Совершенствование технологии диагностирования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей магистральных электровозов
На правах рукописи
ДОЛГОВА Анна Владимировна СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОМСК 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Омский госу дарственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)».
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент ШАНТАРЕНКО Сергей Георгиевич – заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС;
доктор технических наук, доцент БУБНОВ Алексей Владимирович – профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского госу дарственного технического университета.
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сооб щения (ИрГУПС)».
Защита диссертации состоится 17 мая 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государствен ный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу:
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государствен ного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 15 апреля 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печа тью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44;
e-mail: [email protected]
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.
© Омский гос. университет путей сообщения,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Подвижной состав железных дорог России эксплуатируется в различных климатических зонах и подвержен комплексному воздействию тепловых, электрических и механических факторов. От надежно сти тягового подвижного состава и эффективности его использования зависит ритмичность и устойчивость работы железнодорожного транспорта. В настоя щее время надежность работы тягового подвижного состава обеспечивается за счет совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
Тяговые машины относятся к наиболее нагруженному оборудованию электроподвижного состава. Одним из важнейших узлов подвижного состава является тяговый электродвигатель (ТЭД). Надежность работы ТЭД определяет бесперебойность и рентабельность работы железнодорожного транспорта. Ана лиз отказов электровозов по сети магистральных железных дорог России пока зывает, что процент отказов электровозов по причине неисправностей ТЭД до стигает 15 %. Известно, что от состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ) в значительной степени зависит качество работы ТЭД подвижного состава. В процессе эксплуатации ТЭД в наибольшей степени изнашиваются элементы КЩУ. Количество отказов ТЭД по причине неисправности КЩУ по сети маги стральных железных дорог России стабильно сохраняется на уровне 10 – 15 %.
Подобное состояние электровозного парка и ТЭД обусловливается ненадлежа щим качеством текущих ремонтов, неэффективным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.
В связи с этим актуальной остается задача оценки технического состояния и повышения эффективности диагностирования деталей и узлов ТЭД электрово зов в условиях локомотивного депо посредством применения современных средств диагностирования.
Диссертационная работа выполнена в соответствии со «Стратегическими направлениями научно-технического развития ОАО «Российские железные до роги» на период до 2015 г.» («Белой книгой» ОАО «РЖД»), утвержденными президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 г., госбюджетной научно исследовательской работой Омского государственного университета путей со общения «Совершенствование технологической готовности технического об служивания и ремонта железнодорожного подвижного состава» (номер госу дарственной регистрации – 01201151856).
Целью диссертационной работы является совершенствование техноло гии диагностирования коллекторно-щеточного узла для обеспечения работо способности тяговых электродвигателей магистральных электровозов в эксплу атации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) выполнить количественный и качественный анализ влияния состояния рабочей поверхности коллектора на работоспособность тягового электродвига теля и предложить диагностические параметры для оценки его технического состояния;
2) разработать методику оценки износа рабочей поверхности коллектора тяговых электродвигателей магистральных электровозов;
3) сформировать регрессионную модель для прогнозирования техниче ского состояния коллекторно-щеточного узла в зависимости от эксплуатацион ных режимов и послеремонтных технологических параметров тягового элек тродвигателя;
4) предложить методику диагностирования коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя с применением метода тепловизионного контроля;
5) усовершенствовать технологический процесс ремонта тяговых элек тродвигателей магистральных электровозов.
Методы исследования. Поставленные задачи решались, основываясь на положениях теории электрических машин, теорий подобия и размерности, пла нирования эксперимента, с применением методов физического моделирования, регрессионного анализа. В процессе расчетов и анализа математических зави симостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 14.0, электронные таблицы Microsoft Excel 2010 и встроенный в них язык програм мирования Visual Basic for Applications. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в среде Borland C++ Builder. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках и реаль ных электрических машинах.
