Особенности токосъема в коллекторно-щеточном узле тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6

5. Хикс, Ч. Основные принципы планирования эксперимента [Текст] / Под ред. В. В. Налимова / Ч. Хикс. - М.: Мир, 1967. - 406 с.

6. Харламов, В. В. Совершенствование процесса диагностирования профиля коллектора тяговых электродвигателей с помощью прибора ПКП-4М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов, А. С. Хлопцов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. - № 1 (13). - С. 42 - 48.

7. Харламов, В. В. Термографические исследования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, А. В. Долгова, П. К. Шкодун, А. С. Хлопцов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2014. - №3 (19). - С. 44 - 50.

References

1. Holm R. Elektricheskie kontakty (Electric Contacts). Moscow: Foreign Literature, 1961, 464 p.

2. Kharlamov V. V. Metody i sredstva diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovykh elektrodvigateley i drugikh kollektornykh mashin post-oyannogo toka: monografiya (Methods and means for diagnosing the technical condition of the traction motors collector-brush assembly and other collector DC machines: monograph). Omsk: OSTU, 2002, 233 p.

3. Sherbatov V. V., Rapoport O. L., Tzukublin A. B. Modeling of a thermal condition of the traction electric motor for forecasting of a resource. [Modelirovanie teplovogo sostoyaniya tyago-vogo elektrodvigatelya dlya prognozirovaniya resursa]. Izvestiia TPU- Bulletin of TPU, 2005, vol. 308, no. 7, pp. 156.

4. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Dolgova A. V. Application of similarity theory in modeling of wear traction motor commutator-brush assembly [Primenenie teorii podobiya pri modeliro-vanii iznosa kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovogo elektrodvigatelya]. Izvestia Transsiba -The Trans-Siberian Bulletin, 2011, no. 4 (8), pp. 57 - 62.

5. Hicks C. Osnovnye printsipy planirovaniya eksperimenta (Basic Principles of Experiment Planning). Moscow: Mir, 1967, 406 p.

6. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Ahunov D. A., Khloptsov A. S. Improvement of diagnosing process of commutator profile of traction electric motors with PKP-4M device [Sovershenstvo-vanie protsessa diagnostirovaniya profilya kollektora tyagovykh elektrodvigateley s pomoshch'yu pribora PKP-4M]. Izvestia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 1 (13), pp. 42 - 48.

7. Kharlamov V. V., Dolgova A. V., Shkodun P. K., Khloptsov A. S. Thermographic study of collector-brush assembly traction motors of rolling stock [Termograficheskie issledovaniya kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovykh elektrodvigateley podvizhnogo sostava]. Izvestia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 3 (19), pp. 44 - 50.

УДК 629.4.02

С. Г. Шантаренко, В. Ф. Кузнецов, О. Д. Юрасов

ОСОБЕННОСТИ ТОКОСЪЕМА В КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОМ УЗЛЕ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 2ЭС6

Работа коллекторно-щеточного узла во многом влияет на эксплуатационную надежность тяговых электродвигателей постоянного тока. В статье приведены результаты моделирования контактного взаимодействия «щетка - коллектор» в тяговом электродвигателе электровоза 2ЭС6. Рассмотрено влияние конструктивных особенностей щеткодержателя, условий и режимов эксплуатации на качество коммутации ТЭД. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены рекомендации по повышению качества контакта «щетка - коллектор» и обеспечению к эсплуатационной надежности тяговых электродвигателей.

№ 2(22) ЛЛ Л W ИЗВЕСТИЯ Транссиба 53

2015

Устойчивая работа тяговых электродвигателей (ТЭД) является важнейшим фактором, определяющим эксплуатационную надежность электровоза. Одной из основных причин отказов ТЭД является неудовлетворительная работа коллекторно-щеточного узла (КЩУ), приводящая к нарушениям процесса токосъема.

