Термографические исследования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава

2. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография [Текст] / Под ред. А. И. Володина. - М.: Желдориздат, 2007. - 264 с.

3. Фофанов, Г. А. Альтернативные виды топлива на подвижном составе железнодорожного транспорта [Текст] // Труды ВНИИЖТа / Г. А. Фофанов, Д. Н. Григорович, А. С. Нестрахов / Научно-исследовательский ин-т ж.-д. трансп. - М., 2008. - 143 с.

References

1. Volodin A. I. Skovorodnikov E. I. Anisimov A. S. Kompleksnyj analiz termodinamicheskih, jekonomicheskih i jekologicheskih harakteristik teplovoznyh dizelej v uslovijah jekspluatacii (Complex analysis of thermodynamic, economic and ecological characteristics of diesel diesels under operating conditions). Omsk: Omsk institute of engineers of railway transport, 2011, 166 p.

2. Volodin A. I. Metody ocenki tehnicheskogo sostojanija, jekspluatacionnoj jekonomichnosti i jekolo-gicheskoj bezopasnosti dizel'nyh lokomotivov (Methods of an assessment of a technical condition, operational profitability and ecological safety of diesel locomotives). Moscow: JSC Zheldor-izdat, 2007, 264 p.

3. Fofanov G. A., Grigorovich D. N., Nestrahov A. S. Al'ternativnye vidy topliva na podvizhnom sostave zheleznodorozhnogo transporta: trudy VNIIZhT (Alternative fuels for the rolling stock of railway transport: proceedings of VNIIZHT). Moscow: Research Institute of railway transport, 2008, 143 р.

УДК 621.313

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова, А. С. Хлопцов

ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье приведены результаты термографических исследований процесса нагревания деталей коллек-торно-щеточного узла (КЩУ) электрических машин постоянного тока. Обоснованы диагностические параметры для оценки технического состояния КЩУ ТЭД: отношение изменения превышения температуры во времени и в пространстве.

Надежность функционирования тяговых электродвигателей (ТЭД) подвижного состава является основой бесперебойной работы локомотивного парка. Статистика отказов ремонтного локомотивного депо Западно-Сибирской железной дороги свидетельствует о том, что тяговые электродвигатели серий ТЛ-2К1, ЭПД-810, СТК-810, ЭК-810 наиболее часто выходят из строя по причине пробоя и межвитковых замыканий обмотки якоря, выхода из строя моторно-якорных подшипников, а также неисправностей коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Несмотря на использование в производстве различных технических и технологических решений количество отказов ТЭД по указанным причинам остается достаточно высоким. В работах [1 - 3] предложено использование разработанных средств технического диагностирования КЩУ ТЭД, представлено эффективное множество диагностических параметров для контроля технического состояния КЩУ [4]. Очевидно, что совершенствование методов достоверного диагностирования и оценки технического состояния элементов и узлов ТЭД является актуальной задачей при эксплуатации и ремонте тягового электроподвижного состава, в том числе магистральных электровозов [5].

Из статистики отказов, полученной в ремонтном локомотивном депо, следует, что пробой и межвитковые замыкания обмотки якоря составляют до 50 % от общего количества повреждений ТЭД. Следует отметить, что тепловой фактор является одним из определяющих для оценки технического состояния ТЭД, поскольку превышение температуры изоляции на каждые 10°С снижает ее ресурс в два раза. Помимо этого превышение температуры в контакте «коллектор - щетка» свидетельствует о возможном дефектном его состоянии. Поэтому для диагностирования ТЭД необходимо иметь объективную и достоверную информацию о распределении в нем температурного поля [6].

Рассмотрим возможности применения метода термографического контроля для оценки технического состояния КЩУ ТЭД (как развитие инструментальных объективных методов) с использованием термографических исследований нагрева деталей КЩУ машины постоянного тока (МПТ) П31М. В источниках [5, 7] доказано, что ТЭД ТЛ-2К1 и электрическая машина П31М имеют физическое подобие, что позволяет распространять результаты экспериментальных исследований МПТ П31М на ТЭД ТЛ-2К1. С использованием оборудования по визуализации и измерению тепловых полей (термографы «Иртис 2200С» и «БНг») проведены термографические исследования состояния КЩУ МПТ П31М. Температура регистрировались в точках, указанных на рисунке 1.