Научная новизна настоящей диссертационной работы заключается в следующем:
1) предложены диагностические параметры для оценки технического со стояния коллектора тяговых электродвигателей магистральных электровозов, удовлетворяющие требованиям доступности измерения и достоверности ре зультатов;
2) разработана методика оценки износа коллекторов тяговых электродви гателей с использованием предложенных диагностических параметров;
3) сформированы критерии подобия для оценки износа рабочей поверхно сти коллектора тяговых электродвигателей на основе теории подобия и размер ностей, учитывающие параметры модельных и натурных машин;
4) получена регрессионная модель для прогнозирования износа рабочей поверхности коллектора, учитывающая послеремонтные технологические па раметры, эксплуатационные режимы тягового электродвигателя и сформиро ванные критерии подобия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) методика оценки износа коллектора тяговых электродвигателей с уче том предложенных диагностических параметров для оценки его технического состояния;
2) регрессионная модель для оценки износа рабочей поверхности коллек тора тягового электродвигателя, учитывающая послеремонтные технологиче ские параметры и сформированные критерии подобия;
3) алгоритм диагностирования технического состояния коллекторно щеточного узла, позволяющий усовершенствовать технологический процесс ремонта для обеспечения работоспособности тяговых электродвигателей маги стральных электровозов в эксплуатации.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами эксперимен тальных исследований. Расхождение результатов теоретических исследований износа коллектора с экспериментальными данными не превышает 8 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
1) разработанная методика оценки износа коллектора позволяет коррек тировать технологический процесс ремонта тягового электродвигателя в зави симости от фактического технического состояния коллекторно-щеточного узла;
2) сформированная регрессионная модель и предложенный алгоритм оценки износа коллектора позволяют прогнозировать величину износа коллек тора и ресурс тягового электродвигателя в зависимости от режимов эксплуата ции и послеремонтных технологических параметров;
3) разработанный алгоритм диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла позволяет усовершенствовать технологический процесс ремонта для обеспечения работоспособности тяговых электродвигате лей магистральных электровозов в эксплуатации;
4) предложенный диагностический параметр – температурный градиент по направлению «щеткодержатель – щетка – коллектор» позволяет выявлять неисправности в коллекторно-щеточном узле тягового электродвигателя.
Реализация результатов работы. Основные положения диссертацион ной работы приняты к использованию в технологическом процессе текущего ремонта ТР-3 электровозов ВЛ-10 в ремонтном локомотивном депо Тайга За падно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.
Личный вклад соискателя. Предложены диагностические параметры для оценки технического состояния рабочей поверхности коллектора тягового электродвигателя магистральных электровозов;
разработана методика оценки износа коллектора тягового электродвигателя, учитывающая предложенные ди агностические параметры;
сформированы критерии подобия для оценки износа рабочей поверхности коллекторов с использованием физических моделей;
со ставлен алгоритм и получены регрессионные модели для прогнозирования из носа коллектора;
усовершенствован технологический процесс ремонта тягового электродвигателя магистрального электровоза. Основные положения и резуль таты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и об суждались на XVI международной научно-практической конференции студен тов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2010);
на научно-практической конференции с международным участи ем «Инновации для транспорта» (Омск, 2010);
на научно-практических конфе ренциях «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, про мышленности и на транспорте» (Омск, 2011 – 2012);
на всероссийской научно практической конференции «Транспорт-2012» (Ростов-на-Дону, 2012);
на все российской научно-практической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффектив ности тяги поездов» (Омск, 2012);
на международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного универси тета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на совре менном этапе» (Новосибирск, 2012).
Публикации. Основное содержание работы
опубликовано в 12 печатных работах, из которых три – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 115 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 212 страниц, включая 38 таблиц и 111 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении описывается состояние проблемы, обосновывается актуаль ность проводимых исследований, сформулированы научная новизна и практи ческая ценность работы.
В первом разделе проведен анализ технического состояния магистраль ных электровозов сети железных дорог России, отказов ТЭД и факторов, обу словливающих износ КЩУ. Проведен анализ известных методов контроля профиля коллектора и диагностических параметров для оценки его техническо го состояния.
Исследованию надежности работы тягового подвижного состава маги стральных железных дорог в условиях эксплуатации, системам технического обслуживания и ремонта уделялось значительное внимание такими учеными, как В. Д. Авилов, Ю. А. Бахвалов, В. И. Бервинов, И. И. Галиев, А. И. Володин, З. Г. Гиоев, В. А. Четвергов, Р. Ф. Бекишев, В. Г. Щербаков, А. Д. Глущенко, М. П. Пахомов, И. П. Исаев, В. А. Камаев, В. И. Киселев, В. А. Кучумов, А. Л. Лисицын, В. Н. Лисунов, В. Б. Медель, А. П. Павленко, Е. С. Павлович, А. В. Плакс, В. В. Привалов, С. И. Качин, А. Н. Савоськин, В. П. Феоктистов и др.
