Анализ напряженно-деформированного состояния подшипника асинхронного электродвигателя

УДК 621.313

Анализ напряженно-деформированного состояния подшипника асинхронного электродвигателя

М. А. Шрайбер

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

Для цитирования: Шрайбер М. А. Анализ напряженно-деформированного состояния подшипника асинхронного электродвигателя // Известия Петербургского университета путей сообщения. -СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 4. - С. 650-657. Б01: 10.20295/1815-588Х-2019-4-650-657

Аннотация

Цель: Рассмотреть вопрос о повышении надежности тяговых электрических машин переменного тока. Исследовать напряженно-деформированное состояние подшипника асинхронного тягового электродвигателя (АТЭД) тепловоза в эксплуатации. Проанализировать полученные результаты. Дать рекомендации по повышению надежности АТЭД локомотивов. Методы: В качестве основного метода исследования и расчета напряженно-деформированного состояния выбран метод конечных элементов, реализуемый в программном пакете SolidWorks 2005. Результаты: Охарактеризована необходимость предупреждения внезапных отказов АТЭД тепловозов в эксплуатации. Определены зоны концентрации напряжений в элементах подшипникового узла. Даны рекомендации по совершенствованию конструкции сепаратора подшипника АТЭД. Установлено, что следует совершенствовать систему диагностики АТЭД, а именно внедрять системы вибродиагностики, способных определять скрытые дефекты подшипников на этапе входного контроля при поступлении на текущий ремонт и выходного контроля после сборки при изготовлении и после ремонта. Выявлена необходимость в оборудовании отделений депо, где будут обслуживаться подшипники качения, стендами для проведения виброакустической диагностики. Практическая значимость: Показана важность внесения усовершенствований в конструкцию сепаратора АТЭД с учетом возникающих в эксплуатации напряжений. На базе конечно-элементной модели подшипника АТЭД рекомендовано внедрение виброакустической диагностики подшипников качения при поступлении электрической машины в ремонт, а также в качестве этапа выходного контроля. Это позволит уменьшить вероятность возникновения внезапных отказов, связанных с повышенными эксплуатационными нагрузками или нарушениями при сборке и изготовлении подшипников АТЭД. Предложенные методики расчета напряженно-деформированного состояния подшипников качения могут быть применены для практического использования не только подшипниковых узлов АТЭД, но также и для схожих по конструкции подшипников качения (например, буксовых подшипников качения).

Ключевые слова: Асинхронный тяговый электродвигатель, напряженно-деформированное состояние подшипника качения, виброакустическая диагностика подшипников качения.

Введение

В соответствии с документом «Типы и основные параметры локомотивов», утвержденным распоряжением МПС России № 747р от

27.10.2002 г., перспективные тепловозы должны иметь асинхронный тяговый электродвигатель (АТЭД). Это позволит обеспечить более высокую осевую мощность, увеличить скорости движения составов, улучшить энерге-

тические и тяговые характеристики локомотивов.

Особенности конструкции АТЭД тепловозов зависят от условий их эксплуатации в составе колесно-моторного блока. Данные условия и определяют основные требования к конструктивному исполнению, массогабаритным характеристикам АТЭД. К преимуществам АТЭД по сравнению с машинами постоянного тока относятся: снижение затрат на ремонт и техническое обслуживание, уменьшение массы и размеров по сравнению с коллекторными двигателями, более высокие значения коэффициента полезного действия (КПД) и др. Однако по результатам многочисленных исследований наиболее изнашиваемым узлом АТЭД являются подшипники (более 50 % всех неисправностей), потому особое внимание следует уделять повышению их надежности [1, 2]. Такое количество отказов подшипниковых узлов АТЭД связано с тем, что они работают в тяжелых условиях (осевые, радиальные нагрузки, динамические воздействия, вибрации, неблагоприятные климатические условия и пр.), причем современный АТЭД должен сохранять свои эксплуатационные параметры и обеспечивать высокую работоспособность в течение всего срока службы.

