Содержание к диссертации
Введение
1. Аспекты работы коллекторно-щеточного узла тяговых электро двигателей электрического подвижного состава. Задачи исследования 8
1.1. Анализ отказов тяговых электродвигателей 9
1.2. Электромеханические факторы, влияющие на работу коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей 18
1.3. Внешние эксплуатационные факторы, воздействующие на коммутационную устойчивость коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя 26
1.4.3адачи исследования 39
2. Методы и средства диагностирования и технология ремонта коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей 40
2.1. Методы и способы диагностирования состояния рабочей поверхности коллекторов ТЭД 40
2.1.1. Классификация датчиков (первичных преобразователей) 40
2.1.2. Емкостный метод измерения тел вращения 41
2.1.3. Оптический метод измерения вращающихся поверхностей 43
2.1.4. Радиолокационный метод измерения вращающихся поверхностей 44
2.1.5. Электростатический метод измерения тел вращения 44
2.1.6. Вихретоковый метод измерения тел вращения 44
2.2. Устройства для технического диагностирования коллектора 48
2.2.1. Анализ профилограмм рабочей поверхности коллекторов 56
2.3. Методы контроля коммутации тяговых электродвигателей 64
2.3.1. Анализ состояния качества коммутации ТЭД 64
2.3.2. Классификация методов контроля качества коммутации 66
2.3.3. Прибор контроля коммутации ПКК-2М с потенциальной щеткой-датчиком 70
2.3.4. Прибор контроля коммутации ПКК-5 72
2.4. Методы упрочнения коллекторов тяговых электродвигателей 73
2.5. Выводы 81
3. Влияние использования предлагаемого комплекса диагностирования и послеремонтного контроля на качество коммутации тяговых электродвигателей 82
3.1.Методика и технология оценки состояния профиля коллекторов ТЭД в процессе деповского ремонта 82
3.2. Количественная и качественная оценка состояния рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей с применением диагностического комплекса 83
3.3. Анализ результатов статистических данных механического состояния профиля коллектора и его влияние на качество коммутации ТЭД 86
3.4. Выводы 95
4. Влияние упрочнения рабочей, поверхности коллекторов на качество коммутации и среднюю наработку ТЭД до отказа 96
4.1. Влияние шероховатости поверхности коллектора на качество коммутации тяговых электродвигателей 96
4.2. Влияние поверхностной пластической обработки коллектора.на качество коммутации тягового электродвигателя 100
4.3. Влияние качества работы коллекторно-щеточного узла на частоту возникновения круговых огней и отказы тяговых электродвигателей 103
4.3.1. Техническое состояние коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей 103
4.3.2. Влияние интенсивности искрения коллекторно-щеточного узла на частоту возникновения круговых огней 105
4.4. Оценка влияния качества обработки рабочей поверхности коллекторов на качество коммутации ТЭД с помощью однофакторного дисперсионного анализа 113
4.5. Выводы 118
5. Пути повышения надежности коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей 119
5.1. Динамическое воздействие пути на потенциальную устойчивость и качество коммутации ТЭД 119
5.1.1. Статистические исследования- влияния длины стыковых промежутков рельсовых нитей на величину динамического удара при различных скоростях движения 120
5.1.2. Математическая модель зависимости динамического воздействия пути на КМБ от величины стыкай скорости движения электровоза 128
5.2. Методика и технология ремонта магнитной системы тяговых электродвигателей с введением системы массового обслуживания 129
5.3. Качество сборки магнитной системы тяговых электродвигателей 135
5.4. Практическое применение комплексной методики по наладке коммутации тяговых электродвигателей 139
5.5. Выводы 144
6. Расчет экономической эффективности от внедрения комплекса мероприятий, направленных на повышение коммутационной устойчивости тяговых электродвигателей 145
6.1 Показатели оценки экономической эффективности 146
6.2 Расчет экономического эффекта 147
Заключение 150
Список использованных источников 152
Приложение 167
- Электромеханические факторы, влияющие на работу коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей
- Устройства для технического диагностирования коллектора
- Количественная и качественная оценка состояния рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей с применением диагностического комплекса
- Влияние поверхностной пластической обработки коллектора.на качество коммутации тягового электродвигателя
Введение к работе
Актуальность исследования. Согласно «Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 г.» одним из главных целевых ориентиров является приведение качества и безопасности перевозочного процесса всех видов транспорта, в том числе и железнодорожного, в соответствие с современными требованиями экономики. Решение указанной задачи невозможно без использования научно обоснованной системы диагностирования и ремонта электроподвижного состава (ЭПC), улучшения показателей надежности агрегатов и узлов эксплуатируемого парка и перехода от системы ремонта ЭПC по пробегу к системе его ремонта по техническому состоянию.