Анализ статистических данных по отказам узлов магистральных электро возов и ТЭД показал, что значительное число отказов ТЭД обусловлено неудо влетворительным состоянием рабочей поверхности коллектора, полученной при ремонте. На основе анализа современного состояния вопроса сформулиро ваны цель и задачи настоящего исследования.
Во втором разделе выполнен количественный и качественный анализ влияния состояния рабочей поверхности коллектора на работоспособность ТЭД магистральных электровозов. По результатам исследований, проведенных на базе локомотивного депо с помощью прибора контроля профиля коллектора электрических машин ПКП-4М, разработанного на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа, получены профилограммы 75 коллекторов ТЭД на различных этапах ремонта. Из полученных профило грамм сформированы выборки для следующих групп двигателей: до ремонта, после ремонта, после проведения приемо-сдаточных испытаний. Наиболее ха рактерные профилограммы тяговых двигателей приведены на рис. 1 – 3.
Математическая обработка экспериментальных данных выполнена с по мощью разработанного пакета программного обеспечения Profilometr. Рассчи таны известные диагностические параметры и значения средних квадратиче ских отклонений (СКО) относительных высот ламелей коллектора, перепадов, их СКО. Осуществлено разложение периодической функции профиля коллек тора h(x), заданной рядом значений hj, по тригонометрическим функциям и по строено распределение относительных высот ламелей, что позволило оценить состояние профиля коллектора.
Отклонение профиля коллектора от идеальной цилиндрической формы в значительной степени зависит от состояния оборудования, используемого для формовки коллектора на заводе и его ремонта. Некачественная сборка ТЭД также приводит к появлению эксцентриситета коллектора.
При значительных по амплитуде первой и второй гармонических состав ляющих (рис. 4 – 6) распределение относительных высот ламелей не может быть описано нормальным законом.
50 мкм мкм 40 30 Амплитуда, мкм Амплитуда, мкм 20 10 0 h - h - -20 - -30 - -40 - 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Ламель - х х Ламель Рис. 2. Профилограмма коллектора Рис. 1. Профилограмма коллектора ТЭД ТЭД после ремонта до ремонта мкм Амплитуда, мкм h - - - - 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 хЛамель Рис. 3. Профилограмма коллектора ТЭД после приемо-сдаточных испытаний Установлена степень соответствия между гипотезой о нормальном рас пределении относительных высот ламелей и статистическими данными с по мощью критерия согласия 2 Пирсона.
30 мкм мкм 15 A A 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 Рис. 5. Значения амплитуды 1-й – 5-й гар Рис. 4. Значения амплитуды моник коллектора ТЭД после ремонта 1-й – 5-й гармоник коллектора ТЭД до ремонта мкм A 1 2 3 4 Рис. 6. Значения амплитуды 1-й – 5-й гармоник коллектора ТЭД после приемо-сдаточных испытаний Установлено, что распределение относительных высот коллекторных пластин без учета первой и второй гармонических составляющих (рис. 7) близ ко к нормальному (значение 2 = 8,9 меньше критического).
0, 0, 0, 0, p 0, 0, 0, -19,87-17,61-15,34-13,08-10,81 -8,55 -6,29 -4,02 -1,76 0,50 2,77 5,03 мкм 8, 7, h Рис. 7. Гистограмма распределения высот коллекторных пластин ТЭД после приемо-сдаточных испытаний без учета первой и второй гармоник По результатам количественного и качественного анализа влияния состо яния рабочей поверхности коллектора на работоспособность ТЭД ТЛ-2К1 ма гистральных электровозов предложены диагностические параметры для ком плексной оценки состояния профиля коллектора. Качество механической обра ботки и сборки следует оценивать по изменению значений амплитуды 1-й – 5-й гармонических составляющих периодической функции профиля кол лектора на всех стадиях ремонта;
качество формовки коллектора – по виду и параметрам закона распределения относительных высот ламелей (математиче скому ожиданию и СКО относительных высот ламелей коллектора) до и после проведения приемо-сдаточных испытаний ТЭД без учета первой и второй гар монических составляющих.
В третьем разделе приведены результаты разработки методики оценки износа рабочей поверхности коллектора ТЭД магистральных электровозов.
В результате анализа существующих методов определения износа приме нительно к коллекторам электродвигателей выбраны методы микрометриче ских измерений и шаблонный.