Полученные термограммы (рисунок 2) подвергнуты обработке с целью получения информации для построения кривых превышения температуры в указанных точках коллектор-но-щеточного контакта.

После изучения процесса нагревания деталей КЩУ МПТ П31М (рисунок 3) введено допущение о том, что исследуемый объект - однородное тело с равномерно распределенными потерями внутри его объема [8], при этом кривая нагревания описывается известным уравнением:

^Чг.бЗ'МО.Э >39.07 ^.16Ч48.77: "43.78 ЖТ7 >.25 >79.76 , -59.3 57.47 54.84>оо

Рисунок 2 - Термограмма КЩУ МПТ П31М

(

т = т + |т -т

нач у уст нач ^

* Л

1 - е

где тнач - начальное превышение температуры машины; туст - установившееся превышение температуры; Тн - постоянная времени нагревания.

40 °С

30 25 20 15 Дт

5 0 -5 -10

0,00

\2

\Г

X

(

г

5,00

10,00

15,00

20,00

70

°С

50 40 30 Дт

10 0 -10

30,00

и

V -И

V

у

10,00

20,00

а б

Рисунок 3 - Аппроксимация кривых превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) МПТ П31М: 1 - экспериментальная кривая; 2 - аппроксимированная кривая

г

Получены аппроксимированные кривые превышения температуры коллектора и щеток исследуемой машины экспоненциальными функциями:

Ах к =-36,924 • е -0,ш + 33,709;

Дтщ = -62,532 • е-0,261 + 58,48.

Поскольку наблюдение статической термограммы исследуемого объекта не информативно, произведены графические построения (рисунок 4) и найдены отношения полученных аппроксимирующих функций.

1,6 1.4 1,2 1

0,8 0.6 0,4 0,2

1

—ж Ц-

/

9 <

10,00 15,00 20,00 МИН 30,00 1 _^

_м

V

1 V 2

0,00

;,оо

10,00 15,00

г _

20,00

мин

б

Рисунок 4 - График изменения отношения превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) МПТ П31М: 1 - отношение температуры второй щетки к первой; 2 - отношение температуры второй щетки к третьей

Аг£ Лт.

где Ах; - превышение температуры в исправном контакте «коллектор - щетка»;

Ат/ - превышение температуры в диагностируемом контакте «коллектор - щетка»;

; = / = {1, 2, ..., п);

п - количество зарегистрированных точек.

Анализ данных рисунка 4 показал, что отношения превышения температуры коллектора и щеток не имеют существенных различий как по времени, так и в пространстве, так как электродвигатель П31М был подвергнут испытанию после проведения капитального ремонта.

Для выявления параметров оценки технического состояния ТЭД проведены экспериментальные исследования на МПТ П31М с заранее внесенными неисправностями в коллекторно-ще-точный контакт (рисунок 5).

Принимая температуру в исправном щеточном контакте за некое «эталонное» значение, рассчитали отношения превышения температуры нагрева (рисунок 6) эталонного следа к следам неисправных контактов «коллектор -щетка» (рисунок 7).

Рисунок 5 - Термограмма машины постоянного тока П31М с заранее внесенными неисправностями: 1 - уменьшено удельное давление на щетку; 2 - исправный щеточный контакт; 3 - щетка не притерта

9

46 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(19) 2014

- _ = =

Дт

Дт

70 °С 50 40 30 20 10 0

2

1

3

0,00

5,00

10,00

20,(

0,00

5,00

10,00

20,

а б

Рисунок 6 - Кривые превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) МПТ ПЗ1М с неисправностями: 1 - уменьшено удельное давление на щетку; 2 - исправный щеточный контакт; 3 - щетка не притерта

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1

1

г^ ...

-И

Х2

1,8

1,6

1,4

/1 1,2

0,8

э 0,6

0,4

0,2

0

V""""""

!

у \1

Г

10,00

5,00

а б

Рисунок 7 - График изменения отношения превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) МПТ П31М с неисправностями: 1 - отношение температур исправного контакта и контакта с уменьшенным давлением на щетку; 2 - отношение температур исправного контакта и контакта с непритертой щеткой

Выделены параметры для оценки технического состояния МПТ П31М: информацию о состоянии КЩУ целесообразно оценивать на интервале от начала процесса нагрева и до тех пор, пока тепло от других источников (например, обмотки якоря) не достигло коллекторно-щеточного контакта, а температура обладает диагностической ценностью. Для МПТ П31М этот период не превышает 5 мин, поскольку именно в этом временном интервале превышение температуры в КЩУ, а также отношения превышения температуры имеют наибольшие приращения.

