Оценка интенсивности износа электрических щеток машин постоянного тока методом гранулометрического анализа

УДК 621.313

В. В. ХАРЛАМОВ М. Ф. БАЙСАДЫКОВ А. С. ХЛОПЦОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНОСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЩЕТОК МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА МЕТОДОМ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В статье рассмотрен вопрос исследования интенсивности износа щеток электрических машин постоянного тока от изменения электрических и механических факторов. Интенсивность износа щеток оценивается с применением метода гранулометрического анализа. Приведены экспериментальные исследования и сформулированное уравнение регрессии для интенсивности износа щеток.

Ключевые слова: машины постоянного тока, электрические щетки, износ щеток, коллекторно-щеточный узел, метод гранулометрического анализа.

В процессе своей работы коллекторные машины постоянного тока (МПТ) подвержены комплексному воздействию электрических, механических и тепловых факторов.

Одним из главных факторов, оказывающих существенное влияние на коммутационные свойства МПТ и, следовательно, на её надежность является контакт щетка-коллектор. Вследствие некорректной работы этого контакта возникает искрение, вызывающее износ как коллектора, так и щетки.

Текущая высота электрической щетки является определяющим показателем эффективности, надежности и безопасности систем токосъема электрических машин различного назначения. Для определения высоты щетки как функции времени необходимо знать среднее значение скорости износа щетки в каждом из предполагаемых режимов работы системы.

Непосредственное определение скорости износа щетки является чрезвычайно трудоемкой и рутинной задачей, связанной с необходимостью строгого поддержания неизменными значения всех факторов воздействия, в том числе влажности и температуры окружающей среды в течение многих десятков и даже сотен часов, поскольку величина износа электрощеток, как правило, составляет несколько миллиметров за тысячи часов их эксплуатации. Определение лишь одного достоверного значения скорости износа требует 50—100 часов работы на специальных лабораторных стендах.

С целью установления зависимости интенсивности износа электрических щеток машин постоянного тока от изменения электрических и механических факторов были проведены экспериментальные исследования изнашивания щеточного контакта.

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из двух машин постоянного тока П31М соединённых между собой механически. Испытуемая машина работает в качестве двигателя (М) и подключена к сети, вторая машина работает в режиме генера-

тора (С), отдавая вырабатываемую электрическую энергию на нагрузочный реостат (рис. 2).

Для сокращения времени исследования процессов износа было принято решение использовать метод гранулометрического анализа пылевидных продуктов износа, разработанный в Техническом университете г. Брно [1].

Суть метода гранулометрического анализа состоит в том, что для определения интенсивности износа щетки используется оптическая микроскопия, необходимая для расчета объема пылевидных продуктов износа за небольшой интервал работы МПТ. На основании полученных данных рассчитывают ресурс работы электрической щетки.

При определении состава порошковых продуктов износа для отбора части запыленного воздушного потока применялась металлическая трубка (байпас), содержащая внутри себя препятствия в виде предметного стекла с небольшим слоем масла, где и оседала пыль (рис. 3).

В испытуемой машине было выполнено технологическое отверстие, где устанавливался байпас, обеспечивающий прямой доступ к щеточному контакту и обеспечивающим непрерывный воздушный поток с пылью от изнашивания щеток.

Запыленные в течение 30 минут предметные стекла извлекались, накрывались аналогичными по размеру стеклами и после фотографировались под микроскопом при 100-кратном увеличении [2].

После фотографирования изображения щетки производилось объединение всех снимков стеклянной поверхности в один общий файл. Далее при помощи графических редакторов переводили изображения в растровое черно-белое, определяли границы частиц пыли, после подсчитывалось количество частиц с диаметром на изображении более 1 мм, с последующим определением объема частиц износа щеток МПТ [3] (рис. 4).

Для нахождения интенсивности износа электрических щеток на полученное изображение пыли

Рис. 1. Внешний вид установки для проведения испытаний Рис. 4. Изображение пылевидных продуктов

износа щетки ЭГ-74

от щеток накладывалась сетка из 100 квадратных ячеек, в которых определялось число частиц N. с последующим определением их диаметра й... После подсчета объема каждой из частицы износа щетки находился общий объем всей пыли осевшей на стекле .

ТУ =ТN .

Так как величина этих частиц мала, то объем каждой из них принимался равным радиусу.

После определения суммарного объема всех частиц пыли находили среднюю интенсивность износа за 1 минуту по формуле:

Д =

г

где t — время проведения эксперимента. Для достижения поставленной цели проведен факторный эксперимент согласно теории планирования [3]; в качестве варьируемых факторов использовали: ток якоря, уровень искрения щеток, частота вращения и величина нажатия щеток.

Так как на этапе планирования эксперимента не было достоверной информации об ориентации поверхности отклика, приняли как наиболее рациональный центральный композиционный план, отвечающий требованиям ротатабельности. Ротатабельность плана позволяет получить модель, способную предсказывать значение параметра оптимизации с одинаковой точностью независимо от направления на равных расстояниях от центра плана [4].