Исследования изнашивания коллектора ТЭД проведены на модельной машине постоянного тока П31М с номинальной частотой вращения якоря 3000 мин –1, что позволяет широко варьировать частоту вращения при экспери ментальных исследованиях.
Для определения электромеханического износа коллектора получены его профилограммы в четырех точках: три следа щеток и базовый (неизнаши ваемый) след. Для оценки электромеханического износа из расчета исключены первая и вторая гармонические составляющие, учитывающие эксцентриситет и овальность коллектора. Профилограммы базового следа на различных этапах экспериментальных исследований приведены на рис. 8.
мкм - h - - - - - - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 х Рис. 8. Профилограмма базового следа коллектора в холодном состоянии без учета первой и второй гармонических составляющих: 1 – до испытаний;
2, 3 – после 400 и 670 мин испытаний Определены значения относительных высот ламелей коллектора базового следа в исходном состоянии как множество Ax0, значения выбранного для оцен ки износа следа Bx0;
значения относительных высот ламелей коллектора базово го следа после проведения испытаний как множество Axm, значения выбранного для оценки износа следа Bxm.
Для множеств Ax0 и Bx0, Axm и Bxm найдены соответствующие разности, обозначенные как множества Сx0 и Сxm:
Сx 0 Bx 0 \ Ax 0, (1) Сxm Bxm \ Axm.
Для полученных множеств Сx0 и Сxm также определено абсолютное значе ние износа xm как разность:
xm Сxm \ Сx0. (2) Ввиду того, что электроэрозионному износу в наибольшей степени под вергаются пластины коллектора, соединенные с последними секциями в пазу, целесообразно выделить эти пластины из общего множества. В модельной ма шине П31М такому износу подвергается каждая четвертая ламель, следова тельно, электромеханический износ при наличии электродугового искрения 1 (n 1) d E xk k1 (3) E, xk n x где n 2, 3,..., – число ламелей, соответствующее последним секциям в пазу;
d d – шаг ламелей, подключенных к последним секциям в пазу;
x – число ламе лей коллектора;
Exk – значение электромеханического износа k-й ламели при наличии электродугового искрения.
В свою очередь электромеханический износ без учета электродугового искрения t M xi i1 (4) M, x ( x n) xn x где t [1,...,72];
t 4 j;
j [1,..., ] ;
Mxi – значение электромеханического износа d i-й ламели.
Алгоритм определения электромеханического износа коллектора приве ден на рис. 9.
Начало i= Ввод ax0, axm, bx0, Нет bxm, cx0, cxm, x, xm, ix i, E, M, d, n Да Нет Да i mod d = E= M = M + xmi E = E + xmi M= n=n+ i= Нет ix i = i + Да cx0i = bx0i – ax0i E E n cxmi = bxmi – axmi M M xn xmi = cxmi – cx0i Вывод E, M xmi = abs(xmi) Конец i=i+ Рис. 9. Алгоритм определения износа коллектора В предложенной методике оценки износа коллектора особое внимание уделено оценке электромеханического износа при наличии электродугового ис крения. С применением микрометрического и визуально-оптического методов определения износа получены фигуры изменения интенсивности электромеха нического износа коллекторных пластин при наличии электродугового искре ния (рис. 10). Кривые, ограничивающие полученные фигуры, аппроксимирова ны кубическим сплайном (рис. 11).
мм vy interp ( vs vx vy x) Y 1 0 мм 0 20 40 0 5 vx x X Рис. 11. Аппроксимация кривой изменения Рис. 10. Коллектор машины интенсивности электромеханического износа постоянного тока П31М коллекторной пластины при наличии после 670 мин испытаний электродугового искрения по следу щетки По результатам математической обработки экспериментальных данных рассчитана площадь фигур изменения интенсивности электромеханического износа при наличии электродугового искрения (табл. 1).
Таблица Результаты вычисления площади фигур изменения интенсивности электромеханического износа при наличии электродугового искрения След Площадь электроэрозионного износа Площадь зоны Отношение при наличии электродугового искрения, мм2 контакта, мм щетки площадей, % След 1 14,03 34,93 След 2 13,89 34,0 След 3 18,52 37,77 Результаты оценки электромеханического износа коллектора по предло женному алгоритму, реализованному в программном продукте Wear 1.0, приве дены на рис. 12.
мкм x 0 2 4 6 810 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 х Рис. 12. Диаграмма электромеханического износа (2) и электромеханического износа при наличии электродугового искрения (1) В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных иссле дований изнашивания коллектора ТЭД магистральных электровозов с исполь зованием модельной машины постоянного тока П31М и выполнена математи ческая обработка результатов экспериментальных исследований.
