Способ и устройство контроля динамического состояния взаимодействия элементов двигателя локомотива
METHOD AND DEVICE OF CONTROL OF DYNAMIC CONDITION OF INTERACTION OF LOCOMOTIVE ENGINE ELEMENTS

Предлагаемые способ и устройство относятся к измерительной технике, в частности, для определения надежности работы обмотки электрического двигателя локомотивов.
Современные электровозы являются сложными техническими объектами, эксплуатация которых проходит в условиях высоких внешних динамических нагружений. Особо сложные условия создаются для тяговых двигателей локомотивов. Вибрационные динамические воздействия передаются не только со стороны колесных пар, взаимодействующих с рельсами (и упругим рельсовым основанием, в целом), но и в результате взаимодействия тягового двигателя с элементами крепления с рамой тележки, в свою очередь, возбуждаемую вибрационными движениями основных узлов и агрегатов локомотива.
Вопросам динамики локомотивов уделяется достаточно большое внимание, что нашло отражение в работах отечественных специалистов В.А. Лазаряна, А.Я. Когана, С.В. Вершинского, Л.О. Грачевой, М.Ф. Вериго.
Тяговый двигатель в работе локомотива является одними из важнейших агрегатов, надежность работы которого требует особого внимания. Хотя уровень динамических взаимодействий тягового двигателя обеспечивается путем создания рессорного подвешивания, введения специальных амортизаторов и гасителей колебаний, существуют и другие формы динамических нагружений из-за взаимодействия узлов самого двигателя. Вибрации двигателя, как такового, нарушают работу зубчатых передач, сопровождаются ударными процессами при выборе зазоров в парах вращения, а также повышенными динамическими воздействиями на обмотки статора и ротора двигателей и условия токосъема в коллекторно-щеточных узлах.
Одним из самых опасных отказов является нарушение изоляции обмоток тягового двигателя с серьезными последствиями в нарушениях бесперебойной работы. Для обеспечения безопасности и надежности эксплуатации тягового двигателя разработаны методы профилактики и контроля технического состояния.
Проблема заключается в том, что при определенном уровне вибрации тягового двигателя, особенно при скачках ускорений в вибрационных процессах взаимодействия элементов электрических тяговых двигателей возможно выборка зазоров с многократными соударениями. Такие соударения передаются на ответственные узлы двигателя, в том числе, и лобовые части обмоток. Совокупное динамическое действие механических факторов, а также акустические эффекты, сопровождающие соударени,я приводят к усилению процессов деструктивного характера, что проявляется в ускоренном росте трещиноватости поверхности изоляции обмоток; эрозия ускоряется и, в конечном итоге, сокращает ресурсы надежной работы двигателя.
Состояние тягового двигателя достаточно детализировано контролируется, но происходит это обычно по электрическим параметрам; в меньшей степени контролируются параметры динамических взаимодействий.
Для контроля динамического состояния нагруженного оборудования используются виброизмерительные системы для оценки параметров вибрации объектов, в движениях которых проявляются эффекты нарушения контактных связей у взаимодействующих элементов. Измерительное устройство представляет собой прибор, в котором при определенном уровне вибраций подвижный элемент начинает подпрыгивать, что формирует электрические сигналы характерной формы со стороны пьезокристалла, который является основным недостатком такого устройства. Для регистрации динамического состояния тягового двигателя электровоза характерен высокий уровень полей, создаваемых мощными электромагнитами параметрами.
В связи с этим интерес представляет поиск и разработка способов и устройств контроля динамических состояний с возможностями определенного упреждения в возникновении опасных явлений в повреждении важных узлов или формировании нежелательных условий работы двигателя.
Изобретение относится к измерительной технике в целом, и в частности, к датчикам, предназначенным для определения граничных параметров вибрационных режимов в динамике тяговых двигателей электровозов с учетом возможностей фиксации таких динамических взаимодействиях в контактирующих элементах, когда могут проявляться так называемые неудерживающие связи. Такие режимы характерны для тяговых взаимодействий колесо-рельс, зубчатых передачах, работе систем рессорного подвешивания и в схемах динамического взаимодействия агрегатов и узлов локомотива, в целом.
