Определение диагностических параметров для оценки состояния профиля коллектора тягового электродвигателя

УДК 621.313.2 в. В. ХАРЛАМОВ

Р. В. СЕРГЕЕВ П. К. ШКОДУН Д. А. АХУНОВ А. В. ДОЛГОВА

Омский государственный университет путей сообщения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Статья посвящена актуальным проблемам оценки качества ремонта тягового электродвигателя и влияния механических факторов на надежность и устойчивость контакта «коллектор—щетка». По результатам проведенных исследований предложены критерии оценки влияния профиля коллектора на процесс коммутации и критерии для оценки качества ремонта, произведенного в условиях локомотивного депо.

Ключевые слова: тяговый электродвигатель, профиль коллектора, коммутация, гармонический анализ, качество ремонта, диагностические параметры.

В период жизненного цикла тягового электродвигателя (ТЭД) происходит изменение технических параметров его узлов и деталей, ухудшение которых приводит к увеличению числа неплановых ремонтов. На сегодняшний день актуальной остается задача совершенствования технологии ремонта ТЭД, обеспечивающей сохранение и восстановление параметров, устанавливаемых техническими условиями на работу ТЭД. Поскольку некоторые причины отказов ТЭД закладываются в процессе технического обслуживания и ремонта, то возникает необходимость не только в проведении диагностирования, но и в оценке качества ремонта, производимого в условиях локомотивного депо.

Качество работы ТЭД подвижного состава зависит от множества факторов, которые в общем случае можно подразделить на электромагнитные и механические. Одним из важнейших факторов, влияющих на процесс коммутации в ТЭД, является устойчивость взаимодействия щетки с коллектором. Потеря стабильности этого контакта в реальных условиях эксплуатации может быть обусловлена рядом причин, которые зачастую носят случайный характер. В результате этого в различные моменты времени коммутация в ТЭД будет происходить в разных условиях, что приводит к неидентичности коммутационных циклов, то есть каждый коммутационный цикл не будет являться копией предыдущего. Многочисленные опыты, а также эксплуатация машин постоянного тока, показали, что если неидентичность коммутационных циклов, вызванная электромагнитными факторами более или менее стабильна, то неидентичность, обусловленная причинами механической природы, не только неравномерна по коллектору, но и значительно изменяется во времени. Таким образом, механическая природа коммутации в ТЭД остается важным вопросом, требующим тщательного анализа [ 1 ].

Основными факторами механического характера, оказывающими влияние на надежность контакта «коллектор — щетка» являются: отклонения формы профиля коллектора от цилиндрической, неточное расположение якоря в подшипниках ТЭД, величина контактного нажатия на щетку, вибрация и т.д.

Для оценки качества ремонта коллектора, оценки влияния вышеперечисленных факторов на надежность коллекторно-щеточного контакта и влияния профиля коллектора на неидентичность коммутационных циклов проведены экспериментальные исследования профиля коллектора ТЭД ТЛ-2К1 в условиях локомотивного депо, в ходе которых были сняты про-филограммы 75 коллекторов ТЭД до и после ремонта, а также после проведения приемосдаточных испытаний. Профилограммы регистрировались с помощью прибора контроля профиля коллектора электрических машин ПКП-4М (рис. 1), осуществляющего бес-

Рис. 1. Прибор контроля профиля коллектора электрических машин ПКП-4М

контактный контроль состояния рабочей поверхности коллектора двигателя путем измерения расстояния между датчиком и контролируемой поверхностью. Датчиком прибора является дифференциальный вихретоковый параметрический преобразователь, установленный в окне щеткодержателя. Регистрация профиля осуществлялась цифровым накопителем, который, выполняя аналого-цифровое преобразование сигнала, записывал полученную информацию во встроенное оперативно-запоминающее устройство [2].

Из полученных профилограмм сформированы выборки для следующих групп ТЭД: до ремонта, после деповского ремонта, а также после проведения приемосдаточных испытаний. По полученным в ходе исследования данным для каждой выборки рассчитаны следующие диагностические параметры: биение коллектора, среднее квадратическое отклонение (СКО) высот коллекторных пластин (И), значения второй производной функции профиля коллектора и ее СКО (табл. 1).

Среднее значение СКО относительных высот ламелей по выборке двигателей до ремонта составило 17,08 мкм, минимальное значение второй производной функции профиля коллектора — 42,27 мкм"1. Параметры ТЭД с якорем № 269 близки по величине к рассчитанным средним значениям. Поэтому целесообразно в рамках предложенной группы рассматривать данный двигатель.

Среднее значение СКО относительных высот коллекторных пластин по выборке двигателей после ремонта составило 12,63 мкм, а минимальное значение второй производной функции профиля коллектора — 38,77 мкм-1. Как и для предыдущей выборки будем рассматривать ТЭД с якорем № 269.