С использованием методов теории подобия и размерностей сформирова ны критерии подобия для оценки износа рабочей поверхности коллектора ТЭД.
На основе уравнения износа Р. Хольма выделены основные параметры, оказывающие влияние на износ коллектора ТЭД.
Применительно к ТЭД ТЛ-2К1 и модельной машине постоянного то ка П31М критерии подобия для механического м и электромеханического из носа при наличии электродугового искрения h принимают следующий вид:
м pщ n 2 D1 HB 1 idem;
(5) h1 iа iп 1 (6) idem;
1 h2 iп 1 La (7) pщ jщ idem;
лин h3 jщ iп 1 Sщ (8) idem, где pщ – удельное давление на щетку;
n – частота вращения якоря;
D – диаметр коллектора;
HB – твердость поверхности коллектора;
ia – ток якоря;
iп – ток подпитки;
лин – линейная скорость точки на коллекторе;
jщ – плотность тока в щетках;
La – индуктивность обмотки якоря;
Sщ – площадь щеток.
В результате расчетов для модельной машины определены значения удельного давления на щетку pщ.м = 0,245 кг/см2, суммарной площади щеток Sщ.м = 372,65 мм2, а также тока якоря iам = 32,9 А при прочих номинальных зна чениях выбранных параметров.
Для исследования изнашивания коллекто ра на базе лаборатории ОмГУПСа создана экс периментальная установка, параметры которой определены по результатам расчетов с примене нием теории подобия. Данная установка (рис. 13) состоит из двух машин постоянного то ка П31М, включенных по схеме взаимной нагрузки.
Для оценки износа коллектора по схеме ротатабельного центрального композиционного планирования в лабораторных условиях постав Рис. 13. Внешний вид экспериментального стенда лен эксперимент (табл. 2).
В качестве отклика системы приняты величина электромеханического из носа h и площадь электромеханического износа ламели коллектора Sh при наличии электродугового искрения.
Для анализа полученных профилограмм использован специально разра ботанный программный продукт ProfilShift. По результатам математической обработки данных, полученных в ходе исследования, рассчитаны коэффициен ты регрессионных моделей, для которых определены доверительные интервалы.
Таблица Уровни и интервалы варьирования факторов Натуральные значения уровней факторов, Кодовое соответствующие кодированным Параметр обозначение –1 –2, +2,378 +1 Ток якоря ia, А х1 32,9 25,42 20 14,58 7, Площадь щетки Sщ, мм2 х2 395 310 248 186 Уровень искрения А, баллы х3 2 1 1 1 Частота вращения n, об/мин х4 3013 2600 2300 2000 Давление на щетку pщ, кг/см2 х5 0,280 0,260 0,245 0,230 0, Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии выполнена с помощью t-критерия Стьюдента.
По результатам оценки значимости коэффициентов сформированы урав нения регрессии электромеханического износа коллектора (9) и площади элек тромеханического износа ламели коллектора при наличии электродугового ис крения (10) в кодированных значениях.
С помощью критерия согласия 2 Пирсона определена степень соответ ствия распределения экспериментальных значений износа коллектора нормаль ному закону распределения. Адекватность полученной регрессионной модели оценена при помощи F-критерия Фишера (Fр = 0,63;
Fт = 2,83;
Fр Fт):
2,82 0,0672 x1 0,0673x2 0,0656 x3 0,0423x4 0,0414 x5 0,032 x h (9) 2 2 2 0,034 x2 0,034 x3 0,033x4 0,044 x5 ;
2 (10) Sh 9,67 1,2 x1 1,48x2 2,35x3 1,49x4 1,21x5 1,05x1 1,04x3.
На основе перехода от кодированных значений факторов к натуральным получены регрессионные модели электромеханического износа коллектора мо дельной машины П31М при наличии электродугового искрения (рис. 14, 15), позволяющие с учетом ранее приведенных критериев подобия оценивать вели чину износа коллектора ТЭД ТЛ-2К1:
15,31 0,002I a 3 10 4 Sщ 0,97 A 0,005n 45,55 pщ 4,72 10 6 I a h (11) 82 2 62 5,8 10 Sщ 0,32 A 4,81 10 n 51,84 pщ ;
0,002Sщ 33,47 A 0,18n 43,58 pщ 1,66 10 4 I a 11,26 A2. (12) Sh 9,67 0,08I a Для оценки адекватности полученных результатов исследований прове дена серия экспериментов, в ходе которых регистрировались профилограммы базовой поверхности коллектора в различные моменты времени и при разной частоте вращения.
