Содержание к диссертации
Введение
1. Основные причины нарушения коммутации и возникновения искрения 18
1.1. Процесс коммутации в машинах постоянного тока и роль щеточного контакта в нем 19
1.2. Влияние температуры щеточного контакта 22
1.3. Изменение коммутации при изменении нагрузки и частоты вращения 24
1.4. Искрение щеток как случайный процесс. Неидентичность коммутационных циклов 27
1.5. Коммутирующие свойства дополнительных полюсов и щеток 32
1.6. Оценка коммутационной напряженности вероятностными методами 34
1.7. Выводы 41
2. Применение графоаналитического метода для диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла - 42
2.1. Требования, предъявляемые к диагностической модели 42
2.2. Классификация параметров, определяющих функционирование сложного объекта 43
2.3. Параметры контроля работоспособности, диагностические параметры и предъявляемые к ним требования 4'6
2.4. Построение исходной граф-модели коллекторно-щеточного узла.. 48
2.5. Декомпозиция и уточнение граф-модели 64
2.6. Упорядочение вершин граф-модели и определение информативности и различительной.способности параметров 69
2.7. Выявление множества диагностических параметров 74
2.8. Выбор параметров контроля работоспособности 81
2.9. Выводы 82
3. Анализ существующих методов и устройств контроля интенсивности искрения щеток и профиля коллектора и методов технического диагностирования ... 85
3.1. Анализ методов и устройств объективной оценки интенсивности искрения щеток 85
3.2. Методы и устройства бесконтактного контроля профиля коллектора 94
3.3. Выбор метода диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла
3.3. Выводы 112
4. Способ объективной оценки степени искрения щеток в процессе приемо-сдаточных испытаний электрических машин 114
4.1. Выбор параметров диагностического сигнала 114
4.2. Способ объективной оценки интенсивности искрения при наличии неидентичности коммутационных циклов 133
4.3. Прибор контроля качества коммутации в процессе приемосдаточных испытаний однотипных электрических машин 134
4.4. Определение количественной связи диагностических параметров
с визуальной оценкой степени искрения по шкале ГОСТ 183-74 138
4.5. Выводы 141
5. Формирование диагностического сигнала для оценки интенсивности искрения электрических машин 143
5.1. Анализ сигнала с разнополярных щеток 143
5.2. Обоснование функциональной схемы входного устройства прибора контроля коммутации 159
5.3. Применение первичного преобразователя емкостного типа для контроля интенсивности искрения 165
5.4. Определение погрешностей измерения диагностических параметров, вносимых разработанным входным устройством 176
5.5. Выделение диагностического сигнала при большой интенсивности искрения 182
5.6. Выводы 187
6. Оценка влияния механических факторов на качество коммутации коллекторных электрических машин 190
6.1. Анализ воздействия поверхности коллектора на механическую устойчивость коллекторно-щеточного узла 190
6.2. Разработка устройств для оценки состояния поверхности коллектора и неидентичности коммутационных циклов машин постоянного тока 202
6.3. Выбор диагностических параметров для оценки состояния поверхности коллектора МПТ 211
6.4. Контроль профиля коллекторов тяговых двигателей ТЛ-2К1 в процессе приемо-сдаточных испытаний с использованием бесконтактного профилометра 224
6.5. Выводы 232
7. Применение разработанных методов и устройств для оценки качества динамической формовки коллектора тяговых двигателей ТЛ-2К1 234
7.1. Контроль профиля коллектора в процессе динамической формовки 234
7.2. Практическое исследование процесса динамической формовки коллекторов тяговых двигателей ТЛ-2К1 251
7.3. Выводы 259
8. Математическая модель качества коммутации и настройка дополнительных полюсов электрических машин с учетом состояния коллекторно-щеточного узла 261
8.1. Формирование математической модели качества коммутации машин постоянного тока 261
8.2. Применение математической модели для оптимальной настройки дополнительных полюсов 275
8.3. Выводы 280
9. Диагностическая система контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей 281
9.1. Функциональная схема диагностической системы 281
9.2. Устройства выделения диагностических сигналов и их обработки 283
9.3. Программное обеспечение диагностической системы 293
9.4. Практические результаты работы диагностической системы .' 299
9.5. Определение точностных показателей диагностирования 303
9.6. Оценка экономической эффективности использования результатов диссертационной работы 307
9.7. Выводы 319
Заключение 320
Список использованных источников
- Изменение коммутации при изменении нагрузки и частоты вращения
- Параметры контроля работоспособности, диагностические параметры и предъявляемые к ним требования
- Методы и устройства бесконтактного контроля профиля коллектора
- Способ объективной оценки интенсивности искрения при наличии неидентичности коммутационных циклов
Введение к работе
Надежность тягового подвижного состава и эффективность его использования являются определяющими условиями ритмичной и устойчивой работы железнодорожного транспорта.
В настоящее время в связи с увеличением объема перевозок и повышением интенсивности эксплуатации возрастают требования к эксплуатационной надежности тягового подвижного состава.
Анализ отказов оборудования локомотивов по сети железных дорог показывает, что 25-35 % от их общего числа составляют повреждения тяговых электродвигателей (ТЭД). Поэтому, важнейшей задачей эффективной эксплуатации электроподвижного состава является обеспечение надежной работы одного из основных их узлов - тягового двигателя.