Для оценки технического состояния КЩУ температуру его деталей следует фиксировать и оценивать ее превышение во времени. Помимо анализа превышения температуры во времени следует оценивать изменение отношения превышения температуры в пространстве, а именно: отношение превышения температуры эталонного следа (исправного контакта «коллектор -щетка») к температуре следов других (неисправных) контактов. Анализируя изменение отношений температуры следов на коллекторе и температуры щеток во времени и их максимальные и минимальные Рисунок 8 - Термограмма КЩУ ТЭД ТЛ-2К1 значения, при накоплении необходимой

статистической информации можно формировать заключение о состоянии контакта.

Отметим, что отношение превышения температуры в исправных щеточных контактах должно стремиться к единице, в то время как значительное его уменьшение свидетельствует

№ 3(19) 2014

г

г

г

о значительном нагреве анализируемого следа на коллекторе. Обратную картину можно наблюдать при анализе изменений отношений температуры щеток.

Рассмотрим применение предложенных критериев оценки технического состояния к ТЭД ТЛ-2К1. Термографические исследования ТЭД ТЛ-2К1 (пример термограммы показан на рисунке 8) проводились на испытательной станции ремонтного локомотивного депо ЗападноСибирской железной дороги.

Анализ полученных графиков (рисунок 9) показал, что изменение превышения температуры коллектора и щеток во времени характеризуется экспоненциальной зависимостью. Изменение отношений превышения температуры коллектора и щеток близко к единице и незначительно изменяется во времени (рисунок 10), что свидетельствует об удовлетворительном состоянии КЩУ.

Ат

40

°С

30 25 20 15 10 5 0 -5

ч,

'Г

2

Ат

100 }С 60 40 20 0

к А

г Г

К У 1

2

, Л 1

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 мин 16,0 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 мин 16,0 -' -

a б

Рисунок 9 - Кривые превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) ТЭД ТЛ-2К1: 1 - след первой щетки; 2 - след второй щетки

2 1,8 1,6 1,4

1.2

0,8 9 1

0,4

0,2 0

Г- ♦ 1 1

V

0,00 2,00

,.,„, мш мм мин IV';:

г _^

4.: " " |:1,и.| : мин I--.!

г _^

a б

Рисунок 10 - График изменения отношений превышения температуры коллектора (а) и щеток (б) ТЭД ТЛ-2К1

Таким образом, оценку технического состояния КЩУ ТЭД с использованием технических средств по визуализации и измерению тепловых полей следует производить в период наибольшого приращения температуры, так как температура коллектора и щетки имеет на этом интервале значительную диагностическую ценность. Помимо оценки превышения температуры во времени необходимо анализировать зависимости отношений превышения температуры нагрева коллектора и щеток в эталонном и диагностируемых контактах.

Список литературы

1. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния кол-лекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография [Текст] / В. В. Харламов. - Омск, 2002. - 233 с.

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

9

3. Харламов, В. В Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 3 (7). -С. 52 - 57.

4. Харламов, В. В. Формирование эффективного множества диагностических параметров для контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей в условиях неидентичности коммутационных циклов [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2012. - № 4 (12). - С. 69 - 75.

5. Долгова, А. В. Совершенствование технологии диагностирования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей магистральных электровозов [Текст]: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.22.07 / Долгова Анна Владимировна. - Омск, 2013. - 20 с.

6. Щербатов, В. В. Моделирование теплового состояния тягового электродвигателя для прогнозирования ресурса [Текст] / В. В. Щербатов, О. Л. Рапопорт, А. Б. Цукублин // Известия ТПУ / Томский политехн. ун-т. - Томск. - 2005. - № 7. - С. 156 - 159.

7. Харламов, В. В. Применение теории подобия при моделировании износа коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. -№ 4 (8). - С. 57 - 62.

8. Брускин, Д. Э. Электрические машины и микромашины [Текст] / Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. М.: Высшая школа, 1990. - 401 с.