В зависимости от эксплуатационных воздействий отказы подшипниковых узлов АТЭД можно разделить на постепенные и внезапные. К постепенным отказам будут относится: износ в результате взаимодействия тел качения, коррозия, проявление усталости металла на рабочих поверхностях внутреннего и наружного колец, а также сепаратора. Внезапные отказы связаны с действием недопустимых нагрузок на элементы подшипникового узла. К ним можно отнести трещины, изломы, сколы, разрывы внутренних и наружных колец подшипников и сепараторов.

Также отказы подшипниковых узлов можно разделить на конструкционные, производственные и эксплуатационные. Конструкционные отказы связаны с ошибками проектирования. Причинами, вызывающими производственные отказы, могут служить нарушения

технологии изготовления, применение материалов, не соответствующих требованиям, и др. Эксплуатационные отказы возникают в результате изменения технического состояния узла или детали локомотива.

С целью выработки рекомендаций по внесению изменений в конструкцию элементов подшипниковых узлов АТЭД нужно исследовать его напряженно-деформированное состояние под действием эксплуатационных факторов. Для этого необходимо построить математическую модель, учитывающую действие рабочих нагрузок и свойства материалов элементов подшипника. Полученная математическая модель позволит оценить возникающие напряжения в деталях подшипников АТЭД и установить зоны, которые предрасположены к развитию дефектов. Также для того, чтобы выявить отказы подшипниковых узлов АТЭД в эксплуатации на стадии зарождения дефекта, следует применять неразрушающие методы контроля, например виброакустическую диагностику. Опираясь на математическое моделирование напряженно-деформированного состояния подшипника АТЭД, можно выработать рекомендации, которые скорректируют технологический процесс виброакустического диагностирования с учетом наиболее часто образующихся дефектов.

Моделирование

напряженно-деформированного состояния подшипника АТЭД типа ДАТ-510

Для исследования напряженно-деформированного состояния подшипника качения в качестве объекта моделирования был выбран подшипник АТЭД типа НО-32332 КМ. К одним из наиболее ответственных узлов этого подшипника относится сепаратор, повреждение которого приводит к отказу как всего подшипника, так и самого АТЭД.

При анализе работы подшипниковых узлов АТЭД в эксплуатации было выявлено, что на сепаратор действуют:

- центробежные силы инерции, возникающие при вращении сепаратора;

- силы надавливания роликов на перемычки сепаратора при перекосе колец подшипника;

- силы взаимодействия между телами качения и сепаратором;

- силы трения при соприкосновении сепаратора и направляющего кольца [3-7].

Для определения напряженно-деформированного состояния подшипника АТЭД был выбран программный пакет ЗоНсМОкз 2005, позволяющий реализовать расчет с помощью метода конечных элементов. Используя чертежи и физико-химические свойства материалов, из которых изготовлены узлы подшипника типа НО-32332К2М, была построена твердотельная модель данного подшипника в вышеуказанном программном пакете. После построения сетки конечных элементов для анализа напря женно-деформированного состояния элементов подшипника типа НО-32332К2М на элементы твердотельной модели было задано действие сил, отвечающих эксплуатационным. В качестве расчетного был выбран режим, соответствующий номинальной частоте вращения ротора АТЭД.

Для увеличения скорости расчета было проанализировано напряженно-деформированное состояние сектора подшипника, так как подшипник представляет собой симметричное тело. Результаты расчета представлены на рис. 1 и 2. Из них видно, что максимальные значения напряжений возникают в углах окон сепаратора, в связи с этим можно дать рекомендации по созданию более сглаженных форм окон вновь создаваемых подшипников качения, что позволит несколько снизить напряжения в таких точках, благодаря более равномерному распределению напряжений.

Деформированное состояние сепаратора подшипника НО-32332 К2 М под действием рабочих нагрузок иллюстрирует рис. 3. Наибольшие перемещения также появляются в перемычках сепаратора и углах окон. В случае возникновения дефектов (трещины, сколы и др.) на перемычках и углах окон сепаратора можно спрогнозировать ускоренное разрушение элементов подшипника, ибо данные участки сепаратора связаны с более высокими значениями напряжений. Поэтому при проведении визуального осмотра и диагностики технического состояния подшипникового узла необходимо должное внимание уделять

Рис. 1. Сетка конечных элементов

von Mises

Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние элемента сепаратора подшипника

определению дефектов на вышеперечисленных частях сепаратора.