Основными видами повреждений тяговых электродвигателей (ТЭД), таких, например, как ТЛ-2К1, являются пробой изоляции и межвитковое замыкание (МВЗ) обмоток якоря – 28 %, круговой огонь с явно выраженным повреждением коллекторно-щеточного узла (КЩУ) – 16 %, пробой изоляции и МВЗ обмоток главных и дополнительных полюсов (ГП и ДП) и компенсационной обмотки (КО) – 9 %, повреждение якорных подшипников – 8 %, низкое сопротивление изоляции якорных и полюсных обмоток – 5 %.
Результаты исследования данной работы – повышение эксплуатационного ресурса ТЭД, коммутационной устойчивости, безотказности работы КЩУ, увеличение времени пробега до отказа за счет совершенствования существующей системы ремонта с применением новых технических средств и технологий для повышения жизненного цикла ТЭД – весьма актуальны.
Цель диссертационной работы – повышение ресурса КЩУ ТЭД путем совершенствования методов и технологий диагностирования и послеремонтного контроля за счет внедрения в этот процесс новых технических и технологических решений.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Выполнить анализ технического состояния тяговых коллекторных электрических машин ЭПС и на основе результатов анализа отказов их КЩУ определить приоритетные направления исследований.
2. Оценить влияние эксплуатационных факторов на развитие процессов повреждения КЩУ ТЭД электроподвижного состава.
3. Установить корреляционную зависимость между наработкой до отказа и качеством коммутации, обусловленную причинами механической и электромагнитной неидентичности.
4. Получить уравнения регрессии величины динамического удара на различной скорости движения при режимах тяги, выбега и рекуперативного торможения ЭПС и величин зазоров стыка рельсовых звеньев.
5. Предложить методику ремонта КЩУ, включающую в себя дополнительные операции: оптимизированную обточку, упрочнение (накатку) рабочей поверхности коллектора и корректировку магнитной системы ДП ТЭД с целью повышения ресурса КЩУ электрических машин подвижного состава.
6. Оценить экономическую эффективность внедрения предлагаемых технологических решений.
Методы исследования. Основными методами исследования являлись сбор и анализ информации, теоретические и экспериментальные исследования на основе методов корреляционного и регрессионного анализа, статистической теории проверки гипотез и оценивания. Обработка и анализ опытных данных велись с использованием основных положений математической статистики и теории вероятностей.
Научная новизна. В диссертационной работе решен комплекс задач по совершенствованию методов, технологий, методики диагностирования и ремонта КЩУ электрических машин постоянного тока (ЭМ ПТ).
К наиболее значимым можно отнести следующие теоретические и практические результаты работы:
предложена методика комплексного использования методов диагностирования и послеремонтного контроля КЩУ электродвигателей и технологии механической обработки рабочей поверхности коллекторов (обточка и упрочнение), корректировки диамагнитных зазоров ДП, позволившая увеличить ресурс КЩУ и ТЭД в целом;
получены уравнения регрессии величины динамического воздействия со стороны пути на колесно-моторный блок (КМБ), развитие повреждений КЩУ ТЭД при различных скоростях и режимах работы электровоза на стыковом пути;
установлены корреляционные связи между основными параметрами поверхности коллектора и качеством коммутации, предложены решения проведения диагностирования с применением современных технических средств, позволяющих рационально обработать рабочую поверхность коллектора и прогнозировать наработку ТЭД до отказа.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена положительными результатами апробации комплексной методики диагностирования и послеремонтного контроля коллекторно-щеточного узла ТЭД в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана и внедрена методика-технология комплексного применения методов диагностирования, восстановления КЩУ ТЭД и послеремонтного контроля, а именно: метода диагностирования и послеремонтного контроля рабочей поверхности коллектора с применением диагностического комплекса на базе бесконтактного профилометра ИПК-3ПМ; метода поверхностной пластической обработки (ППО) для упрочнения и улучшения механического состояния рабочей поверхности коллектора подпружиненным роликом; методики-технологии корректировки магнитной системы ДП ТЭД.
