Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах

УДК 621.313.2.014

В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов

МЕТОДИКА НОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА КОММУТАЦИИ В ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ

В статье на основе анализа критерия коммутационной напряженности машин постоянного тока предлагается методика нормирования качества коммутации тяговых электрических машин, базирующаяся на методе Карасева - Суворова с использованием потенциальной щетки-датчика на сбегающем крае основной щетки и прибора контроля коммутации ПКК-2М.

Теория оптимальной коммутации в машинах постоянного тока разработана под руководством Михаила Федоровича Карасева, доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, которому в 2013 г. исполняется 110 лет со дня рождения.

Научное наследие в трудах профессора М. Ф. Карасева трудно переоценить. Здесь глубокие физические исследования самого процесса коммутации, роль щеточного контакта, влияние условий работы коллекторно-щеточного узла на качество токосъема, явление неидентичности коммутационных циклов как основного фактора проблемности настройки коммутации, критерии оптимальных условий коммутации на уровне теории и инструментальных оценок и, наконец, разработка инструментов и методов исследования и настройки коммутации коллекторных машин постоянного тока.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенные под руководством профессора М. Ф. Карасева, позволили довести приборы по объективной оценке уровня искрения до промышленных образцов. С использованием данных приборов разработаны новые методы настройки коммутации с учетом условий эксплуатации промышленных и тяговых электрических машин подвижного состава железных дорог, где внедрены структурные схемы управления техническим диагностированием; разработаны трехмерные математические модели коммутационных свойств тяговых электродвигателей и вспомогательных электрических машин и графоаналитический метод корректировки зазоров под дополнительными полюсами и т. д.

Коммутация в машинах постоянного тока - это процесс изменения направления тока в секциях обмотки якоря при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. От характера этого изменения зависят условия токосъема на коллекторе. Оптимальная коммутация обеспечивает обесточивание сбегающего края щетки, для чего коммутирующая ЭДС ек, создаваемая дополнительными полюсами (ДП), должна быть примерно на 15 - 20 % больше реактивной ЭДС ег [1].

К критериям работоспособности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) относятся искрение щеток, биение коллектора, износ щеток, износ и температура коллектора, ширина безыскровой зоны, переходное сопротивление щеточного контакта, падение напряжения и величина небалансной ЭДС. К критериям отказа относятся превышение допустимых уровня искрения, скорости или величины износа щеток, износ коллектора, значение температуры коллектора, стабильность переходного сопротивления щеточного контакта и превышение допустимого значения биения коллектора.

Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания тяговых электрических машин (ТЭМ) позволяют сделать вывод о том, что наиболее общими критериями оценки качества работы КЩУ являются среднеквадратическое отклонение перепада уровней коллекторных пластин и уровень искрения (на практике обычно используются значения биения и искрения). Причем если первый критерий включает в себя в основном причины механического характера, то второй является наиболее общим и включает в себя все три вида причин (электромагнитные, механические, физико-химические), обусловливающих коммутационный процесс. Кроме того, методом оценки качества коммутации по уровню искрения официально принят ГОСТ

2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2 п2!10)

183-74, что является одним из элементов, препятствующих построению моделей надежности КЩУ ТЭМ электроподвижного состава (ЭПС).

В работах [2, 3, 5, 6] было показано, что износ коллектора и щеток зависит от интенсивности искрения в КЩУ ТЭМ. Эксплуатационная надежность тягового электродвигателя (ТЭД) связана также и с качеством коммутации, что показано в данной работе, а также в [1, 2, 4 - 6]. Установление норм допустимого искрения в баллах ГОСТ 183-74 (визуальный способ) не гарантирует надежной работы двигателей в эксплуатации. Приборы, принцип действия которых основан на измерении напряжения импульсов искрения на сбегающем крае щеток (например, прибор контроля качества коммутации ПКК-2М), позволяют оценивать качество коммутации более точно, чем с помощью визуального способа, потому и нормирование качества коммута-ции следует производить в физических величинах, измеряемых прибором. Исходя из этого должен быть определен уровень максимального искрения, который не вызвал бы недопустимого повреждения КЩУ в течение установленного срока работы электрической машины постоянного тока (ЭМ ПТ) и обеспечивал бы заданную надежность в эксплуатации, так как тяговые электродвигатели электровозов чрезвычайно напряжены в коммутационном отношении, а условия их работы (динамические усилия, вибрация колесно-моторного блока (КМБ) в вертикальном и горизонтальном направлениях, загрязнения и т. п.) усугубляют проблему коммутационной устойчивости этих машин. При конструировании ТЭМ должны учитываться ее особенности, необходимо заранее иметь возможность оценить ее коммутационные свойства, так как интенсивность искрения связана со многими конструктивными параметрами, а также зависит от технологических отклонений размеров деталей от расчетных значений, часто определяющих ее работоспособность.