В современных экономических условиях повышение надежности работы локомотивов, находящихся в эксплуатации, осуществляется за счет модернизации наиболее ответственных узлов и деталей и совершенствования системы технического обслуживания и ремонта при сокращении эксплуатационных расходов. Суммарные расходы локомотивного хозяйства составляют около 40 % от общих эксплуатационных расходов сети железных дорог. Причем 30 - 35 % от общих расходов локомотивного хозяйства затрачивается на техническое обслуживание и ремонт локомотивов.
Снижение эксплуатационных расходов за счет внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий при обслуживании и ремонте железнодорожной техники является одним из основных требований отраслевой научно-технической программы МПС России («Программа энергосбережения на железнодорожном транспорте на 1998 - 2000 гг. и на перспективу до 2005 года»), утвержденной указанием МПС от 19.10.98 № Б - 1166у. Одним из основных направлений ресурсосбережения принято снижение потерь, связанных с изно-
7 сом узлов и деталей, является внедрение современных технологий диагностирования и восстановления.
Исследованию надежности работы тягового подвижного состава магистральных железных дорог в условиях эксплуатации, системам технического диагностирования и ремонта уделялось значительное внимание различными научными коллективами. Большой вклад в изучение этих проблем внесли Ю. А. Бахвалов, В. И. Бервинов, А. И. Володин, И. И. Галиев, 3. Г. Гиоев, А. Д. Глушенко, И. П. Исаев, В. А. Камаев, В. И. Кисилев, В. А. Кучумов,
A. Л. Лисицин, В. Н. Лисунов, В. Б. Медель, А. П. Павленко, Е. С. Павлович,
М. П. Пахомов, А. В. Плакс, В. В. Привалов, Н. А. Ротанов, А. Н. Савоськин,
Т. А. Тибилов, В. П. Феоктистов, Н. А. Фуфрянский, В. А. Четвергов,
B. Г. Щербаков и многие другие.
Основные эксплуатационные характеристики коллекторных машин постоянного тока (МПТ), в том числе и тяговых двигателей подвижного состава, в значительной мере определяются их коммутационной устойчивостью. Проблема ее повышения является главным тормозом, препятствующим их совершенствованию. Решение этой задачи невозможно без глубоких теоретических и экспериментальных Исследований в области коммутации, позволяющих выяснить причины возникновения искрения под щетками МПТ в различных режимах их работы и определить меры по их устранению.
Основы теории коммутации МПТ заложены в фундаментальных работах Е. Арнольда, К. И. Шенфера, И. Нейкирхена. Значительный вклад в решение вопросов коммутации внесли такие исследователи как В. Д. Авилов, Р. Ф. Бекишев, О. Г. Вегнер, В. А. Винокуров, В. Т. Касьянов, М. Ф. Карасев, А. С. Курбасов, Г. А. Сипайлов, А. И. Скороспешкин, Б. В. Токарев, В. В. Толкунов, В. В. Фетисов, В. С. Хвостов и многие другие. Однако проблема обеспечения высокой коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин далеко не решена из-за сложности процессов, происходящих в скользящем электрическом контакте.
8 Повышение качества функционирования тяговых электродвигателей в
эксплуатации возможно путем совершенствования систем технического обслуживания на основе проведения диагностических мероприятий с целью более объективного и достоверного контроля технического состояния ответственных деталей и узлов ТЭД и, прежде всего - коллекторно-щеточного узла.
При этом требуется дальнейшее развитие методов и устройств для исследования влияния различных факторов на процесс коммутации, сравнительной оценки интенсивности искрения однотипных машин и диагностирования их технического состояния. Этот вопрос становится еще более актуальным в связи с появлением автоматизированных систем испытаний электрических машин, позволяющих исключить человека из процесса измерения.
Таким образом, совершенствование методов и средств диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава, является актуальной задачей, без решения которой невозможно обеспечить надежное функционирование ТЭД при сокращении эксплуатационных расходов.
Настоящая работа является частью комплексных исследований в области разработок методов исследования и средств диагностирования и контроля состояния коммутации и ее настройки в машинах постоянного тока, которые проводились кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научных исследований ОмГУПС по темам: «Исследование процессов взаимодействия объектов железнодорожного транспорта с окружающей средой» г.р. №01.200.1 13077, «Повышение качества и экономичности работы электромеханических преобразователей и устройств. Разработка методов исследования и средств диагностирования и контроля» г.р. № 01.960.0 00796.
Цель диссертационной работы: Выполнение комплекса теоретических обобщений, конструкторских и экспериментальных исследований, направлен-
ных на совершенствование методов и средств диагностирования технического
состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
исследовать влияние отклонений конструктивных и технологических параметров электромагнитной и механической природы на качество функционирования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей;
сформировать диагностическую модель коллекторно-щеточного узла МПТ с учетом неизбежной неидентичности коммутационных циклов;
определить эффективное множество параметров диагностирования технического состояния КЩУ и контроля его работоспособности, обладающих наибольшей информативностью и различительной способностью;
обосновать выбор диагностических сигналов и их параметров для оценки интенсивности искрения и состояния поверхности коллектора тяговых двигателей, исследовать статистические характеристики этих параметров;
исследовать и разработать принципиально новые методы и устройства преобразования диагностических сигналов, а также инженерные методики расчета их основных параметров;
разработать методы контроля работоспособности КЩУ и состояния коммутации ТЭД в условиях неидентичности коммутационных циклов и создать комплекс средств, реализующих эти методы;
разработать метод и устройство контроля состояния поверхности коллектора, учитывающие влияние профиля коллектора на устойчивость скользящего контакта;
исследовать влияние механических факторов на состояние коммутации и разработать метод настройки дополнительных полюсов с учетом этого влияния;
разработать методику контроля профиля коллектора в процессе его динамической формовки;
разработать диагностическую систему нового поколения для оценки технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей на основе сочетания аналоговой и цифровой электронной техники, а также создания специальных методик и расчетных программ для обработки диагностической информации с целью достижения максимальной достоверности диагностирования;
экспериментально подтвердить выдвинутые теоретические положения на модельных установках и опытных образцах электрических машин.
