Патент на изобретение №2176119

(54) СОСТАВ ДЛЯ ПРОПИТКИ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при пропитке щеток электрических машин, работа которых связана с высоким уровнем вибрации, высокими плотностями тока, в частности для тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных свойств пропитанных щеток за счет снижения износа коллектора, уменьшения коэффициента вибрации износа щеток, повышения их коммутирующей способности. Указанный технический результат достигается тем, что известный состав для пропитки щеток электрических машин, содержащий пленкообразующий олигомер, водный раствор 50% ортофосфорной кислоты и фуриловый спирт, в качестве пленкообразующего олигомера содержит водорастворимую фенолформальдегидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%: водорастворимая фенолформальдегидная смола 10-30, водный раствор ортофосфорной кислоты 0,5-6,5, фуриловый спирт остальное. 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике и касается состава для пропитки щеток электрических машин, работа которых связана с высоким уровнем вибраций, высокими плотностями тока, т.е. для тяговых двигателей городского и железнодорожного транспорта.

Известен состав для пропитки щеток электрических машин, содержащий фуриловый спирт с добавками фенолформальдегидных смол, растворимых в фуриловом спирте (патент Японии N 8454, 1973 г.).

Недостаток состава в том, что предварительная поликонденсация фурилового спирта приводит к увеличению размеров полимерных молекул, а это затрудняет проникновение молекул в поры пропитываемого материала, особенно в поры радиусом от 110^-8 до 110^-7 м, объем которых в графитированном материале составляет от общего объема открытых пор около 30%. Следовательно, задача повышения механической прочности решается только частично, и для работы на электрических машинах в условиях повышенных вибраций такие щетки недостаточно надежны.

Известен состав для пропитки щеток электрических машин на основе фурилового спирта и катализатора поликонденсации (ортофосфорной кислоты) и воды, которая в количестве 25 – 50% добавляется в фуриловый спирт (а.с. СССР N 348499, М.кл. C 01 B 31/04, 1972 г.).

Состав значительно более подвижен, он равномерно пропитывает открытые поры материала всего диапазона.

Недостатком известного состава является то, что у полимера, образующегося в порах щеточного материала в процессе поликонденсации пропитки, невысокая прочность и термостойкость. При определенных (экстремальных) условиях эксплуатации щеток из-за разрушения полимера нарушается процесс политурообразования на поверхности коллектора, что приводит к резкому возрастанию переходного падения напряжения в контакте, повышенному износу щеток.

Известен состав для пропитки щеток электрических машин, содержащий пленкообразующий олигомер – эпоксидную смолу, водный раствор ортофосфорной кислоты и фуриловый спирт (“Использование пленкообразующих веществ для пропитки электрощеточных материалов”. А.А. Бойко, О.Б. Казакова. Труды ВНИИЭИ, 1975 г., вып. 3, стр. 186-192 – прототип).

При пропитке щеток пленкообразующими веществами, к которым относится эпоксидная смола, увеличиваются прочностные характеристики щеток (модуль упругости, прочность при сжатии, изгибе).

Недостатком состава является то, что эпоксидная смола содержит эпоксигруппы с высокой реакционной способностью, особенно к меди коллектора, поэтому во влажных условиях работы происходит схватывание между щеткой и коллектором, что приводит к повышенной выработке коллектора.

Кроме того, состав для пропитки неравномерно распределяется по щетке, что сопровождается неравномерным износом щеток, перераспределением плотности тока, ухудшением коммутации.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных свойств пропитанных щеток за счет снижения износа коллектора, уменьшения коэффициента вариации износа щеток, повышения их коммутирующей способности.