Актуальным остается вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности коллекторных электрических машин. Это основной вопрос, лежащий в основе как теории токосъема, так и экспериментальных исследований. В середине XX в. рядом исследователей был рассмотрен вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности. После того как сформировалось понятие неидентичности коммутационного процесса, критерии искрообразования приобрели еще большее значение. В полученном обширном перечне предлагаемых сегодня критериев фигурируют практически все параметры, в той или иной мере характеризующие коммутационный процесс.

Известные критерии можно разделить на четыре основные группы [3]:

- удельная мощность и энергия, связанная с дугообразованием;

- характер протекания тока в коммутирующей секции;

- повышенные значения напряжения на каком-либо участке коммутируемого контура;

- обобщенные показатели коммутационной напряженности коллекторных электрических машин.

Исследователи, связывающие интенсивность искрения в контакте с выделяющейся мощностью или энергией, практически сходятся друг с другом во взглядах на происхождение искрения, а формулы для определения искрения, предложенные В. И. Белошенко, А. Б. Иоффе, А. С. Курбасовым, В. П. Толкуновым и др., значительно отличаются. Приведенные в таблице критерии имеют много общего. Хотя бы присутствие в размерности единиц мощности и геометрических размеров щеточного аппарата.

В настоящее время нет универсального критерия коммутационной устойчивости электрических машин постоянного тока. По мнению многих исследователей, коммутационную напряженность ТЭМ достаточно полно отражает фактор искрения, предложенный Иоффе А. Б., в который вошел и критерий Е. Арнольда [8]:

Ф„ = С

г _40_

Д к

¿ЛА,,

21 • I

Щ

где С = 1 для петлевой и волновой обмоток с полным комплектом щеток; С = 2 для волновой

м;п2!120)^И ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 3

обмотки с одним комплектом щеток; Дк - диаметр коллектора, см; ¡к - некомпенсированный ток, разрываемый щетками; Ьс - индуктивность секции, Гн; «9К - окружная скорость коллектора, см/с; ^ - коллекторное деление, см; Ьщ - аксиальная длина щеток одного щеткодержателя, см.

Критерии коммутационной напряженности

Группа критериев Фамилия исследователя Условие безыскровой работы Критическое значение

Мощность (энергия), выделяющаяся в скользящем контакте Е. Арнольд L • i2 -v P(y) = 100 с *max к 2 • t • l • n к щ щ Ру< 50 Вт/см

В. С. Хвостов L • t • m A - с д 2•пш  L А' =

Обобщенный показатель коммутационной напряженности А. Б. Иоффе / \ 1,5 п \ 40 | Ф = с • P — y Д V^к у Фи = 0,7 - 1,5

А. С. Курбасов k _ er iа ^ k e 2 • t • l к щ К ~ 200 2500 ВТ' с • см

А. Л. Курочка = er 'Ukmax 'Vk , B2/cm tK

В. С. Хвостов i • e К n m k ~ l Щ kщ < 500 Вт/см

Объективной причиной искрообразования в КЩУ ТЭМ является эффект размыкания цепи короткозамкнутой секции при выходе пластин коллектора из-под щетки. Так, в соответствии с данной теорией к концу периода коммутации ток в секции обмотки якоря не успевает дойти до значения ¡а - величины тока в параллельной цепи (т. е. измениться от + 4 до - 10) и должен измениться скачком при размыкании цепи короткозамкнутой секции. Следовательно, так называемый добавочный ток короткого замыкания ¡к должен при таком выключении измениться с некоторого значения ¡к, имеющего место при разрыве секции, до нуля.

Таким образом, при выходе секции обмотки якоря из короткого замыкания она освобож-

• 2

дает в контакте «щетка - коллектор» энергию, пропорциональную величине 4 ^ Следовательно, мощность, выделяющаяся под единицей длины щетки, может быть выражена величиной, пропорциональной

т . •2 9

АР = --.