Основные методы научных исследований. Теоретические и экспериментальные исследования процесса коммутации машин постоянного тока проводились с применением основ теории цепей, теории электрических машин, теории информации, теории графов и распознавания образов, методов математического моделирования, статистических проверок гипотез, а также дисперсионного и корреляционного анализов. Основные расчетные соотношения получены с применением преобразований Лапласа, дифференциального и интегрального исчислений. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Excel, а также специализированный пакет программ MathCAD2000. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в среде Borland C++ Builder. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных модельных установках, электрических машинах серии 2П и тяговых двигателях электроподвижного состава магистральных железных дорог с использованием статистических методов обработки результатов измерений.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:
Впервые на основе комплекса выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны основные принципы формирования диагностической модели и создания комплекса диагностического оборудования для оценки технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей подвижного состава.
Разработана диагностическая граф-модель коллекторно-щеточного узла на основе агрегирования множества факторов, определяемых отклонениями конструктивных и технологических параметров, по характеру их влияния на процесс коммутации в условиях неидентичности коммутационных циклов.
Выявлено эффективное множество параметров диагностирования коллекторно-щеточного узла и контроля его работоспособности, удовлетворяющее требованиям доступности измерению, достоверности результатов измерения, информативности и различительной способности.
Доказано, что сравнительную оценку степени искрения однотипных электрических машин в процессе приемо-сдаточных испытаний необходимо проводить одновременно как по произведению средней и среди ей нтеграль ной длительностей, так и по максимальной длительности дуговых разрядов. Разработан способ оценки интенсивности искрения по предложенным диагностическим параметрам.
Предложено состояние поверхности коллектора МПТ оценивать по двум параметрам: минимальному значению второй производной функции профиля коллектора и среднеквадратическому отклонению значений второй производной.
Получена математическая модель коммутации, позволяющая оценить влияние технологических отклонений на качество коммутации и учесть состояние коллекторно-щеточного узла при настройке дополнительных полюсов МПТ.
12 7. Разработаны принципы формирования диагностических параметров и
алгоритмы диагностирования коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей с применением компьютерной техники и специальных методов обработки измеряемой информации.
Практическая ценность работы. Значимость проведенных работ определяется комплексностью теоретических, конструкторских и экспериментальных исследований, направленных на создание и внедрение в производство комплекса диагностических средств для оценки технического состояния коллекторно-щеточного узла и качества коммутации тяговых электродвигателей.
Предложенный способ обеспечивает достоверную оценку интенсивности искрения по длительностям дуговых разрядов в условиях неидентичности коммутационных циклов.
Получены выражения, которые дают возможность рассчитать оптимальные параметры входных устройств, обеспечивающих выделение импульсов искрения как из сигнала с разнополярных щеток, так и с емкостного датчика, в том числе и при питании испытуемых машин от тиристорных преобразователей.
Разработаны и подтверждены авторскими свидетельствами устройства, позволяющие проводить сравнительную оценку степени искрения однотипных машин, контролировать состояние поверхности коллектора и исследовать его влияние на качество коммутации.
Спроектированная диагностическая система обеспечивает контроль работоспособности коллекторно-щеточного узла и диагностирование его технического состояния в процессе приемо-сдаточных испытаний тяговых электродвигателей, а также позволяет формировать рекомендации по настройке их дополнительных полюсов.
Предложена методика контроля профиля коллектора в процессе динамической формовки. Методика дает возможность определить влияние изменений конструкций, материалов и технологий изготовления на качество коллекторов.
13 Получены расчетные соотношения, позволяющие определить параметры щеткодержателя и щетки, в которой закрепляется измерительный датчик в процессе контроля формовки.
Реализация результатов работы. Разработанный метод оценки технического состояния КЩУ ТЭД и диагностическая система, реализующая этот метод, внедрены в локомотивном депо Московка Западно-Сибирской железной дороги. Способы и устройства контроля интенсивности искрения и профиля коллектора внедрены в локомотивных депо Московка, Барабинск, Новосибирск, Алтайская, Топки Западно-Сибирской железной дороги, локомотивных депо Боготол, Иланская Красноярской железной дороги, локомотивных депо Нижнеудинск, Зима Восточно-Сибирской железной дороги и локомотивном депо Чита Забайкальской железной дороги. Разработанный способ оценки степени искрения однотипных машин и устройство, реализующее этот способ, внедрены на НПО "Псковэлектромаш" и использованы при разработке автоматизированной системы испытаний электрических машин. Приборы для оценки состояния поверхности коллектора внедрены в ЦНИИ "Гидроприбор" г. Ленинграда, ВНИИЭМ г. Москвы, НПО "Псковэлектромаш", СКТБ транспортного электрооборудования г. Набережные Челны, ВЭЛНИИ г. Новочеркасск; прибор для оценки степени искрения большой интенсивности и анализа коммутации - в ЦНИИ "Гидроприбор", ВНИИЭМ г. Москвы и Псковском опытном заводе СТО ВНИИЭлектромаша. Методика и устройство для контроля процесса динамической формовки коллекторов приняты к использованию на Челябинском электровозоремонтном заводе.