Указанный технический результат достигается тем, что известный состав для пропитки щеток электрических машин, содержащий пленкообразующий олигомер, водный раствор ортофосфорной кислоты и фуриловый спирт, в качестве пленкообразующего олигомера содержит водорастворимую фенолформальдегидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Водорастворимая фенолформальдегидная смола – 10 – 30
Водный раствор ортофосфорной кислоты – 0,5 – 6,5
Фуриловый спирт – Остальное
Промышленная применимость предлагаемого технического решения несомненна, т.к. основными потребителями щеток электрических машин, изготовленных с использованием предлагаемого состава для пропитки, является городской и железнодорожный транспорт (троллейбусы, трамваи, электропоезда).

Щетки обеспечивают не только необходимый пробег транспорта, но и улучшают техническое состояние двигателя, качество его настройки в коммутационном отношении, условия его работы.

Сущность изобретения заключается в следующем. Углеграфитовые щеточные материалы имеют, как правило, 3 группы открытых пор радиусом от 110^-8 до 110^-7 м, от 110^-7 до 110^-6 м и выше 110^-6 м (“Исследование взаимосвязи вытекания пропитки и пористой структуры в образцах сажепековой композиции” Г. П. Гумилевская, В.Д. Чеканова и др. Труды ВНИИЭИ, 1975 г., вып. 3, стр. 157-161).

Для пропитки щеток электрических машин, работающих на городском и железнодорожном транспорте, как правило, используют пленкообразующие материалы, повышающие прочностные характеристики щеток. И, как правило, эти материалы (эпоксидные, полиимидные смолы, фторопласты и т.д.) растворимы в фуриловом спирте, но не растворимы в воде. В качестве же катализатора поликонденсации фурилового спирта используется водный раствор ортофосфорной кислоты. Поэтому такие пропиточные составы не являются истинными растворами. Щеточный материал с указанным диапазоном пор равномерно таким составом не пропитывается. Пропитываются или мелкие и часть средних пор, или часть средних и крупные поры.

Кроме того, в результате совершенно разного осмотического давления, развивающегося в порах разного размера, происходит расслоение раствора, и материал оказывается пропитанным разным составом. Неравномерность пропитки как по составу, так и по всему объему щетки усиливает неравномерность износа щеток в комплекте двигателя, ухудшает коммутацию.

Использование водорастворимой фенолформальдегидной смолы дает возможность получить в отличие от прототипа истинный однородный раствор, т.к. все компоненты пропиточного состава растворимы в воде. Такой раствор обладает повышенной адгезией, т. к. вода хорошо смачивает углерод, проникает во все открытые поры. Материал равномерно пропитывается однородным составом пропитки. Кроме того, благодаря присутствию в составе раствора двух равномерно распределенных отвердителей: ортофосфорной кислоты, которая ускоряет процесс отверждения фурилового спирта, и едкого натра (NaOH), который изначально входит в состав смолы и, в свою очередь, ускоряет процесс ее отверждения, реакции полимеризации и поликонденсации протекают одновременно. Тепло, выделяющееся при экзотермической реакции поликонденсации фурилового спирта, поглощается при эндотермической реакции полимеризации водорастворимой смолы. Образуется равномерная, однородная в своем составе пленка с высокой ударной стойкостью. Такая пропитка существенно снижает неравномерность износа щеток в комплекте двигателя, улучшая тем самым условия работы двигателя, а также коммутацию. Пропитка не взаимодействует с медью коллектора, за счет чего снижается износ коллектора.

Ниже приведены конкретные примеры составов для пропитки щеточного материала.

Пример 1 (прототип). 15,0 мас.% эпоксидной смолы растворяли в 84,0 мас.% фурилового спирта. В полученный раствор вводили 1,0 мас.% водного раствора (50%-ной концентрации) ортофосфорной кислоты. Полученным в результате перемешивания пропиточным составом в автоклаве при остаточном давлении 0,9 кгс/см² проводили в течение одного часа пропитку заготовок щеток типа ЭГ83 размером 12,5 х 32 х 57 мм. После пропитки щеточные заготовки подвергали сушке в течение 16 часов в печи туннельного типа при температуре 150^oC с периодичностью толкания контейнеров через один час. После сушки в заготовках определяли содержание пропитки по привесу полученного полимера и ударную стойкость по величине модуля упругости (ГОСТ 30262-95).