Разработанная твердотельная модель позволяет оценить напряженно-деформированное состояние элементов подшипника НО-32332 К2М, дать рекомендации по созданию перспективных моделей подшипников качения для АТЭД с учетом возникающих в эксплуатации рабочих нагрузок, выработать рекомендации при проведении их технической диагностики.

Рекомендации по повышению надежности АТЭД в эксплуатации

Для повышения надежности АТЭД в эксплуатации целесообразно рассмотреть такой метод технической диагностики как виброакустическая диагностика. Он широко применяется при изучении технического состояния подшипников качения подвижного состава. В современном локомотивном хозяйстве измерение уровня вибрации и испытание на вибропрочность электрических машин локомотивов проводятся или при типовых, или при исследовательских испытаниях [8, 9]. Такие

URES (mm) 0»1 . c.cc-i 1001 .0.001 .0.000 .0.000 .0.000 .0.000 .0.000 .0.000 но.ооо Но.ооо

Н 0.000

Рис. 3. Деформация сепаратора

подшипника НО-32332К2М под действием рабочих нагрузок

испытания выполняют на специальном стенде, оборудованном виброизмерительной аппаратурой, в двигательном режиме на холо-

стом ходу при номинальной и наибольшей частотах вращения. Измерение производят на подшипниковых щитах в трех направлениях через 2-3 мин после достижения двигателем требуемых частот вращения. Испытания для двигателей с опорно-осевым подвешиванием проводят в диапазоне частот 10-7000 Гц с виброускорением 120 м/с2, для двигателей с опорно-рамным подвешиванием - от 10 до 100 Гц и виброускорением 30 м/с2. Продолжительность испытаний - 50 млн циклов.

Однако испытания на вибропрочность в программу приемо-сдаточных испытаний не входят. Поэтому для повышения надежности АТЭД и оценки качества проведения технического обслуживания и ремонта рекомендуется внедрять позицию виброакустического контроля при поступлении электрической машины на текущий ремонт, а также при выходе ее из ремонта. На основании математического моделирования напряженно-деформированного состояния подшипника АТЭД особое внимание следует уделять техническому состоянию сепараторов подшипников качения.

При расчете вибропрочности элементов АТЭД расчетным режимом нужно выбирать движение тепловоза по прямолинейному участку пути с максимальной скоростью. В этом режиме уровень динамического воздействия и частота возмущающих воздействий будут максимальны [10].

В настоящее время отечественными производителями предлагаются различные стенды для проведения виброакустической диагностики подшипников качения. К таким стендам относится, например, стенд «Протон-СПП», предназначенный для корректного выявления дефектов подшипников качения перед их установкой на ремонт. Он позволяет осуществлять автоматическую диагностику технического состояния подшипников различной модификации, регистрировать и анализировать вибросигналы с целью выявления особенностей их технического состояния, хранить базу данных подшипников качения, подбирать аналогичные по геометрическим размерам подшипники с целью замены.

Также можно рассмотреть применение в современных локомотивных депо, обслуживающих АТЭД, системы вибродиагностики подшипников качения КОМПАКС-РПП, которая является модификацией системы компьютерного мониторинга КОМПАКС и предназначена для вибродиагностики подшипников качения. Данная система состоит из диагностической станции (секция пультовая, диагностический контроллер, монитор, клавиатура, блок бесперебойного питания, принтер лазерный), программного обеспечения КОМПАКС-РПП, подшипниковых стендов (приводов обкатки подшипников), комплектов оправок, маркера искрового и комплекта специальных ключей. Диагностическая станция системы подключается к силовой однофазной сети электропитания напряжением 220±22 В, частотой 50 Гц, потребляемая мощность - не более 200 Вт. Время диагностики подшипника с распечаткой протокола на принтере не превышает 3 мин без учета времени подготовки подшипника, установки на стенд и снятия с него, маркировки, консервации и упаковки.

Современные стенды вибродиагностики могут быть адаптированы для применения на различных предприятиях локомотивного хозяйства.