Использование материалов диссертационной работы предприятиями и научно-исследовательскими организациями подтверждено актами, представленными в приложении.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Коммутация электрических машин" (г. Харьков, 1984); научно-
14 технических конференциях ОмИИТа (г. Омск, 1984, 1986); Республиканской
научно-технической конференции "Перспективы развития электромашиностроения на Украине" (г. Харьков, 1988); Всесоюзном научно-техническом совещании НТО Э и ЭП "Вопросы проектирования, исследования и производства мощных турбо-гидрогенераторов и крупных электрических машин (г. Ленинград, 1988); Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта" (г. Омск 1989); научно-практической конференции кафедр ОмИИТа, посвященной 60-летию института (г. Омск, 1990); Всесоюзном семинаре «Электробезопасность и надежность эксплуатации электрооборудования» (г. Калининград -Светлогорск, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта» (г.Омск, 1991); VII научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных машин постоянного тока» (г.Омск, 1993); II Международной конференции «Состояние и перспективы развития электро подвижно го состава» (Новочеркасск, 1997); Международной конференции UEES-99 (г. С.-Петербург, 1999); научно-практической конференции «Потенциал железнодорожного образования и науки на рубеже XXI века» по программе сетевого инновационного форума «Транссибвуз - 2000» (г. Омск, 2000); Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001 г.); Региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (г. Новосибирск, 2002); научно-технических семинарах кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 50 печатных работах, в том числе 10 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, девяти основных разделов и заключения, выполнена на 343 страницах машино-
15 писного текста, содержит 139 иллюстраций, 27 таблиц, список используемой
литературы из 190 наименований и приложения на 33 страницах. Общий объем
диссертации 376 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, характеризуется научная новизна и практическая ценность результатов исследований.
Первый раздел посвящен анализу основных причин нарушения коммутации и возникновения искрения в машинах постоянного тока, определена роль скользящего контакта в процессе коммутации и характер воздействия различных факторов электромагнитной и механической природы на состояние коммутации.
Во втором разделе с применением графо-аналитического метода разработана диагностическая модель коллекторно-щеточного узла, произведена ее декомпозиция на основе агрегирования структурных параметров по характеру их воздействия на процесс коммутации, выявлены оптимальные множества параметров контроля работоспособности и диагностических параметров.
В третьем разделе приведены результаты критического анализа существующих методов и устройств контроля, диагностирования и настройки качества коммутации, а также способов бесконтактного контроля состояния поверхности коллекторов электрических машин, а также выбран метод диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей.
В четвертом разделе обоснован выбор параметров диагностического сигнала для оценки степени искрения, исследованы законы распределения этих параметров при различных, интенсивностях искрения, предложен способ оценки интенсивности искрения по длительностям дуговых разрядов в условиях неидентичности коммутационных циклов, разработан прибор для сравнительной оценки искрения однотипных электрических машин при приемо-сдаточных испытаниях, определена количественная связь степени искрения в баллах шкалы
ГОСТ 183-74 с показаниями прибора применительно к машинам серии 2П и тяговым двигателям ТЛ-2К1.
В пятом разделе приведены результаты исследования сигналов с разно-полярных щеток МПТ и с емкостного датчика, а также известных входных устройств, выделяющих из этих сигналов импульсы искрения; разработана схема входного устройства, обеспечивающего контроль качества коммутации при ти-ристорном питании исследуемой машины и основанного на принципе амплитудно-временной селекции, определены условия, при которых достигается минимальная погрешность измерения, предложено входное устройство, повышающее достоверность оценки искрения большой интенсивности.
В шестом разделе проведен анализ динамической модели движения щетки по коллектору, с использованием теории информации обоснован выбор диагностических параметров для оценки состояния поверхности коллектора МПТ, разработан прибор для контроля профиля коллектора с бесконтактным вихре-токовым датчиком без магнитопровода; предложена диагностическая система, предоставляющая новые возможности в исследовании влияния механических факторов на качество коммутации.
В седьмом разделе приведены результаты применения разработанных методов и устройств для исследования качества изготовления МПТ: предложена методика контроля качества динамической формовки коллекторов по сигналу с вихретокового датчика, установленного в щетке, скользящей по поверхности коллектора; получены расчетные соотношения для определения параметров щеткодержателя и щетки, в которой закрепляется датчик; приведены результаты исследования процесса формовки коллектора тяговых двигателей ТЛ-2КЗ.
В восьмом разделе методами планирования эксперимента разработана математическая модель качества коммутации тяговых двигателей ТЛ-2К1 и машин серии 2П, позволяющая оценить влияние технологических отклонений на состояние коммутации и учесть состояние коллекторно-щеточного узла при настройке дополнительных полюсов.
