Совершенствование метода оценки механической и электроэрозионной составляющих износа коллектора тяговых электродвигателей

Сергеев, Роман Владимирович; Харламов, Виктор Васильевич; Ерошенко, Александра Викторовна; Шкодун, Павел Константинович; Долгова, Анна Владимировна

Коллекторно-щеточный узел тягового электродвигателя (ТЭД) – один из наиболее ответственных в эксплуатации узлов, от качества работы которого, в целом, зависит надежность и рентабельность работы железнодорожного транспорта. В процессе эксплуатации ТЭД изнашиваются элементы коллекторно-щеточного узла. Определение износа пары трения является задачей достаточно трудоемкой, требующей временных и финансовых затрат. Ввиду того, что измерение износа коллектора ТЭД связано с разборкой электродвигателя, не все существующие методы измерения износа могут быть применимы. Среди известные методов, наиболее приемлемыми являются метод микрометрических измерений, визуально-оптический и шаблонный [1, с. 63 – 69].
Для оценки износа коллектора условно выделим две составляющие: механическую и электроэрозионную. На базе лабораторий ОмГУПС для проведения экспериментальных исследований, основываясь на положениях теории подобия и размерностей, создана установка, состоящая из двух машин постоянного тока, включенных по схеме взаимной нагрузки [2].

Рис. 1 – Схема распространения электроэрозионного износа ламели коллектора

Как известно, последняя секция в пазу коммутирует в наиболее сложных условиях, таким образом, вероятность образования дугового искрения значительно возрастает. Ламели коллектора, подключенные к этим секциям, помимо механического, подвергаются

электроэрозионному износу: при прохождении сбегающего края щетки над коллекторной пластиной, под воздействием искрения поверхностный слой металла выгорает, образуя раковины, тем самым изменяя шероховатость контактирующих элементов, способствуя увеличению интенсивности механического изнашивания (рис. 1).
В конечном счете, выгорание ламели приводит к образованию кругового огня по коллектору и, как следствие, к отказу ТЭД.

Для оценки составляющих износа коллектора в лабораторных условиях проведены экспериментальные исследования, основываясь на положениях теории планирования эксперимента. При проведении эксперимента регистрировались профилограммы коллектора с помощью прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, разработанного на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС.

Рис. 2 – Схема расположения датчика прибора ПКП-4М над коллектором электродвигателя

Профилограммы коллектора регистрировались по следам щеток и базовой (нерабочей) поверхности (рис. 2).
Для оценки механической составляющей износа коллектора, исключим из расчета первую и вторую гармонические составляющие функции профиля коллектора [3]. Полученная профилограмма базового следа приведена на рис. 3.

1 – до испытаний; 2 – после 400 минут испытаний; 3 – после 670 минут испытаний

Рис. 3 – Профилограмма базового следа коллектора в холодном состоянии без учета первой и второй гармонической составляющей:

Для сопоставления полученных данных о высотах коллекторных пластин, с несинхронизированной точкой отсчета, использовался оригинальный программный продукт – ProfilShift, разработанный на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (рис. 4).

Рис. 4 – Внешний вид программы ProfilShift

Обозначим множество значений относительных высот ламелей коллектора базового следа в исходном состоянии как множество A_x,₀, множество значений выбранного для оценки износа следа – B_x,₀; множество значений относительных высот ламелей коллектора базового следа после проведения испытаний как множество A_x,m, множество значений выбранного для оценки износа следа после проведения испытаний – B_x,m (рис. 5, 6).

