CC BY
108
УДК 629.4.02
С. Г. ШАНТАРЕНКО В. Ф. КУЗНЕЦОВ Е. В. ПОНОМАРЕВ В. А. ТАРАНЕНКО
Омский государственный университет путей сообщения
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА В КОНТАКТЕ «ЩЕТКА-КОЛЛЕКТОР» ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС6
Работоспособность тяговых электродвигателей постоянного тока во многом определяется надежностью коллекторно-щеточного узла. В статье приведены результаты моделирования контактного взаимодействия «щетка-коллектор» в тяговом электродвигателе электровоза 2ЭС6. Рассмотрено влияние конструктивных особенностей щеткодержателя, условий и режимов эксплуатации на площадь контакта «щетка-коллектор» и качество коммутации. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены рекомендации и технические решения по повышению качества токосъема в контакте «щетка-коллектор» и обеспечению эксплуатационной надежности тяговых электродвигателей.
Ключевые слова: тяговый электродвигатель постоянного тока, коллекторно-щеточный узел, площадь контакта, качество токосъема, конструкция щеткодержателя.
Работа коллекторно-щеточного узла (КЩУ) предопределяет эксплуатационную надежность тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока [1]. На техническое состояние коллекторно-щеточного узла воздействуют две группы факторов: электрической и механической природы [2]. Электрические факторы определяются настройкой коммутации, маркой щеток, асимметрией в магнитной системе и расстановкой щеткодержателей по окружности коллектора, положением щеток относительно геометрической нейтрали, площадью контакта щеток с коллектором и др.
Не менее важным является влияние механических факторов, таких как балансировка якоря и коллектора, монолитность коллектора и качество его обработки, техническое состояние щеткодержателей и давление щеток на коллектор, воздействие внешней и собственной вибраций, динамические удары, связанные с переменным характером нагрузки, и др.
Условия коммутации ТЭД в целом определяются совокупностью условий контактирования щеток с каждой коллекторной пластиной [3]. Одним из важных параметров механики контакта в КЩУ является наработка «зеркала» на рабочей поверхности щеток. Характер распределения тока в щеточном контакте в большей степени зависит от притер-тости щетки к коллектору, качества его обработки и состояния политуры. Кроме указанных факторов, распределение тока в щеточном контакте в значительной степени зависит от силы нажатия на щетку и места приложения этой силы.
Таким образом, на качество работы КЩУ оказывает влияние как коммутирующая способность щеток (вольт-амперная характеристика), так и состояние рабочей поверхности коллектора [4].
Качество обработки коллектора имеет важное значение. При уменьшении шероховатости коллекторных пластин число точек непосредственного контакта щетки с коллектором увеличивается, что приводит к снижению фактической плотности тока в контакте. Наряду с этим улучшаются условия механического взаимодействия коллектора и щеток [5].
Анализ отказов тяговых электродвигателей ЭДП-810 электровоза 2ЭС6 указывает на весьма существенное влияние технического состояния КЩУ на работоспособность ТЭД и колесно-моторного блока в целом. Основные причины неисправностей ТЭД можно распределить на две группы:
— электрический пробой и заниженное значение сопротивления изоляции обмоток (68 % от общего количества неисправностей);
— нарушения в работе коллекторно-щеточного узла (32 % от общего количества неисправностей).
По данным сервисного локомотивного депо Московка за 2015 год зафиксирован 81 случай неплановых ремонтов тяговых электродвигателей, связанных с нарушениями в работе КЩУ, что составляет 20,8 % от общего количества неплановых ремонтов.
Выявлен повышенный износ электрических щеток ЭГ61А, причем средний пробег до достижения минимально допустимой высоты щетки составляет 75 тыс. км. Щетки этой марки имеют глубоко
Рис. 1. Конструкция щеткодержателя ТЭД электровоза 2ЭС6
Рис. 2. Расчетная схема
утопленные в тело медные шунты, что при предельном износе приводит к повреждениям коллектора. Отдельные партии электрических щеток имеют разброс размера амортизатора в интервале 20,5 — 21,0 мм при ширине окна щеткодержателя 20 мм, что в процессе эксплуатации приводит к зависанию щеток с последующим срабатыванием защиты на электровозе и отключением ТЭД. Систематически выявлялись случаи неравномерного износа и перекоса щеток в окнах щеткодержателей.