мкм мм Sh h мин- A мин- n A n Рис. 14. Зависимость электромехани- Рис. 15. Зависимость площади электро ческого износа от интенсивности механического износа от интенсивности искрения и частоты вращения якоря искрения и частоты вращения якоря Адекватность полученных результатов оценивалась при помощи t критерия Стьюдента и F-критерия Фишера (Fр = 1,01;
Fт = 1,74;
Fр Fт).
В пятом разделе приведены результаты термографических исследований состояния КЩУ модельной машины П31М и тягового электродвигателя ТЛ 2К1. Термографами «Иртис» и «Flir» регистрировались термограммы в различ ных точках КЩУ. По полученным данным строились кривые нагрева и охла ждения, которые аппроксимировались логарифмическими функциями (рис. 16).
Анализ полученных термограмм показал, что расхождение значений °C температуры по следам щеток в ис правном КЩУ как для ТЭД ТЛ-2К1, так и для модельной машины П31М не T превышает 3°С в интервале времени до 600 с. На основании анализа ре зультатов термографических исследо ваний можно утверждать, что различие с t Рис. 16. Кривые нагрева щеток маши- значений температуры в неисправном ны П31М с предварительно внесенны- и исправном коллекторно-щеточных ми неисправностями: 1 – уменьшено контактах в соответствующих точках нажатие на щетку;
2 – исправный ще- достигает 23°С и проявляется во вре точный контакт;
3 – щетка не притерта менном интервале до 600 с для ТЭД ТЛ-2К1 и модельной машины П31М.
По результатам исследований для оценки состояния КЩУ предложено использовать температурный градиент по направлению «щеткодержатель – щетка – коллектор» в течение периода активного изменения температуры в ра ботающем коллекторно-щеточном узле.
В шестом разделе приведены результаты усовершенствования техноло гического процесса ремонта ТЭД. Исходными данными при анализе существу ющего технологического процесса являлись действующие технологические кар ты ремонта ТЭД. Для оценки технического состояния ТЭД составлен алгоритм его диагностирования (рис. 17). После демонтажа ТЭД (рис. 18) из-под электро воза с помощью аппаратно-программного комплекса Profilometr следует реги стрировать профиль коллектора до деповского ремонта. По величине математи ческого ожидания и СКО относительных высот ламелей коллектора, а также по значениям амплитуды 1-й – 5-й гармонических составляющих профиля коллек тора следует сделать вывод о степени отклонения профиля коллектора от иде альной цилиндрической формы и о необходимости механической обработки коллектора.
При удовлетворительном состоянии поверхности коллектора необходимо оценить площадь фигур изменения интенсивности электромеханического изно са ламелей коллектора по отношению к площади контакта ламели и щетки.
Демонтаж ТЭД Установка ТЭД на стенд испытаний;
проведение Повышенное Механическая приемо-сдаточных Регистрация искрение под обработка испытаний профиля щетками коллектора;
Испытания ТЭД Регистрация определение h на нагревание;
регистрация профиля коллектора Разборка термограмм;
проверка интенсивности искрения ;
A1...A5 Настройка магнитной Нет Нет Да ;
h;
A1...A5;
2|=3...n соответствуют системы соответствуют норме норме grad соответствует Проверка состояния Нет Да норме Нет оборудования Sh соответствует норме Оценка качества Да механической обработки и состояния оборудования Регистрация «горячего» Да профиля коллектора Неудовлетвори Сборка тельное качество Неудовлетво- формовки Нет ;
h;
A1...A5;
2|=3...n;
A рительное соответствуют норме качество сборки ;
A1...A Нет Да соответствуют Да Возможна дальнейшая норме Да Разборка эксплуатация Оценка качества ремонта Нет Проведение заводского ремонта Монтаж ТЭД Рис. 17. Алгоритм диагностирования ТЭД При проведении механической обработки осуществляется регистрация профиля коллектора ТЭД. По изменению значений амплитуды 1-й – 5-й гармо нических составляющих профиля коллектора формируется заключение о каче стве его механической обработки.
