаживания», заключающимся в перемещении шлифовального круга вдоль контактного кольца без дополнительной поперечной подачи. При этом чистоту поверхности для контактных колец с гладкой цилиндрической поверхностью (без нарезки) следует доводить до V6 — V7, но не выше, так как в этом случае контакт становится механически не стойким. Для контактных колец с нарезкой рекомендуется повышение чистоты обработки поверхности до V8 — V9.
Параметры режима окончательного шлифования: окружная скорость поверхности контактных колец 5—7 м/мин, окружная скорость поверхности круга 20—30 м/с, глубина шлифования (поперечная подача) 0,005 — 0,01 мм, продольная подача 0,15—0,25 мм за один оборот вала. При шлифовании всухую хорошие результаты дают круги на бакелитовой связке, работающие с самозатачиванием (например, круги марок МЭБ25 и 16C26). Для выравнивания поверхности шлифовального круга и удалений дефектного слоя правку круга проводят твердосплавными дисками.

После проведения окончательной шлифовки радиальное биение контактных колец не должно превышать 0,02—0,03 мм. Отделочная обработка поверхности контактных колец, обеспечивающая их «зеркальную» чистоту, проводится мягкими абразивными кругами на основе войлока с применением пасты.

Выводы. Улучшение работы щеточного аппарата, сопровождающееся снижением потерь, обеспечивается в основном правильным подбором марок щеток и их количества, оптимальной силой давления пружин и способом размещения щеток на контактном кольце, хорошим состоянием рабочих поверхностей щеток и колец и низким уровнем вибрации конца вала, осушением и очищением воздуха, охлаждающего кольца.

Азбукин Ю. И., Повышение эффективности эксплуатации турбогенераторов. — М.: Энергеатомиздат, 1983