Девятый раздел посвящен результатам разработки диагностической системы контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей: приведено описание функциональной схемы диагностической системы, устройств формирования диагностических сигналов и их обработки, программного обеспечения, а также практические результаты применения диагностической системы и оценка ее экономической эффективности.
В заключении представлены основные результаты и выводы по диссертационной работе.
В приложении приведены акты внедрения разработанных методов и устройств контроля интенсивности искрения щеток и состояния профиля коллектора электрических машин, а также диагностической системы контроля технического состояния коллекторно-щеточного узла и качества коммутации тяговых электродвигателей.
Изменение коммутации при изменении нагрузки и частоты вращения
Практика эксплуатации электрических машин показывает, что с изменением тока нагрузки характер коммутации также изменяется. В частности, с увеличением нагрузки обычно наблюдается ускорение, а при снижении - замедление коммутации. Анализ процесса изменения тока с позиций теории оптимальной коммутации позволяет дать объяснение этому явлению.
Оптимальному характеру изменения тока коммутируемого контура (i2 0 и di2 /cfr 0 на завершающем этапе) соответствует баланс ЭДС коммутируемой секции Єкоп,=егопт+-{ґД/2-Д/,М. (1.з)
Следовательно, реально существующая коммутирующая ЭДС ек обеспечивает оптимальную коммутацию лишь в случае вполне определенного тока нагрузки.
При изменении тока нагрузки (2/0) реальные коммутирующая и реактивная ЭДС изменяются пропорционально этому изменению (при неизменной частоте вращения и отсутствии насыщения дополнительных полюсов). Несомненно, что и второе слагаемое правой части этого равенства должно изменяться пропорционально изменению тока нагрузки. При Д/, -const это возможно лишь при условии увеличения (уменьшения) падения напряжения на сбегающем крае щетки: bU2=i2r2=(ia+i)r2. (1.4)
Иначе говоря, падение напряжения под сбегающим краем щетки автоматически изменяется с изменением нагрузки. В этом и заключаются коммутирующие свойства щетки. Соответственно изменяется и характер кривой тока коммутации (рис. 1.5). Секция уходит в область перекоммутации при увеличении тока нагрузки или в область недокоммутации - при снижении нагрузки. На этом примере хорошо видна роль щетки в коммутационном процессе. Многолетняя практика настройки и эксплуатации электрических машин постоянного тока позволила сделать вывод о том, что при регулировании частоты вращения в широких пределах на низких ступенях имеет место недокоммута-ция, а на высоких - перекоммутация.
При разработке основ теории оптимальной коммутации произведены многочисленные расчеты по уравнению (1.1) на основании аппроксимаций реальных вольт-амперных характеристик щеточного контакта, получившие затем убедительные экспериментальные подтверждения и на искусственных аппаратах, имитирующих коммутационный процесс, и на реальных машинах /9, 10/.
Коммутирующая ЭДС, необходимая для обеспечения оптимального характера коммутации екопг, при регулировании частоты вращения изменяется непропорционально ее изменению (рис. 1.6). Реальная же коммутирующая ЭДС ек, напротив, пропорциональна частоте вращения. Взаимное расположение этих кривых таково, что их соответствие возможно лишь в одной точке т (практически-в некоторой ограниченной области в пределах точки т).
Таким образом, при малых частотах вращения реальная коммутирующая ЭДС оказывается меньше необходимой для оптимального завершения коммутации. Машина уходит в область недокоммутации. Превалирующее влияние в уравнении баланса ЭДС в этом случае оказывает щеточный контакт e -lfAU.-AUJdt. (1.5)
При высоких скоростях вращения основным фактором оказывается реактивная ЭДС. Влияние щетки с возрастанием частоты вращения значительно снижается. Своеобразно влияет на коммутацию регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения, к которым относится ТЭД. В этих двигателях с уменьшением частоты вращения увеличивается ток якоря и наоборот. Таким образом, на коммутацию ТЭД оказывают влияние одновременно и в разных направлениях два фактора.
Однако расчеты и эксперименты показывают, «что расстройство коммутации при изменении тока нагрузки в смысле нарушения оптимальности режима обычно в реальных условиях не проявляется столь резко, как это имеет место при регулировании скорости вращения якоря» /10/. Влияние второго фактора обычно проявляется более существенно.
Многочисленными исследователями, занимавшимися отдельными вопросами теории и практики коммутации коллекторных машин, отмечалась неравномерность процесса искрения, указывалось на большое число разнообразных факторов, так или иначе влияющих на коммутацию и определяющих тем самым интенсивность и характер искрения в щеточном контакте в каждый данный момент времени. Искрение непрерывно изменяется во времени как по своей интенсивности, так и по месту локализации.
В монографии профессора М. Ф. Карасева /5/ обобщены разрозненные данные и заключения различных исследователей, работавших в области коммутации коллекторных электрических машин. На основании анализа большого количества экспериментального материала автор убедительно показал, что процесс искрения определяется большим числом различных факторов и непрерывно изменяется во времени. В частности, он говорит: «...в реальных машинах всегда будут наблюдаться различия в протекании коммутационных процессов в секциях якорной обмотки и степень этого различия зависит от весьма большого количества факторов, но она будет достаточно ощутимой даже в тех случаях, когда коллектор обработан с обеспечением самых ничтожных отступлений от правильной формы и при очень хорошей притирке щеток».
