CC BY
43
9. Babich, V. M., Krygin A. N. Optimal'noe regulirovanie moshhnosti mnogoosnogo scepa v tjage Tezisy dokladov «Sostojanie i perspektivy razvitija jelektrovozostroenija v strane (Optimal power control of multi-axis coupling gear in the thrust) Abstracts of the «State and prospects of development of electric locomotive engineering in the country». Novocherkassk, 19916 pp. 12 - 13.
10. Sablin O. I., Artemchuk V. V. Snizhenie izbytochnoj moshhnosti tjagovogo sredstva vpro-cesse dvizhenija (Reduction of excess capacity of the traction means in motion). East European journal of advanced technologies, Kharkov, 2012, no. 6/8. - pp. 34 - 38.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Плаксин Алексей Владимирович
Западно-Сибирская железная дорога - филиал ОАО «РЖД».
Вокзальная магистраль, д. 12, г. Новосибирск, 630004, Российская Федерация.
Ведущий инженер Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД».
E-mail: Plaksin.av@mail.ru
Швецов Семен Васильевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-19
E-mail: 89040708125@yandex.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Plaksin Alexey Vladimirovich
The West Siberian railway - branch of JSC «RZD». 12, Vokzalnaya Magistral, Novosibirsk, 630004, the Russian Federation.
Leading engineer of the West Siberian railway -branch of JSC «RZD».
E-mail: Plaksin.av@mail.ru
Shvetsov Semen Vasilyevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Rolling stock of electric railways», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-34-19 E-mail: 89040708125@yandex.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Плаксин, А. В. Пути снижения расхода электрической энергии при эксплуатации пассажирских электровозов на равнинных участках железных дорог [Текст] / А. В. Плаксин, С. В. Швецов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2017. - № 1 (29). - С. 35 - 47.
Plaksin A. V., Shvetsov S. V. Ways to reduce electric power consumption in the operation of locomotives on flat sections of Railways. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 35 - 47. (In Russian).
УДК 621.313
В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
АЛГОРИТМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЩЕТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Аннотация. В данной статье приведены обобщенные результаты исследований изменения интенсивности изнашивания электрических щеток тяговых электродвигателей электровозов. На основании проведенных исследований сформирован алгоритм для прогнозирования ресурса работы щеток с учетом параметров режима работы электродвигателей. С целью повышения достоверности расчета составлены алгоритмы, позволяющие дополнительно учесть воздействие микрогеометрии коллектора на процесс работы щетки.
Ключевые слова: машина постоянного тока, коллекторно-щеточный узел, щетка, износ, прогнозирование.
Viktor V. Kharlamov, Denis I. Popov, Marsel F. Baysadykov
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, Russian Federation
THE ALGORITHM OF FORECASTING OF RESOURCE OF ELECTRIC
BRUSHES TRACTION MOTORS
Abstract. In this article the generalized results of researches of change of intensity of wear of electrical brushes in the traction motors of electric locomotives. On the basis of the conducted research the author proposes an algorithm to predict the operating life of the brushes, given the parameters of the operation. In order to increase the reliability of the calculation has been developed algorithms, which allow additionally taking into account the effect of the collector's surface.
Keywords: DC machine, commutator-brush assembly, brush, wear, prediction.
Несмотря на сформировавшуюся тенденцию по сокращению числа эксплуатируемых машин постоянного тока (МПТ) и переходу на бесколлекторные двигатели, МПТ по-прежнему находят широкое применение, в том числе и на железнодорожном транспорте, например, в качестве тяговых электродвигателей (ТЭД) локомотивов, как старого образца, так и на современных электровозах.
Работа МПТ в качестве ТЭД подвижного состава сопряжена с нагрузками, связанными как с режимом ведения поезда, так и с условиями окружающей среды. Одним из элементов МПТ, наиболее подверженных их воздействию, является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). Согласно статистике на долю КЩУ приходится порядка 25 % от общего числа отказов ТЭД.
Главной причиной выхода из строя ТЭД является нарушение процесса коммутации, одной из причин нарушений которого является нестабильность работы контакта «щетка - коллектор», вызывающая повышенный износ элементов КЩУ.
При работе ТЭД износу в большей степени подвержена электрическая щетка. Процесс ее работы сопровождается воздействием большого числа факторов как механической, так и электрической природы. В связи с этим остается актуальной задача по мониторингу и своевременному предупреждению выхода из строя элементов КЩУ.
Широкий анализ наиболее значимых научных работ в этой области проведен в работе [1], где рассмотрены различные подходы к расчету интенсивности изнашивания щеток исходя из экспериментальных и справочных данных, а также параметров режима работы двигателя.