1 – базовый след; 2 – первый след

Рис. 5 – Профилограмма следов коллектора в холодном состоянии до испытаний

1 – базовый след; 2 – первый след

Рис. 6 – Профилограмма следов коллектора в холодном состояниипосле 670 минут
испытаний

Для множеств A_x,₀ и B_x,₀, а также A_x,m и B_x,m найдем соответствующую разность, обозначив результат как множества С_x,₀ и С_x,m.
(1)
Для полученных множеств С_x,₀ и С_x,m также определим абсолютное значение разности:
. (2)

Полученное множество Δ_x,m значений содержит в себе два подмножества: E_x,k – механическую составляющую износа ламелей коллектора, соединенных с последними секциями в пазу и M_x,(x-n) – механическую составляющую износа.
Выделим пластины, присоединенные к последним секциям обмотки якоря в пазу из общего множества, тогда механическую составляющую износа данных ламелей коллектора определим следующим образом:
(3)
где – число ламелей, соответствующие последним секциям в пазу;
Δd – шаг ламелей, подключенных к последним секциям в пазу;
x – число ламелей коллектора;

E_x,k – значение электроэрозионной составляющей износа k-ой ламели.

В свою очередь, механическую составляющую износа определим:
(4)
где ;

M_x,i – значение механической составляющей износа i-ой ламели.

Применяя приведенный алгоритм (рис. 7) для математической обработки экспериментальных данных, получим значения составляющих износа коллектора (табл. 1, 2).

Таблица 1 – Результаты оценки электроэрозионной составляющей износа коллектора

Время испытаний	След 1, мкм	След 2, мкм	След 3, мкм
400 минут	1,37	1,39	0,87
670 минут	1,61	1,83	0,98

Таблица 2 – Результаты оценки механической составляющей износа коллектора

Время испытаний	След 1, мкм	След 2, мкм	След 3, мкм
400 минут	0,89	1,29	0,59
670 минут	1,55	1,35	0,64

Рис. 7 – Алгоритм определения износа коллектора

На основе предложенного алгоритма в среде Borland C++ Builder разработан программный продукт Wear 1.0 (рис. 8), позволяющий рассчитывать механическую и электроэрозионные составляющие износа коллектора ТЭД по полученным профилограммам до ремонта, после ремонта и после приемо-сдаточных испытаний.

Рис. 8 – Внешний вид программы Wear 1.0.

Таким образом, методом микрометрических измерений с применением прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, а также при помощи разработанного алгоритма определены механическая и электроэрозионная составляющие износа коллектора ТЭД. Из приведенных результатов следует, что механический износ значительно возрастает с увеличением электроэрозионной составляющей, но при этом преобладающую роль в износе ламелей ТЭД, подключенных к последним секциям

обмотки якоря в пазу, играет электроэрозионная составляющая износа.

Рис. 9 – Формирование импульса считывания датчика прибора ПКП-4М

Следует отметить, что ввиду краевых эффектов датчика прибора контроля профиля коллектора, затруднительно зафиксировать величину электроэрозионной составляющей износа коллектора в начальной стадии развития (рис. 9). В предложенной методике оценки износа коллектора особое внимание следует уделить оценке электроэрозионной составляющей. Помимо предложенного метода оценки износа возможно также использование визуально-оптического метода.

Известно, что электроэрозионному износу в значительной степени подвергаются пластины, присоединенные к последним секциям обмотки якоря в пазу. Следовательно, имея информацию о расположении данных пластин, возможно применение визуально-оптического метода измерения износа. Внешний вид коллектора после 670 минут работы представлен на рис. 10.

Рис. 10 – Внешний вид коллектора машины постоянного тока после 670 минут работы

Аппроксимируем кривые, ограничивающие фигуры электроэрозионного износа коллекторной пластины кубическим сплайном вида:
(5)
(6)
где

Рис. 11 – Аппроксимация кривой изменения интенсивности электроэрозионного износа коллекторной пластины по следу одной щетки кубическим сплайном

Достоинством выбранного способа интерполяции является отсутствие существенного отличия значений интерполяционного многочлена от значений интерполируемой функции между узловыми точками [4, с. 84 – 87]. Результаты аппроксимации приведем на рис. 11.