Щеткодержатель тяговых электродвигателей ЭДП-810 электровозов серии 2ЭС6 (рис. 1) представляет собой корпус 2, в окна которого вставлены две разрезные щетки 4. Нажатие на щетки обеспечивается плоскими хвостовиками 3 спиральных пружин. Спиральные пружины расположены на оси, зафиксированной в корпусе щеткодержателя при помощи шплинта.
Особенностью конструкции щеткодержателя тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6 является изменение места приложения силы давления пружины: с ближнего к пружине края щетки на дальний край по мере износа щетки. Это приводит к неравномерному распределению давления хвостовика прижимной пружины по поверхности щетки, что вызывает неравномерный износ щеток и уменьшение фактической площади контакта «щетка — коллектор».
Тяговые электродвигатели электровозов работают в реверсивном режиме. В технологической документации по техническому обслуживанию и ремонту ТЭД для коллекторно-щеточного аппарата устанавливаются допуски на размеры окон щеткодержателей как по ширине, так и по длине [6]. В связи с этим имеет место зазор между щеткодержателем и щеткой, в результате чего щетка в процессе работы может быть установлена на коллекторе с перекосом. Для тяговых электродвигателей
электровозов 2ЭС6 дополнительное неблагоприятное воздействие на расположение щетки в окне щеткодержателя оказывает неравномерное распределение давления прижимной пружины по поверхности щетки, обусловленное конструктивной особенностью щеткодержателя.
Все это может привести к тому, что набегающий край щетки изнашивается быстрее сбегающего, который в результате принимает остроугольную форму. После реверсирования тягового электродвигателя край щетки, который был сбегающим, становится набегающим и образовавшаяся ранее остроугольная кромка начинает скалываться. Происходит засорение межламельных канавок угольными частицами (замыканию соседних коллекторных пластин между собой), на коллекторе возникает искрение, которое может повлечь за собой отказ ТЭД в эксплуатации.
Немаловажным фактором, влияющим на неравномерный износ щеток, является удлинение тяговых плеч электровозов 2ЭС6 (до 900—1000 км). В данном случае даже при минимальных зазорах между щеткой и корпусом щеткодержателя происходит неравномерный износ набегающего и сбегающего краев щеток вследствие длительного вращения электродвигателя в одну сторону. В результате чего после изменения направления движения локомотива происходят явления, подобные вышеописанным.
Одной из основных причин отказов ТЭД является неудовлетворительная работа КЩУ, приводящая к нарушению процесса токосъема [7]. На условия токосъема оказывают существенное влияние геометрические параметры контактирующих поверхностей щеток и пластин коллектора (площадь контакта). Так как щетка является активным элементом коммутационного процесса, то уменьшение площади ее фактического контакта с коллектором приводит к увеличению плотности тока и, как следствие, к повышенному искрообразованию при коммутации секции обмотки якоря.
Величина неравномерного износа щетки определяется размерами площадки контакта между щеткой и коллектором, которая в основном зависит от двух факторов: характера неровности (количество и высота неровностей) в области контакта «щетка — коллектор», а также от значения и направления прижимающей силы хвостовиков спиральных пружин щеткодержателя.
Влияние параметров конструктивных элементов коллекторно-щеточного узла на фактическую площадь контакта «щетка — коллектор» рассмотрим по расчетной схеме (рис. 2).
При обработке рабочей поверхности коллектора на ней появляются микронеровности, размер и количество которых определяются качеством обточки.
На одну неровность на коллекторной пластине приходится нагрузка [8]
Р =
(1)
где N — прижимающая сила хвостовика спир аль -ной пружины щеткодержателя; п — количество неровностей по длине коллекторной пластины (зависит от качества обточки коллектора при ремонте ТЭД); ¡пл — длина ко ллекторной пластины; ащ — длина щетки.
Нагрузка Р распределяется по площади контакта щетки (плоскость) и неровности коллекторной
па
пластины (цилиндр), которая является прямоугольной с шириной
Ь = 4л/Р (И + к2 бУ
(2)
где Я — высота неровности; 1 — длина площадки контакта; к1, к2 — коэффициенты, зависящие от упругости материала (соответственно щетки и коллекторной пластины), рассчитываемые по формуле [9]:
1 -кК
Е,
(3)
т Пт
к пр '
(4)
нр
. / ск
Б,
(5)
НТ =41л1Р(41+к2)Я-тщ
(6П
/ д-
н/ки
тоиси + к2
Рлн П л
Ш1П*
1 +па„Т(к1 + к2 )т„1
(7)
Тогда *актическая птоща,* котпакта «щетка — коллектор», четтз дотонуто будет прободить токосъем,
В,
4пЧщ ¡РТО +к2 (.