Большинство исследователей [1 - 6], занимающихся данным вопросом, сходятся на том, что износ щеток можно разделить на три составляющих:
1) фрикционная ДИф - обусловленная механическими параметрами работы двигателя;
2) электрокоррозионная ДИэк - обусловленная протеканием тока по щетке во время работы двигателя;
3) электроэрозионная ДИэр - обусловленная наличием искрения в точке контакта щетки и коллектора.
Таким образом, формула для определения износа щетки ДИ может быть записана в виде:
ДИ = ДИф + ДИэк + ДИэр. 0)
Анализ работ [1, 4 - 6], в которых исследуются вопросы расчета составляющих износа щеток, показывает, что выражение (1) можно свести к виду:
ДИ 4 2 2
— = (n P^ )• Kф + (n4 • 12 • ^.щ )• Kэк + (n WH )• Kэр , (2)
где t - время, ч;
n - частота вращения двигателя, об/мин;
Pcf>^ - среднее значение давления на щетку;
I - ток, протекающий по щетке, А;
WW - энергия искрения, усл. ед.;
Кф - коэффициент фрикционного износа;
Кэк - коэффициент электрокоррозионного износа;
Кэр - коэффициент электроэрозионного износа.
Выражение (2) имеет переменные, определяемые режимом работы щеточного контакта n, P, Wu, I, и постоянные коэффициенты, не зависящие от режима работы, Кф, К эк, Кэр. В литературе предлагаются различные подходы к определению данных коэффициентов. Часть параметров, необходимых для их вычисления, предлагается определять по справочникам, в которых часто приводятся достаточно широкие диапазоны значений параметра, что вносит значительную погрешность в расчет. Остальные параметры должны оцениваться целым рядом специальных измерительных приборов, что делает процесс их определения трудоемким и дорогостоящим.
Для повышения точности и упрощения процесса определения интенсивности износа щетки авторами разработан следующий алгоритм, позволяющий прогнозировать ресурс работы щетки с учетом параметров режима работы ТЭД (рисунок 1).
Данный алгоритм условно можно разделить на несколько этапов.
На первом этапе вводятся параметры щетки, такие как ее масса m^ высота /щ и ширина Ьщ. Эти значения являются достаточно легко измеряемыми.
Второй этап данного алгоритма служит для ввода коэффициентов Кф, Кэк, Кэр. Следует обратить внимание на то, что коэффициенты обусловлены параметрами материала конкретного типа щетки и двигателя, на котором они установлены. В связи с тем, что параметры материала остаются величиной постоянной, можно принять, что Кф, Кэк, Кэр также являются постоянными.
При работе с алгоритмом возможно возникновение двух ситуаций. В первом случае данные коэффициенты могут быть уже известны, если для данного типа двигателя и щеток уже были проведены необходимые опыты для их определения.
Во втором случае необходимо рассчитать данные коэффициенты. Для этого проводят серию экспериментальных исследований, состоящую как минимум из трех опытов, в которых за равные промежутки времени необходимо измерить износ, обусловленный только фрикционной составляющей, одновременно фрикционной и электрокоррозионной составляющими, а также сразу тремя составляющими. При проведении экспериментальных исследований по определению интенсивности износа щеток все опыты проводятся в течение одинакового промежутка времени Дt в следующем порядке.
Для измерения интенсивности изнашивания, обусловленной фрикционной составляющей, необходимо обеспечить вращение двигателя без тока в течение заданного времени Дt при неизменной величине нажатия на щетки Рсрщ и частоте вращения n. В результате полученных значений ДИ можно произвести расчет Кф по выражению:
nP -t
K ф=-ДЙ- • (3)
1) Для определения коэффициента Кэк требуется проведение экспериментального исследования, также при неизменных Рсрщ и n, но в данном случае необходимо обеспечить протекание тока I по щетке и полное отсутствие искрения под щетками. Стоит отметить, что ток, протекающий по щетке, ведет к изменению коэффициента трения _fp, но при этом следует заметить, что при нормальной влажности воздуха это влияние незначительно [3, 4], в связи с чем можно принять /1р = const. Расчет Кэк производится по формуле:
^ - пРср.щ • Кф
Кэк = - 3 11-. (4)
срщ
2) Определение коэффициента Кэр происходит при наличии искрения в точке контакта «щетка - коллектор». Уровень искрения задается исследователем путем подпитки и отпитки добавочных полюсов. При этом необходимо производить объективную оценку энергии искрения Wи для двигателя, для чего может быть использован, например, прибор контроля коммутации, разработанный в ОмГУПСе на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» [7]. Определение Кэр производится по формуле:
К
(£ )■ Дt
(пЛ.щ.Ж
(п412
эр
ср
щ.)Кф
п-]¥„
(5)
Рисунок 1 - Алгоритм расчета ресурса работы щетки
На третьем этапе алгоритма производится расчет составляющих интенсивности изнашивания щетки ДИф, ДИэк, ДИэр.
