Совершенствование метода оценки механической и электроэрозионной составляющих износа коллектора тяговых электродвигателей

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].

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.

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).

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

Таблица 2 – Результаты оценки механической составляющей износа коллектора

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.

обмотки якоря в пазу, играет электроэрозионная составляющая износа.

Аппроксимируем кривые, ограничивающие фигуры электроэрозионного износа коллекторной пластины кубическим сплайном вида:

(5)

(6)

где

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

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

Таблица 6 – Результаты вычислений при интенсивности искрения 1 ¼ балла

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Пирумов У. Г. Численные методы: Учеб. пособие для студ. втузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2003. – 224 с.: ил.