Следует отметить, что многообразие причин сопровождается к тому же непрерывным изменением их как во времени, так и по совокупности. Большинство этих причин и их комбинаций носит случайный характер. Следовательно, и сам процесс искрения является случайным.
Применение аппарата математической статистики и теории случайных процессов открывает широкие возможности для обобщения экспериментальных данных и более детального анализа состояния коммутации реальных электрических машин в эксплуатационных условиях.
Одним из проявлений случайности процесса искрения является так называемая неидентичность коммутационных циклов - даже на искусственных аппаратах, воспроизводящих коммутационный процесс одной и той же секции, каждый коммутационный цикл не является полной копией предыдущего.
В значительно большей степени неидентичность коммутационных циклов проявляется при наблюдении коммутации реальных машин в эксплуатационных условиях. Применение в экспериментальных исследованиях приборов, позволяющих контролировать интенсивность искрения щеток на каждой коллекторной пластине, показывает, что в любой машине при общей настройке, например, на оптимальную коммутацию, всегда находятся как пере- так и недо-коммутированные секции. Профессор М. Ф. Карасев отмечал: «Неидентичность коммутационных циклов по всему коллектору является следствием большого количества факторов, к числу которых относятся: вибрация щеток, несимметрия электрических и магнитных цепей машины, различные условия взаимоиндукции между отдельными секциями якорной обмотки и, наконец, неоднородность микрорельефа коллектора»
Параметры контроля работоспособности, диагностические параметры и предъявляемые к ним требования
Коллекторно-щеточный узел МПТ как объект диагностирования может находиться в одном из состояний, образующих множество состояний W, которое можно разбить на следующие подмножества: А - исправные технические состояния, при которых значения всех структурных и выходных параметров находятся в допустимых пределах и, следовательно, КЩУ функционирует нормально; Bt - неисправные технические состояния, соответствующие выходу хотя бы одного структурного или выходного параметра за допустимые пределы. С другой стороны, множество состояний КЩУ может быть разделено на подмножества: E - работоспособные состояния, при которых большая часть основных структурных и выходных параметров находится в допустимых пределах и КЩУ выполняет заданные функции; D - отказы - состояния КЩУ, заключающиеся в потере его работоспособности.
Неисправное состояние КЩУ нельзя отождествлять с отказом, так как неисправности могут и не приводить к полной утрате работоспособности. В свою очередь работоспособный КЩУ может быть как исправным, так и неисправным, а исправный - всегда работоспособен. Неисправный КЩУ может быть как работоспособным, так и отказавшим, а отказавший - всегда неисправен. Связь рассмотренных состояний можно проиллюстрировать выражениями: AvB=W\ E\JD = W\ АСЛВ = 0; Е п D = 0; (2.10) ВглЕ = С; A JG\JD=W, (2.11) где G- подмножество неисправных, но работоспособных состояний.
При решении основной задачи технического диагностирования — определении работоспособности объекта - необходимо определить принадлежность текущего состояния КЩУ к одному из подмножеств состояний A, G, D- При этом если текущее состояние КЩУ соответствует подмножеству А, принимается решение — «годен без ограничений»; если подмножеству G - «годен с ограничениями»; если подмножеству D - «не годен».
В случае принадлежности состояния подмножествам G или D приходится решать задачу диагностирования, т. е. локализации неисправностей, распознавания дефектов.
Таким образом, при организации двухуровневого диагностирования необходимо выявить некоторое множество И - параметров контроля работоспособности и множество В - диагностических параметров, удовлетворяющих следующим требованиям /21/.
1. Множество Н параметров контроля работоспособности должно охватить параметры тех свойств функционирования, от нарушения которых зависит работоспособность КЩУ, а множество В должно содержать информацию обо всех возможных дефектах.
2. В множества Н и В необходимо включать минимальное число элементов, наиболее чувствительных к нарушениям свойств и к дефектам, свойственным режимам функционирования КЩУ.
3. Эти параметры должны быть доступны для контроля и наблюдения без разборки объекта; время, затрачиваемое для их контроля, должно быть наименьшим, стоимость контроля - минимальной.
4. Элементы множества Я должны обладать достаточной разделительной способностью, для принятия решения о состоянии объекта «годен - не годен». Разделительная способность элементов множества В должна обеспечивать распознавание дефектов, т. е. решение задачи диагностирования.
Для построения модели КЩУ МПТ, как и для другого сложного объекта диагностирования, на первом этапе необходимо выбрать наиболее общие свойства функционирования, которые затем должны быть связаны в единую систему. КЩУ является преобразователем энергии, у которого затруднительно выделить конструктивные функционально самостоятельные части и соответствующие входы и выходы. В таком случае достоверная граф-модель может быть получена только в результате анализа причинно-следственных связей между параметрами и свойствами объекта.
Процесс коммутации машины постоянного тока можно представить как динамическую систему, параметры которой под воздействием различных факторов могут изменяться в процессе работы. Это может привести к нарушению условий коммутации и появлению искрения на сбегающем крае щетки.
В общем случае коммутация описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка (1.1), которая была учтена при построении первоначальной граф-модели коллекторно-щеточного узла МПТ (рис. 2.2). Кроме того, в этой граф-модели отражена возможность появления кругового огня на коллекторе при возникновении неблагоприятных потенциальных условий.