Практическая реализация комплексного использования предложенных технических решений позволила снизить уровень искрения ТЭД по ГОСТ 183-74 с 1 до 1 балла и увеличить пробег ТЭД с 250 тыс. км до 1500 тыс. км, а отдельных двигателей – до 2400 тыс. км, что привело к снижению неплановых ремонтов по отказу ТЭД на 20 %.
Полученные автором результаты работы реализованы в технологии текущего и среднего ремонта при проведении рациональной обточки коллекторов ТЭД, упрочнения их рабочих поверхностей, последующей корректировки магнитной системы ДП и приняты к внедрению в локомотивном ремонтном депо Московка Западно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД».
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на республиканской научно-технической конференции (Харьков, 1984); на научно-практической конференции кафедры Омского института инженеров железнодорожного транспорта, посвященной 60-летию ОмИИТа (Омск, 1990); на III всесоюзной научно-технической конференции (Калининград, Светлогорск, 1991); на III научно-практической конференции «Энергосбережение на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги», посвященной 160-летию отечественной железной дороги (Омск, 1997); на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 1999); на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте (Омск, 2008 – 2010); на научно-техническом семинаре ОмГУПСа и семинаре кафедр «Подвижной состав электрических железных дорог» и «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа (Омск, 2000 – 2011).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 27 научных работ, из них девять – в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 152 наименований и четырех приложений и содержит 146 страниц основного текста, 88 рисунков, 25 таблиц.
Электромеханические факторы, влияющие на работу коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей
В процессе изготовления коллекторов и эксплуатации электрической машины реально всегда имеются эксцентриситет, овальность, волнистость, конусность, местные выгорания на рабочей поверхности, нарушения профиля коллектора вследствие выступания и западання групп или отдельных пластин при нарушении его монолитности и т. п.
В работах [59, 113, 114] показано, что с увеличением скоростей вращения влияние подобных геометрических отклонений на устойчивость скользящего контакта резко возрастает. Поэтому оценка влияния нарушения формы и рельефа коллектора на работу контакта представляет практический интерес. Нажатие щетки на коллектор в процессе контактирования непрерывно изменяется, отмечает в своей работе А. М. Трушков, периодически уменьшаясь до некоторой минимальной величины Pmin Р и достигает нуля во время отрывов щетки. Рассматривая условия безотрывного контактирования щетки с коллектором, целесообразно устанавливать наименьшую допустимую величину истинного контактного давления [3, 6, 9, 10, 16 — 18, 28].
Профессором М. Ф. Карасевым на специальной модели [8] было определено, что при эксцентриситете коллектора зона непосредственного контакта щетки с коллектором непрерывно перемещается, совершая возвратно-поступательные движения от середины щетки к сбегающему краю и обратно через ее середину к набегающему краю. Кроме того, при наличии зазоров между щеткой и направляющими стенками щеткодержателя под воздействием эксцентриситета коллектора имеют место тангенциальные перемещения щетки в колодце щеткодержателя. Результат таких перемещений подтверждается наличием следов износа на боковых гранях щеток как у сбегающего, так и набегающего края от прижатия их к нижней кромке колодца щеткодержателя.