Изготовленные щетки испытывали по стандартной методике (методика НИИЭИ ФЭО.005.897) на стендовом тяговом двигателе НБ-418К при повышенной плотности тока.

Пример 2. 10 мас.% водорастворимой фенолформальдегидной смолы СФЖ-3012 (ГОСТ 20 907-75) растворяли в 89,5 мас.% фурилового спирта (ГОСТ 28 960-91). В полученный раствор вводили 0,5 мас.% водного раствора (50% концентрации) ортофосфорной кислоты. В силу растворимости всех компонентов в воде полученный раствор гомогенен.

В пропиточный раствор помещали заготовки щеток типа ЭГ-83 размером 12,5х32х37 мм и проводили пропитку в автоклаве при остаточном давлении 0,94 кгс/см² в течение 30 мин. После пропитки щеточные заготовки подвергали сушке в течение 16 часов в печи туннельного типа при конечной температуре 150^oC с периодичностью толкания контейнеров через один час.

После сушки в заготовках определяли содержание пропитки по привесу полученного полимера и ударную стойкость по величине модуля упругости (ГОСТ 30262-95).

Изготовленные щетки испытывали по стандартной методике (методика НИИЭИ ФЭО. 005.897) на стендовом тяговом двигателе НБ – 418 К при повышенной плотности тока.

Пример 3. 20 мас.% водорастворимой фенолформальдегидной смолы СФЖ-3012 (ГОСТ 20907-75) растворяли в 76,5 мас.% фурилового спирта (ГОСТ 28960-91). В полученный раствор вводили 3,5 мас.% водного раствора (50% концентрации) ортофосфорной кислоты. В пропиточный раствор помещали заготовки щеток типа ЭГ-83 размером 12,5 х 32 х 57 мм и проводили пропитку в автоклаве при остаточном давлении 0,94 кгс/см² в течение 30 мин. Дальнейший ход технологического процесса изложен в примере 2.

Пример 4. 30 мас.% водорастворимой фенолформальдегидной смолы СФЖ-3012 (ГОСТ 20907-75) растворяли в 63,5 мас.% фурилового спирта (ГОСТ 28960-91). В полученный раствор вводили 6,5 мас.% водного раствора (50% концентрации) ортофосфорной кислоты. В пропиточный раствор помещали заготовки типа ЭГ-83 размером 12,5х32х57 мм и проводили в автоклаве при остаточном давлении 0,94 кгс/см² пропитку в течение 30 мин. Дальнейший ход технологического процесса изложен в примере 2. Результаты испытаний по примерам 1 – 4 даны в таблице.

Как видно из таблицы, использование предлагаемого состава для пропитки щеток дает возможность значительно полнее пропитать заготовку, о чем свидетельствует содержание пропитки. Образовавшийся в порах продукт поликонденсации обладает более высокой ударной стойкостью в сравнении с прототипом, что особенно важно для щеток тяговых электрических машин, работающих в условиях повышенных ударных нагрузок на стыках рельс, особенно в районах с холодным климатом.

Об однородности и равномерности пропитки щеток свидетельствует резкое снижение коэффициента вариации износа в комплекте щеток, устанавливаемых на двигатель. Это влечет за собой значительно более стабильную работу щеточно-коллекторного узла: снижается износ щеток, выше индекс коммутации, существенно снижается износ коллектора.

Формула изобретения

Состав для пропитки щеток электрических машин, содержащий пленкообразующий олигомер, водный раствор 50%-ной ортофосфорной кислоты, фуриловый спирт, отличающийся тем, что в качестве пленкообразующего олигомера он содержит водорастворимую фенолформальдегидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Водорастворимая фенолформальдегидная смола – 10-30
Водный раствор ортофосфорной кислоты – 0,5-6,5
Фуриловый спирт – Остальное

РИСУНКИ