Первоначальная модель является основой для построения конкретизированной первичной модели (рис. 2.3), которая получается путем дополнения модели множеством F — параметров функционирования КЩУ, выявленных в результате проведенного в первой главе анализа разнообразных факторов, так или иначе влияющих на коммутацию и определяющих тем самым интенсивность и характер искрения в щеточном контакте.
Поскольку неидентичность коммутационных циклов определяется не только явлениями, присущими преобразованию энергии в машинах постоянного тока, но и определенными технологическими отклонениями, возникающими при изготовлении машины, первоначальная модель дополнена множеством Е -структурных параметров, а также элементами, отображающими возможные неисправности, обусловленные теми или иными дефектами. Перечень параметров граф-модели и обозначение ее вершин приведены в табл. 2.1.
Список возможных дефектов (см. табл. 2.1) сформирован по данным статистики и на основе теоретического анализа влияния различных факторов на состояние коммутации МПТ. Совокупность элементов такой статистики образует множество дефектов D={d\, ... dp}, подлежащих распознаванию.
Граф-модель КЩУ в пространстве параметров содержит множество вершин X, обусловленных замыканием [М] множества внутренних параметров М. Операция замыкания множества М обусловливает в граф-модели наличие параметров других объектов, узлов МПТ и параметров внешней среды - входных параметров к є К. В рассматриваемой граф-модели КЩУ это /а, /а, Св и Сг. От их значения зависит протекание процесса функционирования объекта.
Методы и устройства бесконтактного контроля профиля коллектора
Для определения профиля коллектора оптическим методом /98/ коллектор освещается источником света через диск с прорезями. Кинокамера фиксирует увеличенные изображения краев ламелей, соответствующие их динамическим смещениям- Точность определения микрорельефа коллектора зависит только от характеристик оптического измерителя.
При стробоскопическом методе контроля профиля коллектора используется лампа световых импульсов строботахометра /99/, Частота световых импульсов синхронизируется со скоростью вращения коллектора, что позволяет вести наблюдение за поверхностью коллектора, кажущейся неподвижной вследствие стробоскопического эффекта.
Для определения перепада между двумя соседними коллекторными пластинами может применяться микроинтерферометр Линника /100, 101/,
Принцип лазерного сканирования контролируемого объекта использован в лазерных профилометрах /101,102/, предназначенных для контроля состояния коллектора и основанных на методе точной фокусировки, триангуляционном и дифракционном методах.
Оптический метод отличается высокой помехоустойчивостью, быстродействием, точностью и локальностью контроля. Однако он требует дорогостоящего и громоздкого оборудования, что не позволяет производить измерения непосредственно на работающих машинах.
В радиолокационных преобразователях перемещений в качестве излучателей используются открытые концы волноводов, энергия в которые поступает от генератора сантиметровых или миллиметровых волн /101, 103 - 105/. Об измеряемом перемещении судят по мощности, поглощаемой поверхностью, либо по разности фаз волны, отраженной от поверхности коллектора, и радиолокационный метод волны, отраженной от неподвиж ной отражающей поверхности. Эскиз устройства, содержащего системы волноводов, выполненных в виде Т-образного моста типа «двойной тройник» /103/, изображен на рис.3.5.
Чувствительность и разрешающая способность приборов, использующих принцип отражения радиоволн, повышается с уменьшением длины волны. Однако несмотря на различные усовершенствования этот метод контроля профиля коллектора обладает низкой разрешающей способностью и локальностью, а также имеет большую чувствительность к электрофизическим свойствам измеряемого зазора и контролируемой поверхности. Кроме того, широкому распространению этого метода препятствует сложность изготовления и обслуживания прибора, обусловленная спецификой сверхвысокочастотной техники.
В качестве измерительного электрода в емкостных преобразователях используется металлическая пластина, устанавливаемая ребром к цилиндрической поверхности коллектора и являющаяся частью колебательного контура измерительного высокочастотного генератора /106-108/, При изменении расстояния между коллектором и электродом изменяется емкость датчика, а следовательно, и частота измерительного генератора. Локальность контроля обеспечивается применением фокусирующих экранов. Емкостные преобразователи имеют высокую чувствительность и разрешающую способность. Положительным качеством является также простота изготовления емкостного датчика. Однако зависимость показаний от диэлектрической проницаемости зазора, политуры и от внешних электрических полей, а также нелинейность характеристик препятствуют применению емкостных преобразователей для контроля профиля коллектора работающих машин.
Электростатические преобразователи /109/ реализуют метод электростатической индукции (наведенных токов) и состоят из двух электродов, один из которых является измерительным, а другой имеет электростатический зарял и располагается между контролируемой поверхностью и измерительным электродом- По сравнению с емкостными эти преобразователи имеют несколько лучшую линейность характеристики преобразования, но более высокую зависимость выходного сигнала от диэлектрической проницаемости зазора и политуры, а также от внешних электрических полей, что исключает применение электростатических преобразователей для контроля поверхности коллекторов электрических машин, работающих в номинальных режимах. 3.2.5. Наиболее широкое применение для измерения профиля коллекторов в статическом и динамическом режимах, а также для контроля вибраций токопроводящих поверхностей находят вихретоковые преобразователи /110-119/.