Следовательно, радиальные и тангенциальные перемещения щетки вследствие эксцентриситета коллектора, способствуя ослаблению контактного давления щетки, сокращению и перемещению площади непосредственного соприкосновения ее с коллектором, снижают устойчивость контакта, а следовательно, стабильность и надежность процессов токосъема и коммутации. Установление допустимых величин эксцентриситета коллектора из условий получения устойчивого контакта щетки с коллектором представляет определенное значение. Данные технологических инструкций, стандартов, ТУ [36, 37, 102 - 105] по допустимым величинам биения или эксцентриситета цилиндрической поверхности коллектора установлены на основании практики электромашиностроительных заводов и опыта эксплуатации. Решающим фактором при установлении допустимого уровня биения или эксцентриситета идеального цилиндрического коллектора для получения устойчивого механического контакта является угловая скорость вращения якоря со. Сообщаемые коллектором щетке радиальные ускорения при безотрывном контактировании и равенстве радиусов кривизны контактной поверхности щетки Rm и коллектора RK определяются только величинами е и п и не зависят от диаметра коллектора. С увеличением Д. при const увеличивается окружная скорость V, что, естественно, усиливает влияние на устойчивость контактирования щетки отклонение формы поверхности скольжения от идеальной цилиндрической, в этом случае учет влияния величин DK и Кнеобходим [8 - 10, 11, 14 - 16].
Отклонения профиля рабочей поверхности коллектора от идеальной формы делятся на микрогеометрические (шероховатость), макрогеометрические и занимающую промежуточное положение волнистость [59, 113].
Шероховатость коллектора характеризуется формой и размерами поверхностных неровностей в различных направлениях на площади до нескольких квадратных миллиметров. При обточке коллектора качество поверхности зависит от способа и режима обработки, инструмента и обрабатываемого материала, а в процессе работы скользящего контакта — от материалов контактирующей пары, величины усилия нажатия, токовой нагрузки, частоты вращения якоря, химического состава окружающей среды и других факторов. По ГОСТ 2789-59 микрогеометрия профиля оценивается 14 классами.
Волнистость представляет собой совокупность периодических возвышений и впадин, близких по форме к синусоиде и возникающих в процессе токарной обработки упругих деформаций и вибраций системы «станок — инструмент - деталь (коллектор)».
Первоначальные отклонения профиля, обусловленные механической обработкой, в дальнейшем усугубляются дополнительным местным износом электроэрозией, а также неравномерной выработкой контактных дорожек из-за неодинаковой структуры и твердости материала. Различают следующие виды макрогеометрических отклонений профиля рабочей поверхности от идеального, которые приведены на рис. 1.15 [59, 113].
Незначительные радиальные смещения пластин, неравномерная выработка контактных дорожек и овальность обусловливают общее биение коллектора, когда профиль близок к синусоидальному. Местные биения и перепады уровней определяются выступаниями или западаннями даже одной пластины коллектора. Влияние общего биения (рис. 1.15, а, б), характеризуемого величиной 2А, на устойчивость щеточного контакта аналогично показанному выше влиянию эксцентриситета при идеально цилиндрическом коллекторе как при синусоидальном, так и при параболическом законе нарастания отклонений за один оборот, незначительное.
Более существенное воздействие на щетку оказывают местные биения (рис. 1.15, в), определяемые как величиной перепада уровней, так и длиной выступившей или запавшей части профиля коллектора ТЭМ, измеренной по окружности. Подобным нарушениям профиля контактной поверхности, особенно перепадам уровней между пластинами (рис. 1.15, г), следует уделять основное внимание. При этом влияние на щетку выступивших и запавших пластин неодинаково.
Устройства для технического диагностирования коллектора
По типу преобразования параметров объекта в выходной сигнал они подразделяются на параметрические и трансформаторные. ВТП с одной катушкой индуктивности, обтекаемой переменным током, по изменению параметров полного сопротивления которой формируют сигнал и судят о качестве ОК, называют параметрическим. Трансформаторный ВТП содержит минимум две обмотки. Одна - возбуждения - служит для создания электромагнитного поля и, следовательно, вихревых токов, а другая - измерительная - для измерения ЭДС, наводимой в ней результирующим магнитным потоком, пронизывающим ВТП. Амплитуда и фаза синусоидального напряжения в измерительной обмотке будут зависеть от параметров ОК. Такой ВТП называют трансформаторным, так как измерительная катушка в нем играет роль вторичной обмотки трансформатора.
Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостатком, который значительно слабее выражен в трансформаторных ВТП, -это зависимость выходного сигнала от температуры самого преобразователя.
В зависимости от взаимного рабочего положения ВТП и ОК их делят на проходные, накладные, экранные и комбинированные. Проходные ВТП делят на наружные, внутренние и погружные. Ими могут быть как параметрические, так и трансформаторные ВТП.
ВТП выполняют с ферромагнитными сердечниками и без них. Благодаря сердечнику (обычно ферритовому) повышается абсолютная чувствительность к изменению контролируемых параметров и формируется электромагнитное поле заданной топологии. В ряде случаев сердечники используют для локализации магнитного поля с целью уменьшения зоны контроля. Для этого в воздушный зазор магнитопровода 4 вставляется концентратор 5 в виде медной пластинки, в которой концентрируются вихревые токи, вытесняющие магнитное поле в зону контроля (рис. 2.4, а). Используются магнитопроводы специальной формы (рис. 2.4, б, в), отверстия в неферромагнитном электропроводящем экране 4 (рис. 2.4, г) или короткозамкнутый виток 5 на магнитопроводе 4 (рис. 2.4, д) [57]. Каждая конструкция ВТП предназначена для проведения контроля определенных объектов. С помощью наружных проходных ВТП контролируют линейно протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т. п.), осуществляют массовый контроль мелких изделий. С помощью внутренних проходных ВТП контролируют внутренние поверхности труб, баллонов, а также стенки отверстий в различных деталях.
Погружные ВТП применяют для контроля жидких сред, экранные проходные — для контроля труб, щелевые - для контроля проволоки. С помощью проходных ВТП получают интегральную оценку контролируемых параметров по периметру объекта. Проходные ВТП имеют меньшую чувствительность к локальным изменениям его свойств, нечувствительны при определенных условиях к радиальным смещениям ОК [57].
Накладные ВТП имеют значительно большие возможности, чем проходные, ими контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы - диски колес, боковые рамы, надрессорные балки, коллекторы электрических машин, они обеспечивают локальность и высокую чувствительность контроля.
Сигнал ВТП - это ЭДС, напряжение, ток или сопротивление преобразователя, несущие информацию о параметрах ОК и обусловленные взаимодействием электромагнитного поля с ОК (ГОСТ 24289-80). Этот сигнал представляет собой комплексную величину, состоящую в случае параметрического ВТП из вносимого активного RBH и индуктивного Хвн = LBH сопротивлений (т. е. ZBH = = Rm +j(x LBH), а в случае трансформаторного ВТП - из приращений активной и реактивной составляющих вносимого напряжения UBH = Uавн +jUpBH.
Поскольку сигнал ВТП имеет комплексный характер, то уже при контроле на одной частоте он имеет два параметра: или амплитуду и фазу, или действительную и мнимую составляющие, или модуль и аргумент. Чаще используют один параметр сигнала. В любом случае в качестве носителя информации может быть использована либо амплитуда, либо фаза.
Амплитудный способ ВТК достаточно эффективен и широко применяется на железнодорожном транспорте в дефектоскопах типа ВД-113. Реализуется данный способ контроля по следующей схеме. Сигнал с ВТП, возбуждаемый генератором, усиливают в усилителе и детектируют в амплитудном детекторе, с выхода которого напряжение огибающей подают на индикатор дефекта. Распространен вариант данной схемы, когда генератор строят на LC-резонансном контуре, и элементом этого контура служит обмотка ВТП. Признаком дефекта является расстройка контура или срыв режима генерации.
Фазовый способ контроля реализован в дефектоскопах. Амплитудно-фазовый способ выполняется по схеме включения ВТП в резонансный контур с формированием двух каналов одновременного измерения и амплитуды, и фазы напряжения, снимаемого с обмотки ВТП.
В работе А. М. Бордаченкова [18] подробно рассматривается проблема повышения точности измерений, отмечающая восемь способов диамагнитного контроля профиля коллектора, которые по виду получаемой информации делятся на четыре группы. На профилограмму накладываются различные факторы в зависимости от метода и места установки датчиков.