По величине СКО относительных Регистрация профиля коллектора Продорожка пластин коллектора высот ламелей коллектора и степени соот Разработка ТЭД ветствия закона распределения относи Динамическая балансировка якоря Замеры якоря тельных высот коллекторных пластин нор мальному формируется заключение о сте Осмотр и проверка якоря. Замеры якоря Оценка площади электромеханического пени отклонения профиля коллектора от износа Сборка ТЭД идеальной цилиндрической формы. При Пропитка якоря Испытания ТЭД неудовлетворительной механической обра Обточка и контроль профиля коллектора ботке выявляются причины ненадлежащего Рис. 18. Предлагаемый маршрут качества работ и формируется комплекс ремонта якоря мероприятий по их устранению.
Удовлетворительное состояние рабочей поверхности коллектора ТЭД позволяет исключить операцию его механической обработки.
Проведение сборочных операций (рис. 19) целесообразно завершать реги страцией профиля коллектора тягового двигателя. По изменению значений ам плитуды 1-й – 5-й гармонических составляющих функции профиля коллектора после сборочных операций оценивается качество сборки электродвигателя.
Подготовка остова к сборке Установка ТЭД Проверка частоты вращения и на испытательной станции реверсирования Подбор деталей для сборки Регистрация профиля двигателя коллектора в горячем Проверка установки щеток состоянии на геометрическую нейтраль Запрессовка подшипникового щита Испытания на повышенную Испытания ТЭД на нагревание частоту вращения Осмотр якоря Регистрация термограмм КЩУ;
проверка интенсивности искрения Испытание электрической Установка щеток прочности изоляции обмоток Определение превышения ТЭД относительно корпуса и температуры обмоток между обмотками над температурой Контрольные замеры ТЭД охлаждающей среды.
Регистрация профиля коллектора Рис. 19. Предлагаемый маршрут Рис. 20. Предлагаемый маршрут сборки ТЭД приемо-сдаточных испытаний ТЭД В процессе испытания ТЭД на нагревание (рис. 20) предложено реги стрировать термограммы деталей коллекторно-щеточного узла в период актив ного изменения температуры в работающем КЩУ и контролировать интенсив ность искрения. По температурному градиенту в направлении «щеткодержа тель – щетка – коллектор» предложено оценивать техническое состояние КЩУ.
При удовлетворительном состоянии КЩУ регистрируется профиль кол лектора в горячем состоянии. По изменению СКО относительных высот кол лекторных пластин без учета первой и второй гармонических составляющих функции профиля коллектора, а также по изменению степени соответствия за кона распределения относительных высот коллекторных пластин нормальному закону предложено судить о качестве формовки коллектора на заводе изготовителе. На заключительном этапе ремонта предложено комплексно оце нивать качество механической обработки коллектора, обеспечение режимов ре зания и состояние металлообрабатывающего оборудования в депо, качество сборки тягового двигателя, качество формовки коллектора на заводе изготовителе.
Внедрение усовершенствованного технологического процесса ремонта ТЭД позволяет повысить достоверность и объективность диагностирования со стояния рабочей поверхности коллектора электродвигателя в условиях локомо тивного депо. Это приведет к повышению работоспособности ТЭД магистраль ных электровозов в эксплуатации: снижению количества отказов, уменьшению числа неплановых ремонтов и увеличению срока службы. Ожидаемый эконо мический эффект от внедрения предложенных решений должен составить 5 тыс. р. из расчета на один электровоз;
срок окупаемости внедрения усовер шенствованного технологического процесса должен составить менее одного года на программу ремонта 100 локомотивов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнен количественный и качественный анализ влияния состояния рабочей поверхности коллектора на работоспособность тяговых электродвига телей магистральных электровозов и предложены диагностические параметры для оценки технического состояния коллекторов, удовлетворяющие требовани ям доступности измерения и достоверности результатов. Качество механиче ской обработки и сборки коллектора следует оценивать по изменению значений амплитуды 1-й – 5-й гармонических составляющих периодической функции профиля коллектора на всех стадиях ремонта;
качество формовки – по виду и параметрам закона распределения относительных высот ламелей (математиче скому ожиданию и СКО) без учета первой и второй гармонических составляю щих до и после проведения приемо-сдаточных испытаний тягового двигателя.
2. Разработана методика оценки износа рабочей поверхности коллектора тягового электродвигателя с использованием предложенных диагностических параметров, позволяющая корректировать технологический процесс ремонта тягового электродвигателя в зависимости от фактического технического состо яния коллекторно-щеточного узла.