2 г • т у '

к щ

Можно предположить, что интенсивность искрения под щеткой будет определяться этой величиной АР, которую рационально назвать фактором искрения. Таким образом, возникает возможность количественной оценки качества коммутации ТЭМ путем установления экспериментальным способом зависимости между качеством коммутации в баллах ГОСТ 183-74, величиной фактора искрения и интенсивностью искрения на сбегающем крае щеток, оцениваемой по прибору ПКК-2М.

В тяговых электрических машинах с петлевой обмоткой фактор искрения может быть вычислен по формуле (2). Поэтому в общем виде принимаем мощность, выделяющуюся под единицей длины щетки

4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N2 n2íl0)

АР = С

Ь • /2-3

с к к

2 • С • Ь...

Так как принято, что для петлевой обмотки С = 1, то в последующих расчетах нормирования качества коммутации ТЭД С учитывать не будем.

Первый сомножитель в выражении (1) учитывает механические факторы искрения. При построении экспериментальной зависимости между степенью искрения и величиной фактора искрения выяснилось, что увеличение диаметра коллектора при прочих равных условиях при -водит к уменьшению интенсивности искрения в КЩУ, поскольку при этом уменьшается частота возмущающих контакт щетки механических колебаний. Второй сомножитель уравнения (1) выражает мощность, выделяемую в искровом разряде, приходящуюся на единицу длины щетки в ваттах на сантиметр [8].

В системе СИ в несколько преобразованном виде формула (1) имеет вид:

Ф.. = 0,4

[04 Ьс • /к2 Дк 2• Дк •¿к•Ь

В формуле (4) все линейные размеры выражаются в метрах. Величину, определенную по формуле (4), для перевода в значение формулы (1) следует умножить на 10 - 4 .

В уравнении (4) второй сомножитель имеет размерность плотности потока энергии (ватт на метр) и более точно отражает сущность явлений износа коллектора и щеток, так как при расстройстве коммутации не выше 2 баллов по ГОСТ 183-74 износ искрящих пластин коллектора происходит равномерно по всей ширине, т. е. не по линии, а по площади пластин. Многие исследователи отмечали, что использование этого фактора искрения на практике затруднено, так как значение нескомпенсированного тока, разрываемого щетками, трудно определимо.

Объективная оценка качества коммутации возможна при измерении физических величин, связанных с искрением щеток (интенсивность светового излучения, переменная составляющая напряжения, уровень радиопомех, напряжение импульсов искрения и т. п.). Наибольшую достоверность и информативность о причинах расстройства коммутации имеет метод Карасева -

Суворова, который основан на измерении прибором импульсов напряжения искрения на сбегающем крае щеток. С коллекторных пластин импульс напряжения искрения снимается щеткой-датчиком. Уровень искрения связан с величиной разрываемого тока, поэтому имеется возможность количественно оценить качество коммутации. Названный метод позволяет диагностировать причины расстройства коммутации; смещение щеток с геометрической нейтрали; наличие нарушения магнитной системы остова (в цепи ДП); неудовлетворительное механическое состояние коллектора (биение, перепады пластин) и др.

Таким образом, применение приборов, измеряющих среднее значение напряжения импульсов искрения (прибор контроля коммутации ПКК-2М), позволит по уровню искрения оценить коммутационную устойчивость ТЭМ с учетом ее конструктивных особенностей, по численному значению предложенного фактора искрения Фи.

Напомним физическую картину процесса коммутации с дуговым искрением, которая приведена на рисунке. Здесь ¡м - ток разрыва коммутируемой 1-й секции; т^ - длительность дугового разряда; ищ - падение напряжения в контакте от рабочего тока; ид - напряжение дуги.

Физический смысл процесса коммутации с дуговым искрением

м22120) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5

Площадь импульса напряжения при ид = const, что подтверждено многочисленными экспериментами, найдем как

д

Sи = \ Кdt = U •

0

dh

С другой стороны, из ыи =-L —— среднее напряжение дуги при Lp = const

dt

L 0 d'

U, = ~f J= L• k

Д' 'ki

Тогда ид •т№ = Lp • •

Из этого следует, что, измеряя площади импульсов напряжения при искрении, можно оценить интегральное значение тока разрыва секций /к.