1. Известен способ контроля динамического состояния объекта на основе пьезоэлектрического акселерометра [Вусевкер Ю.А., Гориш А.В., Дунаевский В.П., Панич А.Е. «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2150117 С1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.05.2000]. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий корпус, состоящий из основания и крышки, на основании установлен чувствительный элемент, выполнены в виде монолитного многослойного конденсатора из пьезоэлектрических пластин с электродами и коммутационными шинами вдоль монолита, каждая из которых соединена с электродами одной полярности, отличающийся тем, что в пьезоэлектрических пластинах со стороны одной из электродных поверхностей, идентичных относительно основания, выполнены металлизированные хордовые канавки, диффузно заполненные металлическими коммутационными шинами.
Данный акселерометр позволяет повысить коэффициент преобразования по заряду и точность измерения параметров вибрации. Вместе с тем, он не обеспечивает регистрацию вибрационных режимов с нарушением контакта между фрагментами составных твердых тел.
2. Известен пьезоэлектрический датчик [Воронов А.М., Степанов В.А. «Пьезоэлектрический акселерометр», патент RU 2289821 С2, МПК G01P 15/09, опубл. 20.12.2006]. Пьезоэлектрический датчик, содержащий корпус, инерционное тело, пьезоэлемент в виде втулки закреплен между корпусом и инерционным телом, отличающийся тем, что дополнительно введено средство для опоры аналогичной кромки противоположного торца пьезоэлемента, выполненное в виде кольцевой канаки на корпусе или инерционном теле, в которой размещено упругое разжимное кольцо с обеспечением его защемления между кромкой пьезоэлемента и противоположной ей поверхностью канавки.
Данное изобретение обеспечивает надежность функционирования датчика при воздействии интенсивных знакопеременных виброударных ускорений, но данное устройство не может идентифицировать вибрационный процесс с соударениями элементов оборудования или машины в ходе колебательных движений. Датчик и способ измерений требуют особых усилий по защите от электромагнитных полей.
В качестве прототипа рассматривается пьезоэлектрический акселерометр [Кирпичев А. А., «Пьезоэлектрический акселерометр»», патент RU 2400760 С1, МПК G01P 15/09, опубл. 27.09.2010]. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, отличающийся тем, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.
К недостатку данного изобретения следует отнести, что регистрируются только частотные характеристики движения измеряемой поверхности вибрационного объекта и не отражает процессы взаимодействия элементов в контакте с другими поверхностями.
Цель предлагаемого устройства заключается в том, чтобы определить граничные параметры режима взаимодействия элементов тягового двигателя через параметры нарушения контактов в датчике, который устанавливается на корпус тягового двигателя для получения интегральной оценки динамического состояния взаимодействия элементов двигателя в определенных условиях работы.
Способ контроля динамического состояния форм и особенностей взаимодействия элементов тягового двигателя электровоза, при которых в связи со знакопеременностью вибрационных процессов в местах сопряжения деталей и наличии зазоров между контактирующими поверхностями, проявляются характерные эффекты соударений и импульсных силовых воздействий, влияющих на пространственную форму распределения вибрационных нагружений, приходящихся на лобовые части обмоток статора, который реагирует через специальный контур датчик, оптико-волоконный кабель, устройство обработки информации, отличающийся тем, что в процессе измерения фиксируются и обрабатываются только состояния взаимодействий, формируемых при разрыве связей между взаимодействующими частями двигателя и отражающимися через параметры колебательных движений корпуса тягового двигателя.
Измерительное устройство для контроля, состоящее из датчика, реагирующего на нарушение контактных связей, оптико-волоконных коммуникаций лазерного блока, создающего световой поток, компаратора, настроенного на отсечку сигнала на уровне шума, отличающееся тем, что в структуру измерительного устройства вводится датчик контроля нарушения контакта и фиксации световым потоком возникновения зазора с последующим подсчетом числа регистрируемых нарушений связи или зазоров на основе специального счетчика числа ударных взаимодействий элементов тягового двигателя, что сопоставляется с предельным значением циклов динамического нагружения, определяемых условиями безопасной эксплуатации двигателя.