Анализ существующих способов и устройств по выявлению причин нарушения работы КЩУ механической или электромагнитной природы показал, что данное специальное оборудование способно выявить и определить имеющиеся резервы, которые необходимо учитывать как при проектировании и изготовлении, так и в эксплуатации и ремонте. Для этого требуется аппаратура повышенной надежности и простая в эксплуатации. Первичный преобразователь должен быть бесконтактным, легко устанавливаемым. Выход приборов должен быть связан с общей автоматизированной системой испытаний ТЭД.
Нормальная эксплуатация тягового электроподвижного состава обычно обеспечивается соблюдением всех основных нормативно-технических требований и правил выполнения ТО и ТР. С другой стороны, реальная эксплуатация часто характеризуется условиями, когда и отдельные узлы тяговой электрической машины, и сам двигатель в целом работают до частичной потери работоспособности без проведения достаточных профилактических мероприятий.
Как было сказано выше первичным звеном любой системы диагностирования являются датчики, обеспечивающие информационную связь измерительных трактов обработки диагностических сигналов с контролируемыми параметрами технического состояния проверяемого изделия.
Для диагностирования состояния профиля коллектора из всех описанных выше методов наибольшее применение получил вихретоковый, взятый за основу многими разработчиками приборов для бесконтактного контроля вращающихся поверхностей [14 — 16].
Количественная и качественная оценка состояния рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей с применением диагностического комплекса
При проведении измерений в процессе обточки коллекторов ТЭ на токарных станках должны выполняться требования согласно «Правил ремонта электрических машин электроподвижного состава» (ЦГ-ЦТВР/4782) [37]. Нормы допусков и износа коллекторов ТЭД электровозов представлены в табл. 3.1. При работе машины под действием центробежных сил каждая коллекторная пластина может перемещаться в радиальном направлении от оси вращения. Этому перемещению препятствует жесткость крепления элементов коллектора. Поскольку болты крепления контактируют с коллекторными пластинами через изоляционные детали (миканитовые или слюдинитовые манжеты, пояски), податливость которых неодинакова по окружности, отдельные пластины коллектора и целые группы их могут смещаться относительно соседних пластин, нарушая этим цилиндричность наружной поверхности коллектора. Искажение рельефа наружной поверхности коллектора влечет за собой нарушение стабильности работы скользящего контакта щетки с коллектором, возникновение недопустимого искрообразования и расстройство коммутации, что выводит из строя электрическую машину и нарушает ее нормальную эксплуатацию.
Наличие выступающих или запавших пластин приводит к уменьшению фактического периода коммутации, что вызывает возникновение искрения МПТ от недокоммутированных секций, т. е. влечет за собой увеличение общего уровня искрения КЩУ и снижение средней наработки до отказа. Причем с увеличением частоты вращения якоря этот эффект усиливается. Над проваленными пластинами щетка контактирует с коллектором через электрическую дугу, что сопровождается интенсивным износом как щеток, так и коллектора. Следовательно, перепады соседних пластин должны быть обнаружены при первичных измерениях перед обточкой коллектора и устранены в ее процессе.
Необходимость значительного улучшения технического состояния, качества и надежности ТЭД, в целом ЭПС ставит задачу пересмотра традиционных путей их ремонта, требует совершенствования системы ремонта ТЭМ и разработки новых технологий на базе современной компьютерной техники.
Для решения вопроса о диагностировании и контроле за обработкой коллекторов ТЭМ в процессе ремонта ТР-3 в локомотивных ремонтных депо Московка, ;Карасук, Тайга, Алтайская в технологический цикл ремонта ТЭД внедрена система на базе бесконтактного профилометра ИПК-ЗПМ. Внедрение измерителя профиля коллекторов в технологию ремонта МПТ электровозов ВЛ10 и ВЛЗО " позволило разработать технологическую карту определения рационального выбора технологического процесса проточки коллекторов ТЛ-2К1 и НБ-418К6 на токарном станке, а введение в процесс измерения запоминающего осциллографа HHSS фирмы Velleman значительно облегчает и увеличивает точность измерения. Наличие выходного порта позволяет записывать измеряемый сигнал (профилограмму коллектора до и после проточки) на компьютер с целью дальнейшего использования данных. Разработанное и изготовленное согласующее устройство профилометра- и осциллографа HHSS фирмы Velleman позволило получить на его экране огибающую профиля рабочей поверхности коллектора ТЭД, измерить ее параметры с точностью до 5 мкм, запомнить и занести в память компьютера (рис. 3.1).
