הבנת התפקיד של טריבולוגיה במבצע של מנועים חשמליים וגנרטורים

מבוא

הביצועים והארוכות של מנועים חשמליים וגנרטורים מתפתלים על השליטה בחיכוך ובלבוש בכל ממשק מגע. בעוד שעיצוב חשמלי ומגנטי שולט לעתים קרובות באור הזרקור, האינטראקציות המכאניות בין חלקים נעים קובעים יעילות בעולם האמיתי, אמינות ועלויות תחזוקה. Tribology - המדע של אינטראקציה משטחים בתנועה יחסית - מספק את העקרונות הבסיסיים כי מהנדסים להשתמש כדי למזער אובדן אנרגיה, מניעת מוקדם, ומניעה של פעילות גופנית חיונית עבור שיטות הפעלה אופטיקה של שיטות הפעלה חיוניות של שיטות עיצוב חשמליות.

פריצה מהווה חלק משמעותי של אובדן אנרגיה במכונות מסתובבות.על פי הערכות התעשייה, כ-20-30% מהאנרגיה הנצרכים על ידי מנועים חשמליים, מתפוררת כחום בשל חיכוך בנושאים, חותמות, ועוד מגעים מחוסנים אחרים. בדומה, בגנרטורים, ללבוש לא מחוסנים יכול להוביל להפחתה ולכישלונות קטסטרופליים.

מאמר זה מרחיב את התוכן המקורי כדי לספק מדריך מקיף ומעשי לטריבולוגיה במנועים חשמליים גנרטורים.זה מכסה את המנגנונים הבסיסיים, יישומים ספציפיים וטכנולוגיות מתפתחות המעצבות את הדור הבא של מכונות חשמל מסתובבות.

יסודות הטריבולוגיה

Tribology הוא תחום רב תחומי המשלב הנדסה מכנית, חומרים מדע וכימיה. דאגות הליבה שלה הן חיכוך, ללבוש, סיכה - שלושה תופעות הקשורות בין-תחומיות ששולטות בהתנהגות של מגע על פני השטח תחת עומס ותנועה.

פריצה ב-Rretating Machinery

פריצה היא ההתנגדות כי משטח אחד נתקל בעת מעבר אחר.במנועים חשמליים גנרטורים, החיכוך מתרחש בעיקר בנשאות, חותמות, מגעים מברשות-commutator (במכונות DC), וכל ממשק מחוסן בין חלקים נעים ותחנתיים.המקדם של החיכוך תלוי בחומרים, על פני השטח, על עובי סיכה, ותנאי תפעול כגון מהירות, טמפרטורה.

שני סוגי החיכוך העיקריים רלוונטיים:

(FLT:0) חיכוך סטטיים (FLT:1): הכוח הנדרש ליזום תנועה.זה בדרך כלל גבוה יותר מחיכוך דינמי ויכול להוביל לבעיות סטייקה במהלך ההפעלה.
(ב) חיכוך (דינמיקה) ; ההתנגדות בעוד פני השטח נמצאים בתנועה.

הבנת משטר החיכוך - ריבארי, מעורב, או הידרודינמיקה - היא קריטית לבחירת סיכה נכונה וחיזוי אובדן אנרגיה.לדוגמה, במנועים של מערכת חשמל הפועלים על פני טווח מהירות רחב, נושאים עשויים לעבור משקע מעורב במהירויות נמוכות לטבוליות הידרודינמית מלאה במהירויות גבוהות, הדורשות ניסוחים מטושטשים מותאמים.

ללבוש מכניזם המשפיע על מכונות חשמליות

ללבוש הוא אובדן הדרגתי של חומר ממגע פני השטח.במנועים וגנרטורים, ללבוש יכול להתפשר סובלנות, להגביר את הרטט, לייצר contaminants, ובסופו של דבר לגרום להתקפים או כישלון.

(ב) [ה]: [ה] [ה], [ה], [ה], [ה],] [ה], [ה], [ה],]] [ה], [ה]], [התעל ידי] חלקיקים קשים (החבורים או עונדים את ההריסות].
(ב) [ה]: [ה], [ה],] [ה], [ה],] כאשר מתרחשת כאשר הנפיחות הקרה המקומית בין תוצאות הספירות בהעברה חומרית.
(ב) [ה]הטעיה חוזרת של אופניים מובילה לסדקים תת-קרקעיים שמפיץים וגורמים לנפיחות או לנפיחות.זהו מצב הכישלון הדומיננטי במילוי של נושאים תחת עומסים גבוהים.
(FLT:0Corrosive WearFLT:1): התקפה כימית של פני השטח, לעתים קרובות מואצת על ידי לחות, חומצות מן lubricants, או שחרור חשמלי משקע (EDM) מזרמים פירים בכוננים משתנים- ⁇ .

