Обеспечение долговечности и надежности контактных колец токосъемных устройств при работе в упруго-пластическом состоянии

Бесплатный доступ

Надежность работы кольцевых токосъемных устройств в течение заданного срока службы играет определяющую роль в работе систем электропитания различной техники и во многом зависит от прочности и надежности всех его компонентов, в частности, контактных колец. Одной из важнейших характеристик кольцевых токосъемных устройств является сопротивление контакта, уменьшение которого осуществляют путем применения цветных и драгоценных материалов, обладающих низким сопротивлением, с одновременным увеличением прижимной силы между кольцами токосъемника. Такой подход приводит к резкому росту напряжений в контактном кольце, которые могут достигать и даже превышать предел текучести материала, циклически изменяясь по кольцу в процессе вращения кольца с последующим усталостным разрушением. Однако работоспособность контактных колец в таких тяжелых условиях вполне можно обеспечить в случае малых скоростей движения и небольшого числа циклов нагружения за счет использования области малоцикловой усталости на кривой Веллера. Для этого в данной работе предложены методы аналитического расчета напряженно-деформированного состояния кольца токосъемного устройства, которые позволяют определить уровень действующих напряжений в материале и по кривой Веллера определить допускаемое число циклов нагружения и коэффициент запаса по усталости. Также предложен метод расчета надежности кольца, который позволяет оценивать вероятность безотказной работы и разрушения. По предложенным методикам выполнены расчеты колец токосъемного устройства, применяемого в космических аппаратах типа «Экспресс», которые показали работоспособность методик и позволили обеспечить требуемый срок службы контактных колец и их надежность. Предложенная аналитическая формулировка методик позволяет решать как проверочные, так и проектировочные расчеты колец в зависимости от поставленной задачи.

Еще

Кольцевое токосъемное устройство, контактное кольцо, прочность, пластичность, малоцикловая усталость, надежность, вероятность безотказной работы

Короткий адрес: https://sciup.org/148329063

IDR: 148329063   |   УДК: 629.7.064.5,   |   DOI: 10.31772/2712-8970-2024-25-2-190-201

Ensuring durability and reliability of contact rings of current collection devices when working in elastic-plastic state

The reliability of ring current-collecting devices during a given service life plays a decisive role in the operation of power supply systems of various equipment and largely depends on the strength and reliability of all its components, in particular, contact rings. One of the most important characteristics of ring current collectors is the contact resistance, which is reduced by using non-ferrous and precious materials with low resistance, while increasing the downforce between the rings of the current collector. With an increase in the compression force F of the contact ring, the resistance of the contacts decreases to a certain minimum value and practically does not decrease with further growth of the force. The dependence of the contact resistance on the compression force has the form of a power function, the coefficients of which are determined experimentally. However, the operability of the contact rings in such severe conditions can be ensured in the case of low speeds and a small number of loading cycles by using the low-cycle fatigue area on the Weller curve. Having determined the coefficients of the equation of the inclined section on the Weller curve in the area of low-cycle fatigue, it is possible to determine the number of permissible loading cycles at a given stress level or solve the inverse problem of determining the permissible stress level if the number of loading cycles is known. To substantiate the correctness of the selected compressive force and the corresponding stresses, methods for calculating the fatigue margin coefficient, as well as a method for calculating the reliability of the ring material, are proposed. Reliability is estimated by the Gauss curve and is numerically expressed in the form of the probability of failure-free operation and the probability of failure, for which the corresponding theoretical dependencies are obtained. According to the proposed methods, calculations of the rings of the current-collection device used in EXPRESS-type spacecraft were performed, which showed the operability of the methods and allowed to ensure the required service life of the contact rings and their reliability. A very simple analytical formulation of the methods allows us to solve both verification and design calculations of rings, depending on the task at hand.

Еще

Список литературы Обеспечение долговечности и надежности контактных колец токосъемных устройств при работе в упруго-пластическом состоянии

  • Гришин А. А., Кудрявцев И. В. Обеспечение прочности контактных колец токосъёмных устройств космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2018. № 3(102). С. 81–91.
  • Разработка и внедрение в промышленное производство унифицированной высокоэнергетической космической платформы «Экспресс-2000» и создание на ее базе современных, конкурентоспособных космических аппаратов связи и телекоммуникаций / В. Е. Косенко, А. Н. Акимов, Ю. Г. Выгонский и др. ; АО «ИСС». 2015. 100 с.
  • Гришин А. А., Смирнов Н. А., Харитонов А. И. Анализ конструкции кольцевых токосъемных устройств // Вестник СибГАУ. 2014. № 5 (57). С. 146–153.
  • Гришин А. А. Потери на токосъемных устройствах при передаче электрической энергии от солнечных батарей на космический аппарат // Труды МАИ. 2017. № 97. С. 6.
  • Holmberg K. Tribological contact analysis of a rigid ball sliding on a hard coated surface. Part I: Modelling stresses and strains // Surf. Coat. Tech. 2006. Vol. 200. P. 3793–3809.
  • Драгунов Ю. Б., Зубченко А. С., Каширский Ю. В. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2014. 1216 с.
  • Основы теории электрических аппаратов / под общ. ред. И. С. Таева. М.: Высшая школа, 1987. 352 с.
  • Электрический справочник в 3-х т. Т. 2. Электротехнические устройства / под общ. ред. проф. МЭИ В. Г. Герасимова. М.: Энергоиздат, 1981. 640 с.
  • Демкин Н. Б. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 244 с.
  • Комаров А. А. Электрические контакты. Самара: СамИИТ, 2001. 51 с.
  • Кацман М. М. Электрические машины. М.: Академия, 2017. 496 с.
  • Бойченко В. И. Контактные соединения токоведущих шин. Л.: Энергия, 1978. 144 с.
  • Мерл В. Электрические контакты. М. – Л.: Госэнергоиздат, 1962. 80 с.
  • Бредихин А. Н. Электрические контактные соединения. М.: Энергия, 1980. 168 с.
  • Домкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227 с.
  • Шлыков Ю. П. Контактное и термическое сопротивление. М.: Энергия, 1977. 328 с.
  • Ким Е. И., Омельченко В. Г., Харин С. Н. Математические модели процессов в электрических контактах. Алма-Ата: Наука, 1977. 236 с.
  • Усов В. В. Металловедение электрических контактов. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. 208 с.
  • Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. 10-е изд. М.: МГТУ, 1999. 592 с
  • Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. 640 с.
  • Хейвуд Р. Б. Проектирование с учетом усталости. М.: Машиностроение, 1982, 490 с.
  • Трощенко В. Т. Прочность металлов при переменных нагрузках. Киев: Наук. думка, 1978. 176 с.
  • Головин С. А., Пушкар А., Левин Д. М. Упругие и демпфирующие свойства конструкционных металлических материалов. М.: Металлургия, 1987. 190 с.
  • Терентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. М.: Наука. 2015. 479 с.
  • Зарубин B. C., Крищенко А. П. Теория вероятностей. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. 456 с.
  • Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 2001. 575 с.
  • Дульнев Р. А. Термическая усталость материалов. М.: Машиностроение, 1980, 200 с.
  • Залесский А. М. Тепловые расчёты электрических контактов. Л.: Энергия, 1967. 380 с.
Еще