Получив функциональную зависимость кривой электроэрозионного износа коллекторной пластины, найдем площадь поверхности под ней:
(12)
Результаты вычислений сведем в табл. 4:

Таблица 4 – Результаты вычислений при интенсивности искрения 2 балла

	Ширина пластины, мм	Площадь электроэрозионного износа, мм²	Площадь зоны контакта, мм²	Отношение площадей, %
След 1	3,00	14,03	34,93	40
След 2	3,00	13,89	34,0	41
След 3	3,00	18,52	37,77	49

Таким образом, из результатов вычислений видно, что площадь пластины, подвергшейся электроэрозионному износу при уровне искрения 2 балла, составила около 50% от площади контакта щетки с коллекторной пластиной. Для сравнения приведем результаты вычислений при интенсивности искрения в 1 ½ балла и 1 ¼ балла (табл. 5, 6).

Таблица 5 – Результаты вычислений при интенсивности искрения 1 ½ балла

	Ширина пластины, мм	Площадь электроэрозионного износа, мм²	Площадь зоны контакта, мм²	Отношение площадей, %
След 1	3,00	11,87	34,93	34
След 2	3,00	10,2	34,0	30
След 3	3,00	12,46	37,77	33

Таблица 6 – Результаты вычислений при интенсивности искрения 1 ¼ балла

	Ширина пластины, мм	Площадь электроэрозионного износа, мм²	Площадь зоны контакта, мм²	Отношение площадей, %
След 1	3,00	6,46	34,93	19
След 2	3,00	7,14	34,0	21
След 3	3,00	8,5	37,77	25

Таким образом, из результатов вычислений видно, что площадь пластины, подвергшейся электроэрозионному износу при уровне искрения 1 ½ балла, не превышает 40% от площади контакта щетки с коллекторной пластиной, при уровне искрения 1 ¼ балла – не превышает 25% от площади контакта щетки с коллекторной пластиной.
Таким образом, основываясь на положениях теории подобия и размерностей, в лабораторных условиях создана экспериментальная установка и выполнены исследования процесса изнашивания коллектора модельной машины постоянного тока. По результатам исследований разработан алгоритм оценки механической и электроэрозионной составляющей, а также методика оценки электроэрозионной составляющей износа коллектора ТЭД.

Литература:

Куксенова Л. И. Методы испытания на трение и износ: Справ. изд. / Л. И. Куксенова, В. Г. Лаптева, А. Г. Колмаков, Л. М. Рыбакова – М.: «Интермет Инжиниринг», 2001. – 152 с.: ил.
Харламов В. В. Применение теории подобия при моделировании износа коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. Вып. 4(8). С. 57 – 62.
Стрельбицкий Э. К. Статистическая обработка профилограмм коллектора машин постоянного тока / Стрельбицкий Э. К., Стукач В. С., Цирулик А. Я. // Известия Томского политехнического института. – 1966. – Т.160. – С. 102 – 105.
Пирумов У. Г. Численные методы: Учеб. пособие для студ. втузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2003. – 224 с.: ил.

Совершенствование метода оценки механической и электроэрозионной составляющих износа коллектора тяговых электродвигателей

Библиографическое описание:

Похожие статьи

Совершенствование метода оценки состояния профиля коллектора машин постоянного тока

Совершенствование диагностирования подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей

Методика определения границы устойчивой работы осевого компрессора

Увеличение долговечности тяжелонагруженных деталей транспортных машин методом конвекционно-индукционной химико-термической обработки

Актуальные аспекты диагностирования вибрационных процессов механических систем в машиностроении

Метод визуализации и оценки вибрационных воздействий на верхние строения железнодорожного пути

Анализ закономерностей влияния запыленности воздуха на изменение геометрии лопаток и параметры ступеней осевого компрессора

Оценка качественных и энергетических показателей работы дискового плуга

Модель активного взаимодействия при нормальном воздействии рабочего органа землеройных машин на массив породы

Учет дискретно-распределенных параметров высоковольтной обмотки при расчете ультразвукового трансформатора