Поскольку в двух предыдущих группах выбран ТЭД с якорем № 269, то целесообразно рассмотреть его и для выборки двигателей, прошедших приемосдаточные испытания.

Профилограммы ТЭД с якорем № 269 и пробегом от последнего капитального ремонта 1260 тыс. км на всех стадиях ремонта приведены на рис. 2.

По снятым профилограммам осуществлялось разложение периодической функции профиля коллектора г|(х) с периодом 2тс, заданной рядом значенийг\. по тригонометрическим функциям (рис. 3) и строилось распределение относительных высот ламелей (рис. 4), что позволило оценить состояние профиля коллектора:

у = 1

где — постоянная составляющая; V — номер

гармоники; Ау, сру — амплитуда и фаза у-ой гармоники; I — длина окружности коллектора.

Низкочастотные и высокочастотные гармонические составляющие оказывают различное влияние на работу контакта «коллектор — щетка». Низкочастотные колебания могут быть вызваны такими факторами, как овальность, эксцентриситет профиля коллектора, неточность установки якоря в подшипниках. Высокочастотные гармоники, имеющие более низкую амплитуду, оказывают, как правило, сложное воздействие на скользящий контакт.

Форма профиля коллектора в значительной степени зависит от состояния оборудования, используемого для формовки коллектора и его ремонта. В случае некачественной формовки коллектора недостаточно плотно зажатые коллекторные пластины под действием центробежных сил перемещаются в радиальном направлении, что особенно заметно проявляется в переходных тепловых режимах при температурах поверхности коллектора до 200°С. Неточность установки коллектора и инструмента при механической обработке, нежесткая система станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД) приводит к отклонению формы профиля коллектора от цилиндрической. Некачественная сборка ТЭД так же приводит к появлению эксцентриситета коллектора.

При наличии значительных по амплитуде первой и второй гармоник распределение относительных высот ламелей становится двухмодальным (рис. 4а).

Для сравнения приведем гистограммы распределения значений относительных высот ламелей коллектора ТЭД с номером якоря № 269 после проведения ремонта и приемо-сдаточных испытаний (рис. 46, в).

Из приведенной гистограммы видно, что распределение значений относительных высот коллекторных пластин двигателя с якорем № 269 после ремонта и приемосдаточных испытаний не может быть описано нормальным законом ввиду того, что невозможно полностью исключить низкочастотные составляющие гармонического ряда.

Степень соответствия между гипотезой о нормальном распределении относительных высот ламелей и статистическими данными устанавливалась с помощью критерия согласия %2 [3].

При уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы к= 11 критическое значение критерия Пирсона составило %2крит =19,7. Поскольку значение %2=62,1 больше критического, то гипотеза о нормальном законе распределения относительных высот ламелей коллектора после проведения приемосдаточных испытаний отвергается.

Для рассмотренного ТЭД с коллектором № 269 СКО с учетом первой и второй гармоник до ремонта составило 20,33 мкм; после ремонта — 7,75 мкм; после приемосдаточных испытаний — 6,51 мкм. Разброс значений относительных высот коллекторных пластин

Таблица 1

Результаты расчетов

Выборка двигателей до деповского ремонта Выборка двигателей после деповского ремонта

Номер якоря ТЭД Пробег, тыс. км СКО высот, мкм Минимальное значение второй производной, мкм-1 СКО второй производной, мкм-1 Номер якоря ТЭД СКО высот, мкм Минимальное значение второй производной, мкм"1 СКО второй производной, мкм -1

182 1000 16,1 -103,3 23,5 405 15,4 -65,6 12,88

1271 1218 10,1 -26,6 9,08 394 21,1 -14,7 5,54

269 1260 20,3 -26,2 8,48 269 7,8 -29,3 10,63

628 1356 6,8 -28,7 9,17 141 23,8 -33,7 9,78

50 мкм

30

120

f 10

I о

h -10 -20 -30 -40

л Ц--

V- жЛ Jlltf]

-ч iu— .ПШтШп

Iff рчр У

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 a

30 MKM 10

0

h -io

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-20

л

X

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 в

Рис. 2. Профилограмма коллектора ТЭД № 269: а — до ремонта, б — после ремонта, в — после проведения приемосдаточных испытаний

1 3 579 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 V -

Рис. 3. Результаты гармонического анализа коллектора ТЭД № 269 до ремонта

120 ч

-33,1 -27,4 -21,7 -16,0 -10,3 -4,6 1,2 6,9 12,6 18,3 24,0 29,7 МКМ 39,6

-23,4 -20,2 -17,0 -13,8 -10,6 -7,4 -4,2 -1,0 2,2 5,4

8,6 11,8 МКМ 17,4

-24,0 -21,0 -18,1 -15,1 -12,1 -9,2 -6,2 -3,2 -0,3 2,7 5,7 8,7 МКМ 13,9

Рис. 4. Распределение значений относительных высот ламелей коллектора № 269: а — до ремонта; б — после деповского ремонта; в — после приемосдаточных испытаний

к

мкм 20 15 10 5 0

МКМ 4 3 2 1 О

А.

