Введение к работе
Актуальность исследования. Во многих областях народного хозяйства, где наряду с необходимостью плавного регулирования скорости требуются хорошие пусковые свойства и большая перегрузочная способность, на сегодняшний день незаменимыми остаются электроприводы на основе коллекторных электрических машин постоянного тока (МИТ). МПТ большой и средней мощности применяются в железнодорожном и городском электротранспорте, металлургической и бумажной промышленности, в подъемно-крановых установках различных производств и др. отраслях. Универсальные коллекторные электрические машины малой мощности нашли применение в медицине, бытовых электроприборах, ручном электроинструменте и т. д.
Основным интегральным показателем, характеризующим работу любого электромеханического преобразователя, является надежность. Надежность коллекторной электрической машины в целом зависит от технического состояния отельных наиболее ответственных элементов, входящих в её состав. Одним из таких элементов МПТ является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). Многочисленные исследования показали, что более 30 % отказов в условиях эксплуатации МПТ общепромышленного применения происходят из-за неисправностей КЩУ.
Процесс коммутации в МПТ является сложным процессом, оказывающим существенное влияние на техническое состояние КЩУ, и, следовательно, на надежность электрической машины в целом. Вопросами повышения коммутационной устойчивости занимались различные научные коллективы под руководством М. Ф. Карасева, О. Г. Вегнера, Р. Ф. Бекишева, В. Д. Авилова, А. А. Козлова, А. С. Курбасова, А. И. Скороспешкина, Г. А. Сипайлова, Э. К. Стрельбицкого, В. В. Харламова, Ш. К. Исмаилова, С. И. Качина и многих других.
Устойчивость взаимодействия щетки с коллектором является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс коммутации в МПТ. Потеря стабильности этого контакта в реальных условиях эксплуатации может быть обусловлена рядом причин, которые зачастую носят случайный характер. В результате этого коммутация в различные моменты времени будет проходить в различных условиях, что приводит к неидентичности коммутационных циклов. Многочисленные опыты, а также эксплуатация МПТ, показали, что если неидентичность коммутационных циклов, вызванная электромагнитными факторами более или менее стабильна, то неидентичность, обусловленная причинами механической природы, не только неравномерна по коллектору, но и значи-
тельно изменяется во времени. Это может привести к значительному износу КЩУ и, как следствие, отказу МПТ.
Таким образом, совершенствование методов контроля основных механических факторов, определяющих работу скользящего контакта коллекторных электрических машин, является актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Повышение качества и экономичности работы электромеханических преобразователей и устройств. Разработка методов исследования и средств диагностирования и контроля» ГБЗ 116 № ГР 01.9.60000796.
Цель работы - совершенствование методов и средств оценки технического состояния коллектора для обеспечения работоспособности электрических машин постоянного тока.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
провести анализ существующих методов и средств контроля профиля коллектора МПТ, обосновать преимущества и выявить недостатки известных методов;
провести теоретические и экспериментальные исследования влияния профиля коллектора на стабильность контакта «щетка-коллектор» и выявить диагностические параметры для оценки состояния профиля коллектора электрических машин;
определить диагностическую ценность параметров, характеризующих состояние профиля коллектора, и сформировать эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать влияние профиля коллектора на процесс коммутации;
определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на результат измерения параметров профиля коллектора, и получить уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора электрических машин;
разработать алгоритм обработки данных, позволяющий повысить достоверность и помехоустойчивость контроля профиля коллектора электрических машин;
предложить аппаратно-программный комплекс для оценки технического состояния КЩУ МПТ, определить его технико-экономическую эффективность.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены уравнения регрессии для диагностических параметров профиля коллектора, характеризующих его техническое состояние, позволяющие оценить влияние диагностических параметров на стабильность контакта в КЩУ.
-
Определено эффективное множество диагностических параметров, обладающих наибольшей диагностической ценностью, для оценки воздействия профиля коллектора на состояние коммутации МПТ.
-
Разработан алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.
-
Получено уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом, позволяющее при известных параметрах коллектора исследуемой МПТ определять величину требуемого зазора между датчиком и поверхностью коллектора для достижения заданной точности результатов измерений.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:
-
Предложенное множество диагностических параметров позволяет повысить достоверность оценки профиля коллектора МПТ.
-
Сформированная методика оценки состояния рабочей поверхности коллектора, основанная на непрерывном аналогово-цифровом преобразовании данных, полученных от измерительной схемы прибора контроля профиля коллектора, позволяет оценивать профиль в широком диапазоне частот вращения якоря МПТ.
-
Предложенная методика определения величины методической погрешности вихретокового способа контроля профиля коллектора на основе регрессионной модели позволяет учитывать параметры и режимы работы МПТ при диагностировании технического состояния коллектора.
-
Разработанный аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенную методику и алгоритм исследования профиля коллектора, позволяет определять диагностические параметры для оценки технического состояния коллектора при наличии внешних помех от источников с тиристорными преобразователями.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия щетки и коллектора в МПТ проведены на основе теории электрических машин, теории информации, теории планирования эксперимента, а также статистических методов проверок гипотез. В процессе расчета математических зависимостей и анализа данных применялись математическая программа MathCAD, электронные таблицы Excel. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в среде Borland C++ Builder. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной модельной установке, действующих лабораторных установках кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного уни-
верситета путей сообщения, а также на действующем испытательном стенде локомотивного ремонтного депо.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние диагностических параметров, характеризующих техническое состояние профиля коллектора, на стабильность контакта в КЩУ.
-
Эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать возможность нарушения контакта «щетка-коллектор».
-
Регрессионная модель для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом.
-
Алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора электрических МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.
Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы обеспечивается корректным использованием основных положений теории электрических машин, обоснованным применением методов математического моделирования и подтверждается экспериментальной проверкой, сходимостью результатов автора с данными экспериментов других исследователей. При статистической проверке гипотез принят пятипроцентный уровень значимости.
Реализация результатов работы. Метод оценки состояния рабочей поверхности коллектора МПТ, программное обеспечение, реализующее анализ профиля коллектора предложенным методом, а также разработанная методика определения величины методической погрешности при контроле профиля коллектора вихретоковым методом используются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа. Аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенные методики, внедрен в ООО «РМЗ «Газпромнефть-ОНПЗ» и используется в цехе по ремонту электрооборудования при проведении приемо-сдаточных испытаний МПТ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XVI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2010); на научно-практической конференции с международным участием «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); на международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2012» (Ростов-на-Дону, 2012); на всероссийской научно-технической конференции с международным участием
«Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 16 научных работах, в том числе четырех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одном патенте РФ на полезную модель, трех свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 102 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая 16 таблиц и 67 рисунков.