3. Сформированы критерии подобия для оценки износа рабочей поверх ности коллектора тягового двигателя, позволяющие рассчитывать параметры для физического моделирования с возможностью распространения результатов исследований на тяговый электродвигатель.
4. Получены регрессионные модели и составлен алгоритм, позволяющие прогнозировать износ коллектора в зависимости от эксплуатационных режимов и послеремонтных технологических параметров тягового электродвигателя.
5. Предложена методика диагностирования коллекторно-щеточного узла с использованием температурного градиента в направлении «щеткодержатель – щетка – коллектор» в период активного изменения температуры в работающем коллекторно-щеточном узле тягового электродвигателя.
6. Составлен алгоритм диагностирования коллектора ТЭД и усовер шенствован технологический процесс ремонта тягового электродвигателя ТЛ-2К1, позволяющие повысить объективность оценки технического состояния ТЭД, и обеспечить его работоспособность в эксплуатации.
7. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенного тех нологического процесса ремонта ТЭД должен составить около 5 тыс. р. из рас чета на один электровоз;
срок окупаемости внедрения усовершенствованного технологического процесса должен составить менее одного года на программу ремонта 100 локомотивов.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Определение диагностических параметров для оценки состояния про филя коллектора тягового электродвигателя / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и др. // Омский научный вестник. Сер. «Приборы, машины и техноло гии». – 2011. – Вып. 1(97). – С. 121.
2. Х а р л а м о в В. В. Применение теории подобия при моделировании из носа коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя / В. В. Х а р л а м о в, П. К. Ш к о д у н, А. В. Д о л г о в а // Известия Транссиба. – 2011. – Вып. 4(8). – С. 57.
3. Д о л г о в а А. В. Совершенствование метода оценки износа коллектора тягового электродвигателя / А. В. Д о л г о в а // Омский научный вестник. Сер.
«Приборы, машины и технологии». – 2012. – Вып. 3(113). – С. 227.
4. Д о л г о в а А. В. К вопросу о совершенствовании технологии ремонта тяговых электродвигателей локомотивов / А. В. Д о л г о в а, П. К. Ш к о д у н // Молодой ученый. – 2010. – Вып. 1-2 (13). Т. I. – С. 51.
5. А х у н о в Д. А. Оценка состояния профиля коллектора тяговых элек тродвигателей / Д. А. А х у н о в, А. В. Д о л г о в а // Современные техника и тех нологии: Сб. тр. XVI междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и мо лодых ученых / Томский политехн. ун-т. – Томск, 2010. – С. 418 – 420.
6. Комплексная оценка состояния профиля коллектора тягового электро двигателя / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и др. // Трансвуз-2010. Иннова ции для транспорта: Сб. науч. ст. с междунар. участием / Омский гос. ун-т пу тей сообщения. – Омск, 2010. – Ч. 2. – С. 27 – 32.
7. Совершенствование технологии диагностирования тяговых электро двигателей после проведения ремонта в условиях локомотивного депо / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и др. // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2011. – С. 23 – 31.
8. Х а р л а м о в В. В. Использование математического аппарата теории подобия для оценки износа элементов коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя / В. В. Х а р л а м о в, П. К. Ш к о д у н, А. В. Д о л г о в а // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2012» / Ростовский. гос. ун-т путей со общения. – Ростов-на-Дону, 2012. – Ч. 1. – С. 426 – 428.
9. Обоснование выбора метода определения износа коллектора тяговых электродвигателей / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и др. // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте:
Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2012. – С. 90 – 97.
10. Х а р л а м о в В. В. Алгоритм оценки износа коллектора тягового элек тродвигателя / В. В. Х а р л а м о в, П. К. Ш к о д у н, А. В. Д о л г о в а // Иннова ционные факторы развития Транссиба на современном этапе: Материалы науч. практ. конф. / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. – Новосибирск, 2012. – С. 378 – 380.
11. Оценка механической составляющей износа коллектора тяговых элек трических двигателей / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и д р. / / Эксплуа тационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сооб щения. – Омск, 2012. – С. 133 – 138.
12. Совершенствование метода оценки механической и электроэрозион ной составляющих износа коллектора тяговых электродвигателей / В. В. Х а р л а м о в, А. В. Д о л г о в а и др. / / Молодой ученый. – 2010. – Вып. 12 (47). Т. I.
– С. 107.
Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 120 экз. Заказ.