כל מנגנון דורש אסטרטגיות שונות של הקטנת - ציפויים קשיחים עבור שחיקה, חבילות תוספת סיכה טובה יותר עבור דבקות, פלדה נקייה לעייפות, וייבוש מצחצופים או בידוד נושאים עבור פריקה חשמלית.

התפקיד של Lubrication

לובריציה מפרידה בין משטחים נעים עם סרט דק המקטין את החיכוך והלבוש. במנועים חשמליים גנרטורים, יש צורך גם לספק קירור, להגן מפני קורוזיה, ולעתים קרובות להוליך חום מהנושאים.

(FLT:0) Hydroדינמית lubricationcationcationFLT:1; סרט נוזל מתמשך מפריד לחלוטין פני השטח.זה קורה בכתב העת נושאים במהירויות גבוהות מספיק והוא המשטר היעיל ביותר עם חיכוך מינימלי ולבוש.
(FLT:0)Elastohydroדינמית סיכה (EHLig)FLT:1: במילוי נושאים ואביזרים, עיוות אלסטי של פני השטח, בשילוב עם התנהגות הלחץ של lubricant, יוצר סרט דק מאוד המונע מגע מתכת-למתכת.
(FLT:0)boundary lubricationcationout:1: תחת מהירויות נמוכות, עומסים גבוהים או סרטים דקים, אספרורי פני השטח באים במגע. Additives in the lubricant - כגון אנטי-wear (AW) וסוכני לחץ קיצוני (EP) - להפוך סרטים הגנה למזער נזק.

הבחירה של שמן בסיס lubricant (mineral, סינתטי, או ביומדן) וחבילת תוסף תלויה הטמפרטורה התפעולית, מהירות, עומס, מגבלות סביבתיות. שמנים סינתטיים משמשים יותר ויותר ביישומים ביצועים גבוהים וכלי רכב חשמליים בשל היציבות התרמית הגבוהה ביותר שלהם ותנודתיות נמוכה.

טריבולוגיה ב- Electric Motors

מנועים חשמליים הופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.יעילותם ואמינותם מושפעים ישירות על ידי עיצוב טריבולוגי בנשאות, חותמות, ו (בכמה עיצובים) נוסעים או טבעות חלקלקות.

מערכות ב Motors

דובים הם המרכיבים הטריביולוגיים הקריטיים ביותר בכל מכונה מסתובבת.במנועים חשמליים, הסוגים הנפוצים ביותר הם נושאים בכדורי אדמה כבדים (על עומסים קסיליים ובינוניים) ונושאי רולר גליליים צילינדרים (על עומסים קסומים כבדים). במהירויות גבוהות או תנאים קיצוניים, מגעים זוויתיים או כתבי עתוי סרטני נוזל עשויים להיות מוגדרים.

שיקולים תלת-תחומיים מרכזיים לנושאי מנוע כוללים:

(ב) [ה]הדירוג וההרשאות החיים [ה]: החיים נושאים הם יחסית ביחס לעומס על הכוח השלישי (נושאי כדור) או 10/3 כוח (מעליות מחיר).
(ב) ⁇ :0) קליר ו preloadFLT:1: יותר מדי צלולות מגבירה את הרטט והלבש; מעט מדי מוביל לדור חום וכישלון פנימי חייב לקחת בחשבון את ההתרחבות התרמית במהלך המבצע.
(FLT:0Cage material and designFLT:1: כלובים מנחים את אלמנטים מתגלגלים ולהפחית חיכוך. כלובים פולימר (למשל, פולימיד) נפוצים במנועים חשמליים בשל נטייה נמוכה יותר וכדאיות סיכה טובה יותר, אבל כלוב מתכת משמשים לטמפרטורות גבוהות.

אסטרטגיות להורדת Motor Bearings

רוב המנועים החשמליים הקטנים לבינוניים הם מחוסנים לפשטות ותחזוקה נמוכה. גראז הוא סיכה חצי-סולנית המכילה שמן בסיס, עבה, ותוספים. מבחר נזלת תקין מרווחי נשימה הם חיוניים:

(ב) [15] ,NLGI, שיעור המידות של NLGI 2 או 3 שיבושים אופייניים לנושאי כדור; ציונים קלים יותר עבור מערכות ריכוזיות.
(FLT:0) ,Base שמן צומת 1: חייב להיות מספיק כדי ליצור סרט הפרדה בטמפרטורה הפעלה.
(ב) ,0) תוספות עבור מנועים חשמליים: נגד נשבעים, מעכבי חלודה ויציבות חמצון הם הכרחיים.עבור מכונות שנחשפו זרמים, התנהגות חשמלית או בידוד עשויים להיות נדרשים למנוע נזקי EDM.