Показания прибора типа ПКК-2М определяются следующим образом:

К Тс К т

Лк/нк = Т11 ии= Т1 ЬР ' ^ ^ ,

Ти 0 Ти I=1

где К1— коэффициент преобразования, уд. ед. / В; Ти - время интегрирования, или постоянная прибора, с; Ьр - индуктивность секции при разрыве, В'с/А; т - число импульсов токазавремя Ти.

т

Суммарный ток разрыва ^ ¡ы можно представить как т /КСр, где т - число импульсов ис-

г =1

крения за время интегрирования прибора Ти.

Как правило, в первую очередь начинают искрить последние (обособленные) секции паза, в которых накапливается некомпенсированная электромагнитная энергия предыдущих секций паза, тогда число импульсов искрения определяется количеством реальных пазов 2:

n • z Ki • Lp •n •z .

—а показания прибора - Лпк/нк =-—-'

60 60

В данном выражении Lp - индуктивность секции в момент ее разрыва, она зависит от типа обмотки, конструкции паза и размеров проводника и выражается через коэффициент демпфирования Kd [7], а именно: LD = Kd • Lc.

Тогда средний ток разрыва секции iKcp можно представить как

i __60_Лпк/нк

Ki-Lc  Kd  z n '

Анализируя выражение (8), можно отметить, что если условия коммутации не изменяются

Л

с регулированием частоты вращения, то отношение пк/нк = const, а первый сомножитель оп-

n

ределяется параметрами электрической машины и техническими данными прибора.

После подстановки значения тока разрыва (8) в выражение (4) и некоторых преобразований получим:

ф_ =

0,4 • 37,68

D Л2

К ^ПК/НК \yJ

L • K2 • z2 • t • L Ki • n

d к щ 1

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N;n2!l0)

Выражение (9) можно представить в виде двух сомножителей, первый из которых В характеризует конструктивные свойства самой ТЭМ, а второй - режим работы по скорости и условия коммутации:

Л2

фи = я^рк .

К1 • п

Полученная функциональная зависимость фактора искрения (9), (10) от наиболее часто реализуемых эксплуатационных режимов позволяет производить нормирование качества коммутации для различных типов тяговых электрических машин.

Список литературы

1. Карасев, М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока [Текст] / М. Ф. Ка-расев - М.: Госэнергоиздат, 1961. - 224 с.

2. Авилов, В. Д. Теоретические основы анализа условий коммутации тяговых электродвигателей и практика настройки коммутации [Текст] / В. Д. Авилов, В. П. Беляев, Ш. К. Исмаи-лов; Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 20.06.91, № 5545 - 44 с. - Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. -Омск, 1991.

3. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.

4. Дерябин, Л. И. Исследование влияния коммутационного искрения на износ коллекторов тяговых двигателей электровозов: Автореферат дис... канд. техн. наук. [Текст]. - Омск, 1971. - 23 с.

5. Исмаилов, Ш. К. Повышение ресурса изоляции электрических машин подвижного состава: Монография [Текст] / Ш. К. Исмаилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2007. - 391 с.

6. Щербаков, В. Г. Закономерности износа коллекторов и щеток тяговых двигателей электровоза [Текст] / В. Г. Щербаков // Известия вузов. Электромеханика. № 12. 1978. - С. 25 - 28.

7. Толкунов, В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. П. Толкунов - М.: Энергия, 1979. - 224 с.

8. Иоффе, А. В. Тяговые электрические машины (теория, конструкция, проектирование). [Текст] /А. В. Иоффе. - М.-Л.: Энергия, 1965. - 232 с.

УДК 629.4.014.22: 621.791.92

А. П. Буйносов, И. М. Пышный

УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА БАНДАЖЕЙ КОЛЕСНЫХ ПАР ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ С ПОМОЩЬЮ НАПЛАВКИ

В статье приведены результаты выполненных исследований по выбору технологии восстановления профиля бандажей промышленных электровозов с помощью наплавки без выкатки колесных пар. Приведена разработанная установка для наплавки гребней, показана эффективность наплавки гребней бандажей проволокой 30ХГСА под флюсом АНК-18. Наплавка изношенных гребней в 3,5 раза снижает количество обточек для восстановления профиля бандажей колесных пар электровозов.

Наиболее эффективным методом повышения долговечности бандажей, у которых износ гребня значительно опережает рост проката, является наплавка изношенных гребней колесных

I

м;п2!10) ИЗВЕСТИЯ Транссиба