На условия токосъема существенное влияние оказывают геометрические параметры поверхностей щеток и пластин коллектора (площадь контакта). Так как щетка является активным элементом коммутационного процесса, то уменьшение площади ее фактического контакта с коллектором приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к повышенному искрообразованию в коммутируемом контуре обмотки якоря.

Конструкция щеткодержателей ТЭД электровозов 2ЭС6 (рисунок 1) выполнена таким образом, что прижатие щеток к коллектору обеспечивается спиральными пружинами, плоские хвостовики которых давят на щетки. По мере износа щетки изменяется место приложения силы давления пружины, что приводит к неравномерному распределению давления по поверхности щетки и ее перекосу в щеткодержателе. Следствием этого являются «клиновидный» износ щеток и уменьшение фактической площади контакта «щетка - коллектор». Величина «клиновидного» износа определяется размерами фактической площадки контакта между щеткой и коллектором, которая в основном зависит от двух факторов: характера неровностей (высоты и количества неровностей) в области контакта щетки и коллектора и от значения и направления прижимающей силы хвостовиков спиральных пружин щеткодержателя.

а б

Рисунок 1 - Конструкция щеткодержателей ТЭД электровоза 2ЭС6

На одну неровность на коллекторной пластине приходится нагрузка [ 1]

Р = ^

пЬ '

щ

где N - прижимающая сила хвостовика рулонной пружины щеткодержателя; Ъпл - ширина коллекторной пластины;

п - количество неровностей на коллекторной пластине (зависит от шага обточки коллектора при ремонте ТЭД); Ъщ - ширина щетки.

Схема для расчета величины «клиновидного» износа щетки приведена на рисунке 2. Нагрузка Р распределяется по площади контакта щетки (плоскость) и неровности коллекторной пластины (цилиндр), которая является прямоугольной с шириной

54 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

2015

ь = 1Р+ к*)к,

где I - длина площадки контакта; Я - высота неровности;

к - коэффициент, зависящий от упругости материала (щетки и коллекторной пластины), рассчитываемый по формуле:

1

к =

где /г - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости материала (щетки и коллекторной пластины).

а б

Рисунок 2 -Схема для расчета величины «клиновидного» износа щетки

Для определения величины износа контактирующих поверхностей необходимо найти длину I площадки контакта между щеткой и коллекторной пластиной. Износ материала прекратится при условии

тк — ^пр?

где тк - касательное напряжение на площадке контакта;

тпр - предельное касательное напряжение разрушения более мягкого контактирующего материала.

Касательное напряжение на площадке контакта

т„ =

где/ск - коэффициент трения скольжения щетки по коллекторной пластине; 8к=Ъ1 - площадь контакта между щеткой и коллекторной пластиной. При условии тк = тпр, получим равенство:

Р/ск = Р (К + к2 Щ -Тпр.

Из уравнения (6) найдем максимальное значение длины площадки контакта

/ Я

I =

16Я(к + к)т

пр

или

№ 2(22) ЛЛ Л Г* ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55

2015

/ =-, .

16 пЪ^Щк, + к2 )<£

При этом площадь щетки, через которую фактически будет происходить токосъем,

5 = _!_ = ^

эф Ъщ 1бпя

Длина площадки контакта между щеткой и коллектором достигнет максимального значения при условии:

а

! = —щ

$1п а

где а - угол зазора между щеткой и щеткодержателем.

Приведенная модель площади контакта «щетка - коллектор» показывает, что при работе коллекторно-щеточного узла ТЭД электровоза 2ЭС6 влияние на величину «клиновидного» износа щетки оказывают указанная выше конструктивная особенность щеткодержателя, приводящая к неравномерному распределению давления прижимной пружины по поверхности щетки и ее перекосу в щеткодержателе, а также физико-механические свойства щетки и качество обработки коллектора при ремонте.