Перед проведением операции диагностирования общего биения коллектора в динамике, в статическом режиме производится измерение износа и конусности коллектора, для чего датчик профилометра устанавливается над коллекторной пластиной у ее кромки, и с помощью суппорта перемещается по всей ее длине. На экране осциллографа фиксируется кривая, характеризующая измеряемые параметры..После этого-производится измерение биения коллектора и перепадов пластин в динамике со скоростью станка п, равной 250 об/мин. Определяется величина снимаемого слоя меди. На гистограмме, приведенной на рис. 3.2, показан разброс диаметров коллекторов, прошедших ремонт, большая часть которых находится на пределе своего жизненного цикла (645,1 мм).
Гистограмма разброса диаметра коллектора ТЭД ТЛ-2К1 После установки и подключения, калибровки аппаратуры по одному из следов щеток по коллектору ТЭД производится первое осциллографирование, затем — второй кадр по второму следу (контрольный). Bf статическом режиме производится измерение износа коллекторных пластин по длине коллектора и его конусности. С учетом этих параметров (общее биение по-обоим следам щеток, конусность коллектора) оценивается минимальная толщина слоя снимаемой меди. Многочисленные измерения коллекторов до и после обточки в токарном станке (более 1250 шт.) дали определенный статистический материал. Анализ профилограмм коллекторов на примере якоря № 976 ТЭД ТЛ-2К1 показал, что при общем биении коллектора в 243 мкм и перепаде соседних пластин-до 120 мкм токарю необходимо снять,ел ой-меди в 353 мкм за два прохода. Если же у коллектора (якорь № 123) общее биение составило 192 мкм, а провалы отдельных пластин — 30 мкм, в сумме — 222 мкм, эту операцию проточки можно осуществить за один проход резца. Без измерительной аппаратуры на это потребовалось бы два прохода. Это привело бы к снятию лишнего слоя меди в 22 мкм, что эквивалентно 356 г дорогостоящей меди и уменьшению жизненного цикла якоря за счет уменьшения диаметра его коллектора. При проведении входного контроля тяговых электродвигателей на испытательном стенде посредством их коммутационных испытаний были получены результаты, указывающие на неудовлетворительное механическое состояние коллекторно-щеточного узла.
Влияние поверхностной пластической обработки коллектора.на качество коммутации тягового электродвигателя
Надежность эксплуатации ТЭД во многом определяется техническим состоянием КЩУ в целом, щеток и коллектора в частности. Нарушение нормальной работы электрического скользящего контакта приводит к усилению искрения под щетками и вызывает их повышенный износ. Профиль рабочей поверхности коллектора, износ его рабочей поверхности и щеток, интенсивность искрения зависят друг от друга. Так, нарушение технического состояния рабочей поверхности коллектора приводит к отрыву щетки от пластин, что сопровождается интенсивным искрением в КЩУ и быстрым его износом.
Удовлетворительное техническое состояние КЩУ, а именно: отсутствие на щетках поколов и других повреждений и наличие на рабочей поверхности коллектора оксидной пленки темно-коричневого орехового цвета, называемой «политурой», является верным признаком нормальной работы щеток и коллектора. На работу КЩУ в целом и щеток в частности значительно влияют окружающая температура, условия эксплуатации. Так, в зимнее время нажатие на щетки необходимо повышать, а чтобы щетки не примерзли к щеткодержателю, они должны быть хорошо просушены.