סיכה שמן משמש מנועים גדולים יותר או אלה עם יומן שמן שמן המכיל נושאים. מערכות תפוצה שמן לספק גם סיכה קירור. מהירויות שמן תקין, סינון, קירור הם קריטי לשמור על הסרט הידרודינמי.

חידוש ב-Rreor-Stator Interfaces

בעוד הרוטור אינו פונה פיזית למפעיל בפעולה נורמלית, פער האוויר אינו ממשק משולש.

(FLT:0) אובדן של ניצחונות ב-Wondage LossFLT:1: חיכוך בין פני השטח המסתובב לבין האוויר שמסביב או הגז הקריר עולה עם מהירות וחוספס פני השטח.
(FLT:0) חיכוך אווירי (FLT:1): חותמות מעבדה או חותמות מגע סביב הפיר לייצר הפסדים חיכוך ללבוש.לא מגעים (חותמות גז, חותמות מגנטיות) משמשים ביעילות גבוהה או מכונות מהירות גבוהה.
(FLT:0BrushחיכוךFLT:1): ב- DC מנועים ו-rotor induction גנרטורים, מצחצחים להחליק על נוסעים או טבעות חלקלקות. חיכוך Brush תלוי בכיתת צחצוח, לחץ האביב, ומצב פני השטח.

בחירה והנדסת פני השטח

בחירת החומרים הנכונים עבור מגעים מזחלים וגלגלים יכול לשפר באופן דרסטי את ההתנגדות ללבוש ולצמצם את החיכוך.חומרים נפוצים בנשאות מוטוריות כוללים פלדה chrome (AISI 52100) עבור כדורים וטבעות, ופלדות קשות במקרה עבור רולרים. עבור סביבות קיצוניות, כדורי קרמיקה (Silicon nitride) משמשים יותר ויותר במשבים היברידיים.

טכניקות הנדסיות Surface כגון ציפוי, טקסט וטיפול חום משפרות ביצועים תלת-ביולוגיים:

(FLT:0) דימיון דמוי פחמן (DLC) ציפויים FLT:1 על אלמנטים מתגלגלים או מסלולי מרוץ להפחית את החיכוך ולשפר את קשיחות פני השטח.
(ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ :0) , טקסט מוצף עם microdimplesFLT ( 1:1) יכול לפעול כמו מאגרים סיכה ומלכודת ללבוש פסולת, להאריך את החיים.

Tribology in Generators

גנרטורים להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית, לעתים קרובות פועל במהירות קבועה (מכונות סינכרוניות) או מהירות משתנה (טורבינה חמה) אתגרים תלת-בולוגיים דומים למנועים, אך לעתים קרובות יותר קשה בשל גדלים גדולים יותר, עומסים גבוהים יותר, ופעולה רציפה.

תגית: Large-Scale Generator Bearings

ב גנרטורים בקנה מידה שימושי (גרוביות גז, טורבינות קיטור, גנרטורים הידרוגרנרים), הרוטורים יכולים לשקול עשרות טונות וספין ב 3000 או 3600 RPM. Theנשאs בדרך כלל הטיה יומן ניירת או שרוולים קבועים פרופילים הפועלים תחת סיכה הידרודינמית.

(FLT:0)bitt brasFLT:1: מתכת לבנה רך (tin-או מבוסס מוביל) אשר מטביע חלקיקים קשים ומתאים לאי-השמדה קלה.
(FLT:0) עובי סרטני ויציבות: במהירויות גבוהות, שמן שוט או מערבול שמן יכול להתרחש, גרימת רטט.
(FLT:0) מערכת ההסרה 1: אספקת שמן מאולצת עם משאבות בעלות הון גבוה, קרירות ומסננים היא סטנדרטית. שמן חייב להיות ללא מים ובודדים כדי למנוע ללבוש קורוזיה וחסימות.

Thrust נושאת גנרטורים אנכיים (למשל, הידרו) חייב לתמוך עומסים אקסקליים עצומים. מעמיסים מוצצים או מרופפים מפוסקים בשימוש, שופעים באספקת שמן רציפה.לבוש בסטארט-אפ וסגורה (התחילה משולבת) הוא שיקול עיצובי מרכזי.