Тяговые электродвигатели электровозов работают в реверсивном режиме. В технологической документации по техническому обслуживанию и ремонту ТЭД для коллекторно-щеточного аппарата устанавливаются допуски на размеры окон щеткодержателей как по ширине, так и по длине (Руководство по техническому обслуживанию и текущему ремонту тяговых электродвигателей локомотивов). В связи с этим имеет место зазор между щеткодержателем и щеткой, в результате чего щетка может быть установлена на коллекторе с перекосом. Для тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6 дополнительное негативное воздействие на расположение щетки в окне щеткодержателя оказывает неравномерное распределение давления прижимной пружины по поверхности щетки, обусловленное конструктивной особенностью щеткодержателя. Все это приводит к тому, что набегающий край щетки изнашивается быстрее сбегающего и сбегающий край принимает остроугольную форму. После реверсирования тягового двигателя край щетки, который был сбегающим, становится набегающим и образовавшаяся ранее остроугольная кромка начинает скалываться. Происходит засорение межламельных канавок угольными частицами (замыкание соседних коллекторных пластин между собой), на коллекторе возникает искрение, которое может повлечь за собой отказ ТЭД в эксплуатации.

Немаловажным фактором, влияющим на неравномерный износ щеток, является удлинение тяговых плеч электровозов 2ЭС6. В данном случае даже при отсутствии зазоров в окне щеткодержателя происходит неравномерный износ набегающего и сбегающего краев щеток вследствие длительного вращения электродвигателя в одну сторону, в результате чего после изменения направления движения локомотива происходят явления, подобные описанным выше.

На испытательной станции сервисного локомотивного депо Московка был проведен ряд экспериментов по изучению влияния длительного вращения якоря ТЭД в одном направлении и изменения направления вращения на работу коллекторно-щеточного узла (наработку «зеркала» щеточного контакта) [2]. Суть экспериментов заключалась в том, что производилась длительная притирка щеток к коллектору при одном направлении вращения. После полной притирки щеток производился реверс ТЭД и задавался один из режимов, имитирующих рабочую схему соединения электродвигателей электровоза постоянного тока (последовательное (С) - I режим, последовательно-параллельное (СП) - II режим, параллельное соединение (П) - III режим), при номинальном токе якоря без ослабления поля обмотки возбуждения. Эксперимент проводился до полной притирки щеток после реверса с образованием нового

56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2

«зеркала». При каждом режиме работы ТЭД через определенные промежутки времени замерялись степень притирки (ширина «зеркала») и качество коммутации (динамика искрения) -посредством прибора контроля коммутации ПКК-2М, работа которого основана на измерении импульсов искрения под сбегающем краем щетки.

Проведенные эксперименты показали, что сразу после реверса происходит «опрокидывание зеркала» щеток - поверх старого «зеркала» начинает нарабатываться новое (рисунок 3). В начальный момент наработки нового «зеркала» возникает «пиковое» искрение, величина которого зависит от режима работы ТЭД. Наиболее неблагоприятным условием сразу после реверса ТЭД является его перевод в III режим работы («П»-соединение). При данном соединении тяговых электродвигателей уровень искрения может достигать 3600 условных единиц по шкале прибора (порядка 2 баллов по ГОСТ 183-74).

б

Рисунок 3 - Наработка «зеркала» после реверса: 1 - «зеркало» до реверса; 2 - «зеркало» после реверса

По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы.

В результате неблагоприятных явлений, связанных с перекосом щеток в окнах щеткодержателей тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6, необходимо повышать качество ремонта коллекторно-щеточного узла, в том числе за счет минимизации допусков и износов по геометрическим параметрам щеткодержателей. В качестве рекомендации в эксплуатации предлагается сразу после изменения направления движения давать время на притирку щеток к коллектору, установив I режим («С»-соединение) работы электровоза в течение порядка 30 минут, пока уровень искрения не достигнет допустимого в эксплуатации (1,25).

Одним из вариантов обеспечения равномерной приработки щеток к коллектору в обоих направлениях вращения якоря ТЭД является оптимизация (уменьшение) длины тягового плеча, что исключит вероятность «клиновидного» износа щеток со всеми вытекающими неблагоприятными последствиями.