(8)
При достижении усвдвия I д -
о,„
тгск
Т д
ко Б
(9)
Рис. 3. Зависимость площади контакта «щетка—коллектор» от длины площадки контакта
где р. — коэффициент Пуассона; Е. — модуль упруго сти материала.
Для оценки величины ичноса контактирующих пот ерхностей необходимо найти длину 1 площадки к ( ктакта между щеткой и коллекторной пластиной. 1
Интенсивный износ материала контактирующих по4ерхностей иреператится при условии [10]
где т — кьсательное напряжение на площадке кон-тоича; ипр — предельное касательное напряжение разрушения более мягкого контактирующего маде-риала.
Касательное напряжение на пто щадке контакта
[1Т]
где /ск — коэффициент тр4нчя сио+ожтния щетки оо коллекторной планчине;
5=Ь •1 — площадь контакта щеоки и одной неровности коллекторной пластитд1. При условии д = г
1 ^ к пр
Из уравненид (6) полугаем знаотнит длины площадки контакт/, т»и которту зако/чтвается интен-сивньш иднос маор+иало гттот»;
длина площадки контакта дотттгнет максимального значения (где Ьщ — ширина щевки; о — уголгауора мтждр щеткой н корпустом щеткодержателя).
В д бщем виде идменении площади контакта «щетка — коллдктор» иожт о пр едставить как Б д Л41 (рис. 3).
Интенсивность мдханического изнашивания материала щетки зависит от величипеы касательного напряжения на площади отнт акта «щетка — коллектор»
1
Рис.4. Усовершенствованный щеткодержатель
При допустимом износе щетки по высоте сила N остается постоянной, коэффициент Пск также яв-ляттся постоянной величиной. Тогда величина касательного натряжения, а значит, и интенсивность изнашивадия щетки будут определяться фактической площадью контакта щетки с коллектором. Чем меньше 5,, тем больше т и выше интенсивность
ф кщ
игнашивтния материала щетки.
Полученная математическая модель показывает, что при работе коллекторно-щеточного узла ТЭД электровоза 2ЭС6 влияние на фактическую площадь контакта «щетка — коллектор» оказывает конструктивная особенность щеткодержателя, приводящая к неравномерному распределению давления хвостовика прижимной пружины по поверхности щетки, качество обработки коллектора при ремонте (количество и высота неровностей на его поверхности), а также физико-механические свойства щеток и коллекторных пластин [12].
Для обеспечения равномерного распределения давлдния хоотообика прижимной пружины по поверхности щетки, повышения стабильности площади контакта и качества токосъема в контакте «щетка — коллектор» предложена усовершенствованная конструкция щеткодержателя [13] (рис. 4), включающая корпус 1 с окнами, в которые вставлены две разрезные щетки 2, ось 5, зафиксированную в корпусе при помощи шплинта, на которую насажены два фиксатора 3 и спиральные пружины 4.
Хвостовики спиральных пружин выполнены в виде полуокружности 6, поэтому давление происходит в пределах центральной части щеток на всем диапазоне их допустимого износа по высоте. Это обеспечивает равномерное распределение давления хвостовика прижимной пружины по поверхности щетки и стабильность фактической площади контакта «щетка — коллектор».
Щеткодержатель устанавливается на траверсе. При необходимости смены щеток хвостовики поднимаются и зацепляются смещением в сторону
79
за один из зубьев соответствующих фиксаторов. После смены щеток хвостовики обратным движением снимаются с фиксаторов и возвращаются в рабочее положение.
В щеткодержателе тягового электродвигателя ЭДП-810 электровоза 2ЭС6 в связи с неравномерным распределением давления пружины на щетку по мере притирки щетки к коллектору фактическая площадь контакта «щетка — коллектор» будет изменяться от 5 до 5 (рис. 3), а значит, и будет изме-
нач ^ тах '
няться интенсивность изнашивания щетки: вначале она будет максимальной, а затем придет к нормативному значению, определенному в документации на данную марку щеток. В щеткодержателе предложенной конструкции фактическая площадь контакта щетки с коллектором остается практически постоянной на всех режимах работы ТЭД, близкой к 5 . При этом интенсивность изнашивания мате-
тах
риала щетки будет также практически постоянной, соответствующей данной марке щетки.