References

1. Kharlamov V. V. Metodi i sredstva diagnostirovaniya tehnicheskogo sostoyania kollektorno-schetochnogo uzla tyagovih electrodvigatalei i drugih kollektornyh mashin postoyannogo toka: monographiya (Methods and means for diagnosing the technical condition of the traction motors collector-brush assembly and other collector DC machines: monograph). Omsk: Omsk State Transport University, 2002, 233 p.

2. 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 processa diagnostirovania profilya kollektora tyagovyh elektrodvigatelej s pomoshyu pribora PKP-4M]. Izvestiia Transsiba- The Trans-Siberian Bulletin, 2013, no. 1 (13), pp. 42 - 48.

3. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Afonin A. P. Application device PKK-5M for commutation condition diagnostic of DC motors [Diagnostirovanie sostoyaniya kommutacii kollektornyh elektrodvigatelej s ispolzovaniem pribora PKK-5M]. Izvestiia Transsiba- The Trans-Siberian Bulletin, 2011, no. 3 (7), pp. 52 - 57.

4. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Afonin A. P. The formation of an effective set of diagnostic parameters to control the technical condition of the collector-brush assembly traction motors are not identical in terms of operating cycles [Formirovanie effektivnogo mnozhestva diagnosticheskih parametrov dlya kontrolya tehnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shetochnogo uzla tyagovyh elektrodvigatelej v usloviyah neidentichnosti kommutacionnyh ciklov]. Izvestiia Transsiba- The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 4 (12), pp. 69 - 75.

5. Dolgova A. V. Sovershenstvovanie tehnologii diagnostirovaniya kollektorno-schetochnogo uzla tyagovyh elektrodvigatelej magistralnyh elektrovozov (Improvement the technology of diagnosing locomotives traction motors collector-brush assembly). Abstract Ph.D. thesis, Omsk, 2013, 20 p.

6. Shcherbatov V. V., Rapoport О. L., Tsukublin A. B. Modeling of the thermal state of the traction motor to predict the resource [Modelirovanie teplovogo sostoyania tyagovogo elec-trodvigatelya dlya prognozirovaniya resursa]. Izvestia TPU - Proceedings of the TPU, 2005, no. 7, pp. 156 - 159.

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

8. Bruskin D. E., Zorokhovich A. E., Khvostov V. S. Electricheskie mashini i mikromashini (Electrical machinery and micromachines). Moscow: Higher School, 1990, 401 p.

УДК 621.335.11

А. А. Бакланов, Н. В. Есин, О. В. Гателюк

ИЗМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНО-ИНВЕРТОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ85 НА ВЫСШИХ ЗОНАХ

РЕГУЛИРОВАНИЯ

В статье предлагается изменение алгоритма работы плеч выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза ВЛ85 с целью индивидуального регулирования напряжения на тяговых двигателях при сохранении единой централизованной системы управления всеми преобразователями электровоза. Предложенные решения могут быть применены для ликвидации начавшегося боксования колесных пар локомотива без снижения силы тяги небоксующих колесных пар.

На сети дорог ОАО «РЖД» широко эксплуатируются электровозы переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ65, 2ЭС5К, ЭП1, на которых применено плавное регулирование напряжения тяговых двигателей с помощью управляемых выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов) [1].

Каждый ВИП этих электровозов состоит из восьми плеч силовых тиристоров, подключенных к вторичным обмоткам тягового трансформатора (рисунок 1).

На электровозах применено плавное зонно-фазовое регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям. Управление всеми ВИПами электровоза осуществляет блок управления вы-

прямительно-инверторными преобразователями (БУВИП): он выдает в системы формирования импульсов (СФИ) ВИПа управляющие импульсы ао, аоз, ар в соответствии с данными таблицы. При этом условно можно считать высшими зоны со второй по четвертую.

VS1 Z^ VS3 Z^ VS5 Zi

VS2

VS7 А

Uri

II

VS6

VS8 Z\

Рисунок 1 - Схема выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза ВЛ85

Алгоритм работы системы БУВИП

Зона Номер полупериода Номера плеч ВИПов и выходных усилителей

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8

I 1 ар ^ ар

2 а0 ар

II 1 ар аоз ао

2 ар аоз ао

III 1 ар аоз ао

2 ар аоз ао

IV 1 ар аоз ао

2 ар аоз ао

В итоге на выходе ВИПа формируется выходное напряжение, представленное на рисунке 2 (первая и вторая зоны).