Предлагаемый способ контроля динамического состояния взаимодействия элементов тягового двигателя электровоза основан на оценке сигналов, которые формируется в процессе динамического нагружения различными силами и реализуются в движениях корпуса тягового двигателя. Вертикальные составляющие вибрации корпуса регистрируются измерительным устройством, представленным на Фиг. 1. Устройство имеет корпус 1 с возможностями крепления к поверхности корпуса тягового двигателя через фланец, присоединяемый крепежными элементами. Внутренние полости состоят из цилиндрической части и двух присоединяемых конусных отражателей. В центральной части цилиндрического корпуса располагается трубка 4, внутри которой может перемещаться эбонитовый шарик 3 диаметром 20-25 мм. Трубка 4 закрепляется относительно цилиндрической части корпуса с помощью перегородок как показано на Фиг. 1 - вид по стрелке А. В нижней части корпуса закрепляется оптико-волоконный световод 7 с помощью переходного устройства 2. Вход световода обозначен номером 7 и имеет возможность соединяться с блоком обработки информации, схема которого приведена на Фиг. 2. В свою очередь, в верхнем корпусе закрепляется в переходном устройстве 5 световод 6, который также может быть присоединен к блоку обработки информации (Фиг. 2). Внутренняя поверхность корпуса и трубки 4 (внешняя и внутренняя) покрываются зеркальным слоем.
Измерительное устройство работает следующим образом.
Если уровень динамических нагрузок достаточно высок и в системе появляются формы движения с параметрами, обеспечивающими отрыв шарика 3, то при достижении такой ситуации образует зазор между шариком 3 и отверстием в нижней части корпуса. В этом случае световой поток через световод 7 проходит через кольцевой зазор, отражается на зеркальных стенках корпуса и проходит на приемник 5 световода 6.
Поступающий световой сигнал трансформируется в электрический импульс и подается в компаратор 8, в котором сигнал сравнивается с нижней нормой проявления нежелательных шумов. Если сигнал принимается, то он направляется в преобразователь 9, а затем в счетчик 10 для подсчета сигналов нарастающим итогом во времени. Счетчик 10 имеет цифровое табло и печатающее устройство 11, которое выдает информацию по окончаниям поездки (если речь идет о тяговом двигателе маршрутного электровоза). Схема обслуживается источником энергии 12 и источником светового потока 13.
По окончаниям поездки результаты замеров передаются диспетчеру, а на электронном табло остаются показатели суммарных воздействий. Такой подход предполагает, что для типового тягового двигателя электровоза предварительно определено предельное число динамических воздействий, по достижениям которого тяговый двигатель должен быть отправлен на профилактический ремонт.
Особенностью предлагаемого способа контроля динамического состояния тягового двигателя через измерение уровня отклонений в выбранных точках является возможность соотнесения параметров динамических нагрузок с работой различных агрегатов, узлов и аппаратуры электровоза в реальном масштабе времени и в сравнении с остаточным ресурсом или запасом безопасности эксплуатации.
Устройство для реализации способа контроля состояния отличается простотой и возможностями сведения к минимуму влияния полей электромагнитной природы.
Предлагаемый способ контроля динамических состояний взаимодействия элементов тягового двигателя электровоза отличается тем, что он ориентирован на измерение тех параметров вибрации, которые способны вызывать эффекты раскрытия или нарушения неудерживающих связей, что приводит к появлению динамических виброударных процессов, оказывающих влияния на работу многих узлов и агрегатов двигателя, в том числе и на состояние изоляции обмоток статора и двигателя.
Измерительное устройство для реализации способа реализуется на внешние воздействия подпрыгивающего инерционного элемента (эбонитовый шарик), находящегося в конусном углублении. При достижении определенного уровня вибраций независимо от их формы возникает кольцевой зазор, через который устанавливается связь разъединенных световодов. Восстановление связи фиксируется электрической схемой и фиксируется счетчиком, ведущим регистрацию виброударных воздействий нарастающим итогом.
Отличие предлагаемого способа контроля динамического состояния тягового двигателя состоит в сборе информации, ориентированной на фиксацию моментов нарушения неудерживающих связей и учета их негативных влиянии в нарастающем итоге.
Измерительное устройство не содержит упругих элементов и реагирует на внешние воздействия при достижении определенных параметров созданием зазора для прохождения светового потока, что не требует разработки специальных мер по снижению электромагнитных полей.