Рассмотренные особенности работы щеток и щеткодержателей требуют серьезного внимания к их конструкции и материалу, из которого они изготавливаются. Особенно это относится к мощным ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6. В таких двигателях выделение тепла в контактном слое возрастает не только из-за повышенной величины тока нагрузки (ТЭД НБ-418К6 - 1н = 880А; ТЭД ТЛ-2К1 -Ін = 480А), но и вследствие повышения потерь от трения. Вследствие выделения большого количества тепла в контактном слое щеток и коллекторных пластин последние начинаются быстро и неравномерно нагреваться. Сильнее нагреваются выступающие коллекторные пластины, поскольку при соударении щеток с ними часть механической энергии (энергия удара) переходит в тепловую и дополнительно нагревает пластину. Так как температура верхней части выступающих пластин растет быстрее, чем у расположенных рядом пластин, то это еще больше увеличивает неровности и приводит к дополнительному выделению энергии от удара щеток о выступы коллекторных пластин и дальнейшему повышению температуры и деформации коллектора.
В результате механического саморазогрева коллекторных пластин рабочая поверхность в целом коллектора за достаточно короткое время приобретает вид зубчатой рейки, которая с большой скоростью трется о щетки. Это вызывает быстрое истирание щеток по высоте и обильное выделение графитовой пыли. Наряду с интенсивным истиранием щеток происходит увеличение износа коллектора и выделение медной пыли. Сочетание графитовой пыли щеток и медной пыли коллекторных пластин преобразуется в пастообразное состояние. Данная электропроводящая паста с помощью щеток забивается в межламель-ное пространство, а также под действием охлаждающего воздуха, поступающего в коллекторную камеру, разносится по всем поверхностям магнитной системы ТЭМ. Если неровности достигают 40 мкм и более, то возможны даже сколы кромок щеток. Тогда щетки начинают вибрировать с амплитудой 0,45 — 0,5 мм. При этом происходит нарушение контакта и возникает искрение, если двигатель работает под нагрузкой, что при неблагоприятных потенциальных условиях на коллекторе и засорении межламельных промежутков медно-графитовой пастой приводит к возникновению кругового огня по коллектору. Из-за прерывистого контактирования щеток и искрения износ щеток и коллекторных пластин происходит в десятки раз быстрее, чем по механическим причинам. Следовательно, чтобы обеспечить нормальную работу КЩУ при минимальном износе щеток и коллекторных пластин, необходимо прежде всего обеспечить стабильный контакт и спокойную работу щеток.
Результаты исследований [75, 82, 83, 112] показали, что неизменная форма рельефа рабочей поверхности коллектора зависит от монолитности и механической прочности коллектора.
Таким образом, в связи с тем, что техническое состояние, размеры, допуски всех элементов деталей КЩУ в той или иной степени влияют на надежность эксплуатации ТЭД и ВЭМ, целесообразно стремиться к выполнению норм допусков и износа, изложенных в работе [37]. Оценку качеству ремонта ТЭМ дает эксплуатация. Резкие изменения режима работы ТЭД, колебания напряжения в контактной сети, наличие угольной и медной пыли в зоне КЩУ способствуют возникновению искрения. При некоторых условиях оно сопровождается вспышкой электрической дуги, круговым огнем, что приводит к повреждению деталей КЩУ, отдельных частей магнитной системы двигателя.
Для оценки качества коммутации ГОСТ 183-74, 2582-81 установлено пять (1, 1!4, Р/г, 2 и 3 балла) степеней искрения. Искрение степеней 1 и 114 даже в течение длительного времени не вызывает необходимости чистить коллектор и улучшать щеточный контакт. При этом коммутация считается «темной». Согласно ГОСТ 183-74 и 2582-81 к этой терминологии относятся и ТЭД с классом 1 х/г балла для всех номинальных режимов работы двигателя. Как будет показано ниже, это далеко не так. При искрении в КЩУ более VA балла происходит значительный рост частоты возникновения круговых огней и как следствие — отказ ТЭД по причинам электрической природы. В случае же искрения со степенью 1/4и2 балла при длительной работе на коллекторе остаются следы почернения, а на щетках — следы нагара (особенно при интенсивности искрения 2 балла). Такое искрение допустимо лишь при кратковременных перегрузках. Работа со степенью 3 балла недопустима.