Заключение

Разработана конечно-элементная модель напряженно-деформированного состояния подшипника качения АТЭД. Получены результаты моделирования фрагмента подшипника и сепаратора АТЭД с величинами напряжений, возникающих под действием рабочих нагрузок. Выработаны рекомендации по внесению изменений в конструкцию сепаратора перспективных АТЭД с целью повышения их надежности в эксплуатации. Даны рекомендации по использованию виброакустической диагностики подшипников АТЭД на стадиях входного и выходного контроля. Предложены типы стендов, рекомендуемых к использованию на предприятиях локомотивного хозяйства.

Библиографический список

1. Андрющенко А. А. Асинхронный тяговый привод локомотивов : учеб. пособие/ А. А. Андрющенко, Ю. В. Бабков, А. А. Зарифьян и др. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2013. - 413 с.

2. Камаев А. А. Конструкция, расчет и проектирование локомотивов : учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Локомотиво-строение» / А. А. Камаев, Н. Г. Апанович, В. А. Камаев и др. - М. : Машиностроение, 1981. - 351 с.

3. Лосев А. В. Исследование работы сепараторов железнодорожных роликовых подшипников при высоких скоростях движения : автореф. дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.22.07 / А. В. Лосев. -М. : МИИТ, 1972. - 21 с.

4. Грищенко А. В. Математическая модель сепаратора подшипника качения локомотивных асинхронных электродвигателей / А. В. Грищенко, А. С. Хрущев, О. Р. Хамидов, М. С. Яшкин // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2014. - Вып. 2. - С. 5-10.

5. Хамидов О. Р. Математическая модель вибро-возмущающих сил локомотивного асинхронного электродвигателя / О. Р. Хамидов, М. Н. Панчен-ко // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2013. - Вып. 4. - С. 60-67.

6. Грищенко А. В. К вопросу методов вибродиагностики асинхронных электродвигателей локомо-

тивов / А. В. Грищенко, О. Р. Хамидов // Материалы II Междунар. практич. конференции «Человек и транспорт», 28-30 июня 2012 г. - СПб. : ПГУПС, 2012. - С. 40-43.

7. Хамидов О. Р. Оценка технического состояния локомотивных асинхронных электродвигателей средствами вибродиагностики : автореф. дис. ... канд. техн. наук, специальность : 05.22.07. - СПб. : ПГУПС, 2014. - 21 с.

8. Грищенко А. В. Повышение эффективности технического обслуживания локомотивов / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, В. А. Кручек, М. А. Шрай-бер // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2012. - Вып. 4. - С. 93-97.

9. Грищенко А. В. Изменение системы технического обслуживания локомотивов / А. В. Грищен-ко, В. В. Грачев, Д. Н. Курилкин, М. А. Шрайбер // Наука и образование транспорту. - 2017. - № 1. -С. 25-27.

10. Барков А. В. Вибрационная диагностика электрических машин в установившихся режимах работы : метод. указания / А. В. Барков, Н. А. Баркова, А. А. Борисов. - СПб. : Северо-Запад. учеб. центр, 2006. - 25 с.

Дата поступления: 28.08.2019 Решение о публикации: 03.09.2019

Контактная информация:

ШРАЙБЕР Марина Александровна - канд. техн. наук, доцент; goshapti4ka@yandex.ru

Stress-strain behavior analysis of the roller bearing for asynchronous induction motor

M. A. Shreiber

Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation

For citation: Shreiber M.A. Stress-strain behavior analysis of the roller bearing for asynchronous induction motor. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2019, vol. 16, iss. 4, pp. 650-657. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-4-650-657

Summary

Objective: To consider the issue of improving reliability of traction alternating-current machines. To study stress-strain behavior of the roller bearing for asynchronous traction motor (ATED) of a diesel

locomotive in service. To analyze the obtained results. To give recommendations on reliability improvement of ATED locomotives. Methods: Finite element method implemented in SolidWorks 2005 software package was chosen as the main method for research and calculation of stress-strain behavior. Results: The need for sudden failure prevention of ATED diesel locomotives in operation was defined. Stress concentration zones in elements of the bearing unit were determined. Recommendations on design development of ATED bearing cage were given. The need for improvement of ATED diagnostics system was established. The latter implies the implementation of vibration-based diagnostic systems being able to detect hidden faults of bearings at the stage of initial check during current repairs and maintenance as well as final check after the assembly in the process of production and after the repair. The need for repair and maintenance depot departments to be equipped with stands in order to conduct vibration-based diagnostics of roller bearings was identified. Practical importance: The importance of introducing impovements into the construction of ATED bearing cage was shown, taking into account stress occurrence during operation. It is recommended to implement vibroacoustic diagnostics of roller bearings, based on finite element model of ATED bearing, during the repair of an electric machine and as one of the stages of its final check. The above-mentioned will reduce the occurrence of sudden failures connected with heavy service load or troubles with assembly and production of ATED bearings. The introduced calculation procedures for stress-strain behavior of roller bearings can be applied in practice not only for ATED bearing units but also roller bearings similar in design (for instance, axle box bearings).