Высокочастотный ток генератора, протекая по обмотке возбуждения 1 вихретокового датчика (рис. 3.6) /117/, создает в его сердечнике 2 магнитный поток, который встречает на пути большое реактивное магнитное сопротивление медной вставки 3 и излучается из щели экрана 4, создавая линейно-протяженную локализованную зону контроля. При попадании в эту зону коллекторной пластины в ней наводятся вихревые токи, поле которых, взаимодействуя с возмущающим полем датчика, изменяет его выходной сигнал, снимаемый с измерительной обмотки 5, на величину вносимого напряжения.
Локальность контроля вихретоковых датчиков достигается концентрацией поля, взаимодействующего с объектом контроля, путем применения разрыва магнитопровода, короткозамкнутого витка, охватывающего отдельный участок магнитопровода, медных вставок и фокусирующих экранов /111-118/. Линеаризация характеристики вихретокового преобразователя, а следовательно, и увеличение точности измерения осуществляются включением в схему прибора функционального преобразователя кусочно-линейной аппроксимации /116А
Способ объективной оценки интенсивности искрения при наличии неидентичности коммутационных циклов
Таким образом, сигналы уставки лоп и (?г )йап используемые для контроля уровня искрения при приемо-сдаточных испытаниях электрических машин, можно определить по известным законам распределения zm и ггг, соответствующим степени искрения по ГОСТ 183-74, задаваясь значением брнк Поскольку для машин постоянного тока недопустим повышенный износ как щеток, так и коллекторных пластин, при определении сигналов уставки можно принять равенство:
Предлагаемый способ оценки интенсивности искрения реализован в приборе контроля качества коммутации ПКК-РП, внешний вид которого приведен на рис. 4.9. В качестве диагностического сигнала в приборе используется напряжение с разнополярных щеток, содержащее информацию об искрении всех бракетов исследуемой машины. Функциональная схема прибора ПКК-РП /159/ изображена нарис. 4.10.
Прибор контроля коммутации состоит из входного устройства 1, блока преоб разования 2, блока сравнения и индикации 3. Блок преобразования 2 содержит генератор тактовых импульсов 4, к выходу которого подключены один из вхо дов микропрограммного автомата 6 и последовательно соединенные схема сов падения 5 и двоично Прибор контроля коммутации ПКК-РП десятичный счетчик 7 К выходу счетчика 7 присоединены цифровой компа- ратор 8 и регистр памяти 9.Вторые Рис. 4.9 падения 5 и микропро-. ) граммного автомата 6 объединены и подключены к входному устройству 1 .
Второй вход компаратора 8 подключен к выходу регистра памяти 9, второй вход которого присоединен к выходу компаратора 8. Блок сравнения и индикации 3 состоит из последовательно соединенных задатчика уставок 10, цифрового компаратора ІI, индикатора 12. Вторые входы компаратора 11 и индикатора 12 объединены и подключены к регистру памяти 9.
Входное устройство 1 предназначено для выделения из диагностического сигнала импульсов искрения и формирования прямоугольных импульсов, длительность которых соответствует длительности импульсов искрения. Принпип действия и функциональная схема входного устройства описаны в разд. 5. Генератор тактовых импульсов 4 - мультивибратор с кварцевой стабилизацией частоты 10 МГц. Схема совладения 5 и генератор 4 осуществляют преобразование каждого выделенного импульса искрения длительностью г в периодическую последовательность импульсов, количество которых mj = Fu Tj (4.31) где F0 - частота следования тактовых импульсов генератора. Рис. 4.10 При измерении средне инте фал ьного значения длительности импульсов искрения тт двоично-десятичный счетчик 7 подсчитывает число импульсов К7, поступающих на его вход за заданный интервал измерения Т: KT=I,FOT,=MTF,=TTTF0, (4.32) 7=J где N — число импульсов искрения па йремя Т. При определении среднего значения длительности г интервал измерения зависит от задаїшого значения объема выборки NB. В этом случае счетчик 7 подсчитывает число импульсов Следовательно, показания двоично-десятичного счетчика 7 соответствуют оценкам среднего и средпеинтеграпьного значений длительности импульсов искрения, причем показатели степени (- 7 и - (а + 7)) определяют положение запятой на индикаторе.
При измерении максимальной длительности импульсов искрения число импульсов т подсчитанных счетчиком 7, сравнивается в цифровом компараторе 8 с результатом предыдущего измерения, хранящегося в регистре памяти 9. Если результат измерения больше предыдущего, то он записывается в регистр 9 и т. д. По истечении заданного интервала времени результат измерения максимальной длительности импульса искрения помещается в регистр памяти. Для устранения влияния случайных помех максимальная длительность импульсов искрения определяется как среднее из результатов измерений максимальной длительности импульсов искрения за десять интервалов времени.
Микропрограммный автомат 6 предназначен для формирования импульсов управления, задания интервалов измерения и времени индикации. Процесс измерения содержит три цикла: измерение средней, среднейнтегральной и максимальной длительности. Каждый цикл состоит из интервалов: измерение, перенос информации из счетчика 7 в регистр памяти 9, установка счетчика в исходное состояние.
Информация со счетчика по окончании каждого цикла измерения записывается в регистр памяти 9. Включение регистра в схему прибора позволяет исключить непрерывную смену информации на индикаторе во время измерения, а также использовать одни и те же элементы счетчика при измерении средней, среднеинтегральной и максимальной длительности импульсов искрения.