Факторный эксперимент проводился согласно методике ротатабельного униформ-планирования

Уровни и интервалы варьирования факторов

Таблица 1

Параметр Кодовое обозначение Натуральные значения уровней факторов, соответствующие кодированным

+ 2 + 1 0 -1 -2

Ток якоря I А 33 27 21 15 9

Уровень искрения А, баллы ГОСТ 183-74 3 2 1 й 1 % 1

Частота вращения п, об/мин 3300 3150 3000 2850 2700

Давление на щетку Рщ, кг/см2 0,36 0,3 0,24 0,180 0,120

Таблица 2

Матрица ротатабельного униформпланирования второго порядка для числа факторов к = 4

Номер опыта х, х, X X х4 хх хх х.х4 хх х?4 х?4 х2 х2 х2 х2 А, мкм3 мин

1 + + + + + + + + + + + + + + + 4,356

2 + - + + + - - - + + + + + + + 3,63

3 + + - + + - + + - - + + + + + 3,872

4 + - - + + + - - - - + + + + + 2,662

5 + + + - + + - + - + - + + + + 1,452

6 + - + - + - + - - + - + + + + 0,968

7 + + - - + - - + + - - + + + + 2,2587

8 + - - - + + + - + - - + + + + 1,7747

9 + + + + - + + - + - - + + + + 2,2587

10 + - + + - - - + + - - + + + + 1,1293

11 + + - + - - + - - + - + + + + 1,1293

12 + - - + - + - + - + - + + + + 0,5647

13 + + + - - + - - - - + + + + + 4,1947

14 + - + - - - + + - - + + + + + 2,3393

15 + + - - - - - - + + + + + + + 1,936

16 + - - - - + + + + + + + + + + 0,6453

17 + + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 2,5813

18 + - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 1,3713

19 + 0 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 2,7427

20 + 0 - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 1,2907

21 + 0 0 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 2,904

22 + 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 1,7747

23 + 0 0 0 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 2,2587

24 + 0 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 3,5493

25 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,0973

26 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,5813

27 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,42

28 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,904

29 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,5813

30 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2,42

31 + 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1,2907

эксперимента типа 2к при количестве факторов к = 4. Проведение эксперимента включало в себя проведение 31 опыта, включая «звездные» точки и «нулевые». Уровни и интервалы варьирования факторов приведены в табл. 1. Матрица планирования эксперимента и функция отклика приведены в табл. 2.

Факторы варьировались независимо друг от друга. Уровень искрения регулировался изменением величины тока подпитки и отпитки добавочных полюсов МПТ. Частота вращения регулировалась изменением тока возбуждения. Давление на щетку увеличивалось и уменьшалось путем замены пружины. Ток якоря варьировался изменением нагрузки генератора С.

По результатам эксперимента получили уравнение регрессии для интенсивности износа щеток МПТ в кодированном виде:

А = 2,305 + 0,37 • x1 + 0,303-x2 + 0,296-x3 +

Рис. 6. Зависимость интенсивности износа от частоты вращения и величины давления на щетку при ^ = 21 A и уровне искрения 1,5 балла

использована для определения ресурса работы щеток и диагностирования состояния КЩУ МПТ.

Адекватность модели была проверена с помощью критерия Фишера при уровне значимости а = 0,05, расчетное значение составило Бр = 3,97 что меньше табличного значения Бт = 4,57. Следовательно, математическую модель, представленную формулой 1, можно считать адекватной.

Переходя от кодированных х, х2, х3, х4 значений факторов к натуральным 1а, А, п, Рщ получена зависимость интенсивности износа электрических щеток при изменении основных электрических и механических факторов в КЩУ МПТ:

А = 41,77 + 0,616-Ia + 5,88-A - 0,0168- n -- 202,1-Рщ -19,47 - A - Рщ + 0,079-n - Рщ.

Графики зависимостей интенсивности износа от факторов представлены на рис. 5, 6.

При изменении только лишь электрических факторов воздействия на щеточный узел (рис. 5) наибольшая величина интенсивности износа щеток была достигнута при самом высоком значении тока якоря и самом высоком уровне искрения. Эти две величины ведут к увеличению электроэрозионной составляющей износа щетки. При изменении механических факторов (рис. 6) — нажатие на щетку и высокая частота вращения МПТ влияют на интенсивность износа нелинейно, наибольшая величина интенсивности износа наблюдается при высокой частоте вращения и сильном нажатии на щетку.

В то же время необходимо отметить, что две составляющие износа (электроэрозионная и механическая) неотделимы друг от друга и неразрывно связаны между собой.

Полученная регрессионная модель позволяет оценить интенсивность износа щеток МПТ применительно к исследуемому двигателю и может быть

Библиографический список

1. Veselka, F. Mérici zarizeni pro aplikaci metody prachovych câstic. Technicky tydenik, 2011, roc. 59, c. 7, s. 30-30. - ISSN 00401064.

2. Веселка, Ф. Гранулометрический анализ пылевидных продуктов износа электрических щеток / Ф. Веселка,

B. Н. Забоин / Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. // Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2013. — С. 67 — 76.

3. Байсадыков, М. Ф. Методика применения микроскопа для анализа порошковых частиц и обработка результатов измерений / М. Ф. Байсадыков // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии : материалы IX Междунар. науч.-техн. конф. // Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2013. —

C. 23-29.

4. Спиридонов, А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов / А. А. Спиродонов. -М. : Машиностроение, 1981. — 184 с.

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника».

БАЙСАДЫКОВ Марсель Фаритович, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника».

ХЛОПЦОВ Андрей Сергеевич, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника». Адрес для переписки: marsel_b@mail.ru

Статья поступила в редакцию 17.06. 2015 г. © В. В. Харламов, М. Ф. Байсадыков, А. С. Хлопцов

+ 0,242 • x4 - 0,292 • x2 • x4 + 0,706 • x3 • x4