ללבוש טבעות Slip ו-Blocks

גנרטורים הדורשים צוטטות מן הרקטור (למשל, גנרטורים סינכרוניים של הפצע) משתמשים טבעות החלקלקות ומברשתי פחמן כדי להעביר DC זרם לשדה מסתובב.זה מציף חוויות מגע חשמליות מתפתלות הן מכניות והן ללבוש חשמלי:

(FLT:0) מטלטלטלטלים מכניים 1:1: ממנגנונים פנימיים ודבקים.לחץ האביב המברשת חייב להיות מוגדר כדי לשמור על קשר טוב ללא חיכוך מוגזם.לחץ מצחצח אופייני הוא 15-25 kPa עבור מצחצחות גרפיטי טבעיים.
(ב) [ה]:0] לבישת חשמלריים (FLT:1: בשל כישוף וניצוץ מנסיעה או מגע גרוע.זה עולה עם צפיפות נוכחית ויכול לגרום לאובדן חומרים מהיר ומגום פני השטח.
(FLT:0) שכבות גוף שלישיות (FLT:1: סרט על פני השטח הדק שנוצר על ידי תגובה של פחמן עם לחות וחמצן מהאוויר למעשה מפחית חיכוכים.

מערכות צוטטות מודרניות ללא מברשת מבטלות טבעות חלקלקות, אבל הן מציגות דידות מכניות ומתקנים רוטטים שעדיין מסתמכים על מגעים תלת-אבולוגיים בנשאות.עבור מכונות קיימות, בדיקות מברשת סדירות ומיזוג פני השטח הם משימות תחזוקה חיוניות.

Cooling and Lubrication in High-Power Generator

גנרטורים גדולים מייצרים חום משמעותי הן מחשמל (כלי רכב והן מהפסדי ברזל) ומקורות מכניים (התחכים ורוחות). קוליינג הוא לעתים קרובות משולב עם סיכה:

(ב) עיין שמן ה"החל" (במדבר כ"ד) לפני שהוא חוזר לשליחים.
(FLT:0) Hydrogenische קירורFLT:1 בגנרטורים טורבינות גדולים מפחיתים את ההפסדים כי מימן יש צפיפות נמוכה יותר מאשר אוויר.עם זאת, זה דורש מערכות חותם מיוחד (חמתים סרטניים) על הפיר, אשר עצמם הם מרכיבים תלת-אבולוגיים נוטה ללבוש ודליפה.
(FLT:0) מים או גנרטורים אוויריים של גלנרים (FLT:1) עשויים להשתמש במשבים מחוסנים על מכונות קטנות יותר, אבל ערפל שמן או סיכה של שמן הוא נפוץ בגנרטורים בינוניים.

ההתרחבות התרמית של פירים ודיור חייבת להיות זמינה על ידי עיצוב ניחומים ותמיכה גמישה.

השפעה על יעילות ותוחלת החיים

ניהול טריבולוגי משפיע ישירות על יעילות האנרגיה והחיים התפעוליים של מנועים חשמליים וגנרטורים.הפחתת השפעות אלה מסייע להצדיק השקעה ב lubricants טוב יותר, ציפויים, ופרקטיקות תחזוקה.

אובדן אנרגיה מ-Frection

פריצה בנשאות ובחותמות מהווה חלק ניכר של הפסדים מוחלטים.בטווח טיפוסי של 100 קילוואט אינדוקציה, עם אובדן חיכוך עשוי להיות 0.1-0.5% מכוחות מדורגים, אבל במנועים זעירים קטנים, אחוז יכול להיות גבוה יותר.תחת עומסים כבדים או סיכה גרועה, הפסדים מתחמיים מוגברת באופן משמעותי.

בגנרטורים, אובדן רוח במהירויות גבוהות יכול לשלוט בהפסדים מכניים.שימוש בגז קירור נמוך או בתאי ואקום יכול להפחית את אלה.לדוגמה, גנרטורים ממומן-קולקים להשיג רוח נמוכה יותר מאשר יחידות אוויריות באותה מהירות.

תחזוקה וגמישות

כשלים ללבוש הם הגורם הנפוץ ביותר של זמן השבתה לא מתוכנן במכונות חשמל רוטט. מחקרים מצביעים על כך שכשלונות הנושאים חשבון עבור יותר מ-40% מהתמוטטות המנועים. פרקטיקות טריבולוגיה יעילה - שיפור סיכה, שליטה בזיהום, ו ניטור מצב - להאריך באופן ישיר את החיים, להפחית את מרווחי תחזוקה ולמנוע כישלונות קטסטרופליים.