Предложенный щеткодержатель позволяет повысить качество токосъема в коллекторно-щеточ-ном узле тягового электродвигателя посредством обеспечения равномерного распределения давления хвостовика прижимной пружины по поверхности щетки, повышения стабильности площади контакта и снижения интенсивности механического изнашивания щеток, что приведет к улучшению работы ТЭД в эксплуатации и повышению работоспособности колесно-моторных блоков электровозов 2ЭС6.
7. Шантаренко, С. Г. Термодинамические процессы в тяговом электродвигателе / С. Г. Шантаренко, Д. Ю. Белан, А. А. Лаптев, Е. В. Пономарев // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения : научн.-техн. журн. — 2011. — № 1. — С. 67-72.
8. Шантаренко, С. Г. Контактное взаимодействие на коллекторе и теплоэнергетические процессы в цепи якоря тягового электродвигателя / С. Г. Шантаренко, Д. Ю. Белан, А. А. Лаптев // Вестник транспорта Поволжья : науч.-техн. журн. - 2009. - № 1 (17). - С. 55-62.
9. Кузнецов, В. Ф. Динамическое взаимодействие упругих тел / В. Ф. Кузнецов, С. Г. Шантаренко, Е. В. Пономарев // Повышение динамических качеств подвижного состава и поезда : межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - С. 78-82.
10. Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов / Е. Н. Маслов. - М. : Машиностроение, 1974. - 320 с.
11. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. - М. : Машиностроение, 1977. - 526 с.
12. Шантаренко, С. Г. Особенности токосъема в коллек-торно-щеточном узле тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6 / С. Г. Шантаренко, В. Ф. Кузнецов, О. Д. Юрасов // Известия Транссиба. - 2015. - № 2 (22). - С. 53-58.
13. Пат. 157382 РФ, МПК Н 01 Я 39/40. Щеткодержатель для тягового электродвигателя / С. Г. Шантаренко, В. Ф. Кузнецов, О. Д. Юрасов ; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2015116564/07 ; заявл. 29.04.2015 ; опубл. 27.11.2015, Бюл. № 33.
Библиографический список
1. Захаров, В. И. Повышение эксплуатационной надежности тяговых электрических машин магистральных электровозов / В. И. Захаров ; под ред. А. Т. Осяева // Повышение ресурса тяговых электродвигателей : сб. докл. и сообщ. науч.-техн. конф. - М., 2004. - С. 32-36.
2. Карасев, М. Ф. Коммутация коллекторных машин постоянного тока / М. Ф. Карасев. - М. : Энергия, 1961. - 224 с.
3. Толкунов, В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока / В. П. Толкунов. - М. : Энергия, 1979. -224 с.
4. Авилов, В. Д. Оптимизация коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах постоянного тока : моногр. / В. Д. Авилов. - Омск, 2013. - 356 с.
5. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллек-торно-щеточного узла тяговых электродвигателей / Д. Ю. Бе-лан, В. М. Лузин // Известия Транссиба. - 2010. - № 4 (4). -С. 6-11.
6. Техническое обслуживание и ремонт тягового электродвигателя ЭДП-810 электровоза 2ЭС6. Технологическая инструкция. ПКБ ЦТ.25.0146. - 2012. - 137 с.
ШАНТАРЕНКО Сергей Георгиевич, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава, проректор по научной работе.
КУЗНЕЦОВ Виктор Федорович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры высшей математики.
ПОНОМАРЕВ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, начальник научно-исследовательской части.
ТАРАНЕНКО Виктор Александрович, аспирант кафедры технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава.
Адрес для переписки: nauka@omgups.ru; шсИ@ omgups.ru
Статья поступила в редакцию 26.08. 2016 г. © С. Г. Шантаренко, В. Ф. Кузнецов, Е. В. Пономарев, В. А. Тараненко
Книжная полка
621.311/В92
Выпускная квалификационная работа бакалавра по проектированию систем электроснабжения промышленных объектов : учеб. пособие / В. К. Грунин [и др.] ; под общ. ред. В. К. Грунина. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 155 с.
Изложены требования к оформлению выпускной работы, описаны структура и этапы разработки ВКР по программе бакалавриата. Подробно рассмотрены вопросы оформления расчетно-пояснительной записки и графического материала, приведен пример выполнения ВКРБ. Изложены требования к подготовке выпускной работы к защите, описана процедура защиты в ГЭК. Предназначено для студентов вузов очной и заочной форм обучения по программе бакалавриата и направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