Кроме того, необходимо усовершенствовать конструкцию щеткодержателя ТЭД электровозов 2ЭС6 для обеспечения равномерного распределения давления щеток на коллектор и устранения их перекосов в окнах щеткодержателей.

Данные изменения приведут к улучшению работы тяговых электродвигателей, что в конечном счете скажется на повышении эксплуатационной надежности электровозов 2ЭС6.

Список литературы

1. Шантаренко, С. Г. Контактное взаимодействие на коллекторе и теплоэнергетические процессы в цепи якоря тягового электродвигателя [Текст] / С. Г. Шантаренко, Д. Ю. Белан, А. А. Лаптев // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. - Самара. - 2009. - № 1 (17) . - С. 55 - 62.

2. Юрасов, О. Д. Исследование коммутации тягового электродвигателя, работающего в режиме реверса [Текст] / О. Д. Юрасов, В. В. Бублик, О. В. Гателюк // Материалы всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - С. 189 - 194.

а

№ 2(22) ЛЛ Л W ИЗВЕСТИЯ Транссиба 57

2015

References

1. Shantarenko S. G., Belan D. Iu., Laptev A. A. Contact interaction of the collector and heat power processes in the anchor chain of the traction motor [Kontaktnoe vzaimodeistvie na kollektore i teploenergeticheskie protsessy v tsepi iakoria tiagovogo elektrodvigatelia]. Vestnik transporta Povolzh'ia - Bulletin of the Volga transport, 2009, no. 1 (17), pp. 55 - 62.

2. Iurasov O. D., Bublik V. V., Gateliuk O. V. Study switching the traction motor running in reverse mode [Issledovanie kommutatsii tiagovogo elektrodvigatelia, rabotaiushchego v rezhime reversa]. Materialy vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Proceedings of All-Russian-tion of scientific and technical conference with international participation). - Omsk, 2014, pp. 189 - 194.

УДК 629.424.14.004:621.436

В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

НА МАЛОВЯЗКОМ ТОПЛИВЕ

Выполнен анализ способов расчета топливоподачи в дизелях, учитывающих свойства топлива. Предложена методика, позволяющая расчетом оценить влияние физических и энергетических свойств на мощность и экономические показатели дизельного двигателя. Сформулированы условия эффективной работы дизеля на маловязких сортах и марках топлива, включающие в себя как регулировочные, так и конструктивные изменения в системах топливоподачи.

Динамика подачи топлива в дизелях достаточно полно оценивается так называемой характеристикой впрыска топлива в дифференциальной или интегральной формах [1, 2]. Первая характеризует скорость поступления топлива в камеру сгорания, а вторая - долю впрыснутого топлива (рисунок). Важным критерием впрыска является продолжительность впрыска Ф , показывающая время (в градусах поворота коленчатого вала), в течение которого топливо поступает в цилиндр [1].

Задачей расчета топливоподачи является определение суммарного количества топлива, подаваемого в цилиндр дизеля за цикл, и его распределение во времени (закон впрыска). Исходными данными являются конструктивные параметры топливной аппаратуры и физические свойства топлива. Возможно решение обратной задачи, если требуется по заданному закону впрыска определить параметры топливной аппаратуры [1 - 6].

При разработке математической модели впрыска топлива в дизелях используются обычно три вида уравнений [1].

1. Уравнение для расчета давлений в топливных системах, заполненных топливом, для чего используются уравнения нестационарного движения жидкости в частных производных [1, 2].

Для одномерного адиабатического течения невязкой жидкости эти уравнения имеют следующий вид:

уравнение неразрывности -

др / дг + рди/дх + идр / дх = 0,

где p, ^ р - соответственно давление топлива, скорость его движения и плотность;

уравнение количества движения в форме Эйлера -

ди/дг + иди / дх +1/рдр / дх = 0.

58 ИЗВЕСТИ Я Транссиба №.?