טכניקות תחזוקה חיזוי כגון ניתוח רטט, ניתוח שמן, ותרמוגרפיה יכול לזהות סימנים מוקדמים של מצוקה טריבולוגית. ניתוח שמן, למשל, יכול לחשוף את נוכחות של מתכות ללבוש (ברזל, נחושת, tin) והשפלה סיכה, המאפשר שינויים שמן בזמן או החלפת רכיב.

פתרונות Tribological

מחקר ופיתוח מתמשך ממשיכים לדחוף את גבולות הטריבולוגיה למכונות חשמל, מונעים על ידי דרישות לצפיפות כוח גבוהה יותר, חיים ארוכים יותר ותחזוקה נמוכה יותר.

סולידריות Lubricants ו-Cotings

ביישומים שבהם ניתן להשתמש ב lubricants נוזלי קונבנציונלי - כגון סביבות ואקום, טמפרטורות קיצוניות או תהליכים רגישים לזיהום - lubricants solid להציע אלטרנטיבה. Graphite, molybdenum disulfide (MoSuaFLT:02FLT:1), ו PTFE הם נפוצים.

ציפויים מתקדמים כמו tungsten disulfide (WSFLT:0ir3FLT:1) ופחמן דמוי יהלום (DLC) מוחלים על אלמנטים מתגלגלים ודרכי מירוץ. ציפוי DLC יכול להפחית התנגשויות עד מתחת 0.05 ולשפר באופן דרמטי את ההתנגדות על פני השטח הנמוך שלהם גם דוחים את contaminants.

מעקב ותחזוקה חיזוי

חיישנים חכמים משובצים במוליכים או מערכות lubricant מאפשרים ניטור בזמן אמת של טמפרטורה, רטט ואיכות שמן. Online ללבוש פסולת יכול לזהות חלקיקים מעוררים למטה לכמה מיקרונים, המאפשר תחזוקה מבוססת מצב ולא מרווחים קבועים. גישה זו היא בעלת ערך במיוחד עבור גנרטורים קריטיים ומנועים תעשייתיים גדולים שבהם לא מתוכנן הם יקרים.

מגמות מתפתחות בטריבולוגיה עבור מכונות חשמליות

(FLT:0 דיאלקטרי lubricants for Electric VehiclesFIRLT:1): עם מנועים בעלי עוצמה גבוהה, סיכה חייבת להיות מחלחלת חשמלית כדי למנוע דליפה נוכחית וקשת.
(FLT:0 מ"גנטית נוזל חותמות ונושאות: ferrofluids ניתן להשתמש בחיתולים כדי לחסל מגע לחלוטין. Active מגנטי כבר לחסל מגע מכני אבל דורש עלויות גבוהות ומערכות בקרה.
ייצור הוגן עבור נושאים: 1 (FLT:0) ייצור מתואמת של נושאות: 3D-printed מתכת ופולימרים עם רכיבים עם ג'מטריה פנימית אופטימיזציה עבור זרימה מהירה יותר משקל מופחת הם בפיתוח.
(FLT:0) Biodegradable and Dead lubricantsFLT) 1: תקנות סביבתיות דוחפות לעבר ארמונות מבוססי אסטר או צמחיים ששוקלים ללא פגע במערכות אקולוגיות, במיוחד עבור גנרטורים הידרואלקטריים וטורפות רוח offshore.

מסקנה

Tribology אינה המומחיות הנישה אלא משמעת בסיסית של הפעולה היעילה והאמין של מנועים חשמליים וגנרטורים.ממחצושים זעירים במנוע DC זעיר לכוח השברירי ועד ללוח ה-Fiteing-pad המסיבי של מטאטא חשמלי ברמה ג'יגהאט, עקרונות החיכוך, ללבוש, ותפקודי סיכה.

צוותי הנדסה המשלבים שיקולים תלת-תחומיים בשלב העיצוב – בוחרים את הנושאים הנכונים, המפרטים את הלואביקים המתאימים, ומתכננים לשלוט בזיהום יעיל – ישבנו מכונות שעומדות בדרישות התובעניות של יישומים תעשייתיים, תחבורה ואנרגיה מודרניים.כפי שהעולם עובר לקראת סלקציה ונחיתות כוח גבוהות יותר, טריבולוגיה תישאר אמצעי מניעה קריטיים של התקדמות טכנולוגית בת קיימא.