X

—1 си

а — до ремонта; б -

Рис. 5. Амплитуды низкочастотных гармоник: - после ремонта; в — после проведения приемосдаточных испытаний

-20,2 -17,9 -15,6 -13,3 -11,0 -8,7 -6,4 -4,1 -1,8 0,5 2,8 5,1 МКМ 9,1

ь-^

Рис. 6. Гистограмма распределения высот ламелей коллектора № 269 после проведения приемосдаточных испытаний

без учета первой и второй гармоник

уменьшился, что свидетельствует об уменьшении отклонения формы профиля коллектора от цилиндрической. Следовательно, этот параметр можно использовать для оценки качества ремонта коллектора ТЭД.

Уменьшение амплитуд первой и второй гармоник говорит об уменьшении значения эксцентриситета и овальности, а следовательно, и о качестве произведенного ремонта (рис. 5).

Исключив влияние первой и второй гармоник, получаем, что распределение относительных высот коллекторных пластин без учета эксцентриситета и овальности близко к нормальному, так как значение %2 = 8,3 меньше критического (рис. 6). При этом значение СКО высот с учетом первой и второй гармоник для коллектора № 269 почти в пять раз превышает этот параметр без их учета. По изменению значения СКО относительных высот ламелей без учета первой и второй гармоник можно оценивать качество формовки коллектора ТЭД.

Наиболее информативным параметром, оценивающим влияние состояния профиля коллектора на процесс коммутации, является значение второй производной функции профиля коллектора г\(х) [2]. Расчет значений г\(х) (рис. 7) и определение минималь-ного значения г\тп осуществлялись по данным гармо-I нического анализа:

Л(Х):

сГп

' ах2

< 2%

Минимальное значение второй производной функции профиля коллектора № 269 с учетом всех гармоник составило —26,2243 мкм-1, а без учета первой и второй гармоник (рис. 8) —26,2214 мкм-1, что говорит о незначительном влиянии на нее низкочастотных составляющих гармонического ряда, поскольку ускорение, сообщаемое коллектором щетке, определяется, в основном, высшими гармоническими составляющими.

Распределение значений второй производной функции профиля коллектора ТЭД № 269 (рис. 9) в соответствии с критерием согласия %2 = 13,9 описывается нормальным законом распределения. Отметим, что первая и вторая гармоники также незначительно влияют на закон распределения второй производной функции профиля коллектора и на величину СКО.

Таким образом, к оценке состояния поверхности коллектора необходимо подходить комплексно, учитывая качество формовки коллектора на заводе, качество механической обработки коллектора и сборки ТЭД, а также состояние оборудования в депо. Состояние профиля коллектора необходимо оценивать, принимая во внимание вид и параметры законов распределения относительных высот ламелей до и после

мкм 20

110

0

: -10-1 -Н

-зо| -4СИ

- 1 I 1 ~1гг 11 11, ||| Нгг' - пг1 ¡-т 1. .

1

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 X

Рис. 7. График изменения второй производной функции профиля коллектора № 269 до ремонта

Рис. 8. График изменения второй производной функции профиля коллектора № 269 без учета первой и второй гармоник

-26,2 -22,4 -18,6 -14,8 -11,0 -7,2 -3,4 0,4 4,2 8,0 11,8 15,6мКМ 22,2

Л -^

Рис. 9. Распределение значений второй производной функции профиля коллектора № 269

ремонта, а также после проведения приемосдаточных испытаний. Качество формовки коллектора следует оценивать по виду и параметрам законов распределения относительных высот коллекторных пластин до и после приемосдаточных испытаний без учета первой и второй гармоник. О качестве механической обработки и сборки следует судить по амплитудам низкочастотных гармоник и их изменению на всех стадиях ремонта.

Определяющими параметрами при оценке воздействия профиля коллектора на коммутацию является минимальное значение второй производной функции профиля коллектора и СКО. Поскольку первая и вторая гармоники не оказывают существенного влияния на минимальное значение второй производной и закон распределения, то их можно не учитывать.

Библиографический список

1. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока. / В. Д. Авилов. — М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.

2. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного

тока : монография / В. В. Харламов. — Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2002. — 233 с.

3. Справочник по вероятностным расчетам / Г. Г. Абенгауз [и др.]. - М. : Воениздат, 1970. - 536 с.

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника». СЕРГЕЕВ Роман Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника». ШКОДУН Павел Константинович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника». АХУНОВ Данил Асгатович, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника». ДОЛГОВА Анна Владимировна, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника». Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. Кафедра «Электрические машины и общая электротехника».

Статья поступила в редакцию 14.09.2010 г. © В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов, А. В. Долгова