Keywords: Asynchronous traction motor, stress-strain behavior of roller bearing, vibroacoustic diagnostics of roller bearings.

References

1. Andryushchenko A. A., Babkov Y. V., Zari-fyan A. A. et al. Asinkhronniy tyagoviy privod loko-motivov [Asynchronous power actuator of locomotives]. Uchebnoye posobiye [Teaching aid]. Moscow, Uchebno-metodicheskiy tsentr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte [Training and Methodology Centre for Railway Transport] Publ., 2013, 413 p.

2. Kamaev A. A., Apanovich N. G., Kamaev V. A. et al. Konstruktsiya, raschet iproektirovaniye lokomo-tivov [Locomotives: design, calculation and engineering]. Textbook for technical college students of "Locomotive engineering" speciality. Moscow, Mashino-stroeniye Publ., 1981, 351 p.

3. Losev A. V. Issledovaniye raboty separato-rov zheleznodorozhnykh rolikovykh podshipnikov pry vysokikh skorostyakh dvizheniya [Research on performance of spacing cages under high driving speed]. Abstract of Cand. Sci.

4. Grishchenko A. V., Khrushchev A. S., Khami-dov O. R. & Yashkin M. S. Matematicheskaya model separatora podshipnika kacheniya lokomotivnykh

asinkhronnykh elektrodvigateley [Simulation model of a bearing cage of the locomotive induction motor]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soob-shcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2014, iss. 2, pp. 5-10.

5. Khamidov O. R. & Panchenko M. N. Matematicheskaya model vibrovozmushchayushchikh sil loko-motivnogo asinkhronnogo elektrodvigatelya [Simulation model of disturbance forces of the locomotive induction motor]. Izvestiya Peterburgskogo universite-ta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2013, iss. 4, pp. 60-67.

6. Grishchenko A. V. & Khamidov O. R. K voprosu metodov vibrodiagnostiky asinkhronnykh elektrodvi-gateley lokomotivov [The methods of vibration-based diagnostics for locomotive induction motors]. Mate-rialy II Mezhdunarodnoy prakticheskoy konferentsii "Chelovek i transport" [Proceedings of the 2nd International research and training conference "Human and transport"], June 28-30th, 2012. Saint Petersburg,

PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, pp. 40-43.

7. Khamidov O. R. Otsenka tekhnicheskogo sostoya-niya lokomotivnykh asinkhronnykh elektrodvigateley sredstvamy vibrodiagnostiky [Health assessment of the locomotive induction motor by means of vibration-based diagnostics]. Abstract of Cand. Sci.

8. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kruchek V.A. & Shreiber M.A. Povysheniye effektivnosty tekhnicheskogo obsluzhivaniya lokomotivov [The improvement of maintenance operation efficiency of locomotives]. Iz-vestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshche-niya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2012, iss. 4, pp. 93-97.

9. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kurilkin D. N. & Shreiber M.A. Izmeneniye sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniya lokomotivov [Alteration of the locomotive maintenance operation system]. Nauka i obrazo-vaniye transport [Transport Science and Education], 2017, no. 1, pp. 25-27.

10. Barkov A. V., Barkova N.A. & Borisov A. A. Vi-bratsionnaya diagnostika elektricheskikh mashin v ustanovivshikhsya rezhimakh raboty [Vibration-based diagnostics of electrical machinery in steady-state operation]. Guidelines. Saint Petersburg, North-West Training Centre Publ., 2006, 25 p.

Received: August 28, 2019 Accepted: September 03, 2019

Author's information:

Marina A. SHREIBER - PhD in Engineering; Associate Professor; goshapti4ka@yandex.ru