Для расчета электроэрозионной составляющей износа ДИэр необходимо знать два параметра работы двигателя: частоту вращения п и энергию искрения Жи, которую необходимо измерить тем же оборудованием и в тех же единицах измерения, как это описано выше при определении Кэр.
Далее определяется электрокоррозионная составляющая износа ДИэк, которая нелинейно зависит от силы нажатия щетки на коллектор и зависит от динамического воздействия его профиля на движение щетки.
Ввиду того, что величина силы, воздействующей на щетку со стороны коллектора, не является постоянной величиной и в процессе работы двигателя подвергается постоянным колебаниям [8], влияющим на интенсивность износа щетки, для повышения достоверности расчета необходимо учитывать механическое воздействие микрогеометрии коллектора на величину данной силы. Данное воздействие предлагается оценивать по расчетной величине упругой силы в контакте Рк, используя математическую модель, представленную в работе [9]. Упрощенный вид алгоритма расчета по определению величины Рк показан на рисунке 2.
Порядок расчета упругой силы в контакте Рк состоит в следующем: после ввода параметров щетки и двигателя, принятых для расчета, происходит ввод числа точек расчета и данных по профилю коллектора щк. Ввиду того, что контакт щетки возможен одновременно с несколькими коллекторными пластинами и зависит от щеточного перекрытия, необходимо механическое воздействие со стороны коллектора на щетку определять для каждой коллекторной пластины. Для учета этого необходимо знать номера коллекторных пластин, находящихся под щеткой в текущий момент времени, и степень их перекрытия Ък;. Для расчета упругой силы необходимо знать значение силы, с которой щетка давит на коллекторную пластину. Это значение зависит от величины линейной деформации пластины коллектора под щеткой 5к1, определяемой как разница между текущей координатой щетки и высотой пластины коллектора. Расчет упругой силы Ркг- определяется как произведение величины линейной деформации на коэффициент упругости материала коллектора ск. В результате расчета получаем значения силы Рк, возникающей в точке контакта щетки с коллектором во время работы двигателя.
На рисунке 3 приведены фрагменты графика движения щетки по участку коллектора и график изменения упругой силы в зоне контакта «щетка - коллектор», полученный из математической модели для двигателя П31М при следующих условиях работы: нажатие на щетку - 2,4 Н; частота вращения двигателя - 2840 об/мин; масса щетки с учетом приведенной массы рычага щеткодержателя - 25 г; коэффициент трения в контакте «щетка - коллектор» для пары поверхностей скольжения «графит - медь» - 0,1 [10] .
Для определения электрокоррозионной составляющей износа ДИэк предлагается проводить расчет в соответствии с алгоритмом, приведенным на рисунке 4. Сначала вводятся данные по моделированию взаимодействия элементов КЩУ, полученные из алгоритма, представленного на рисунке 2. Затем из массива полученных значений Рк выбирается максимальное значение, служащее для определения числа интервалов т, на которые будут разделены результаты расчета упругой силы (можно задать вручную, скорректировав точность и длительность расчета) и границ данных интервалов. Далее определяется вероятность попадания Ркг- в каждый интервал путем подсчета точек, попавших в его границы. После этого определяется среднее значение нажатия для каждого интервала.
Пример расчета распределения давления в точке контакта «щетка - коллектор» Рк приведен на рисунке 5. В итоге происходит подсчет электрокоррозионной составляющей износа ДИэкг- для средней величины нажатия каждого интервала и с учетом соответствующих вероятностей определяется полная величина электрокоррозионной составляющей износа ДИэк.
Определение намероп пластин, |111\илншн\ся под шеткий н текущий ммвднт времени
Рисунок 2 - Алгоритм для расчета взаимодействия элементов контакта «щетка - коллектор» при работе двигателя
Рисунок 3 - Фрагмент графика движения щетки по коллектору и изменение упругой силы
в зоне контакта «щетка - коллектор»
Рисунок 4 - Алгоритм для расчета распределения давления в точке контакта «щетка - коллектор»
во время работы двигателя
На следующем шаге алгоритма (см. рисунок 1) производится определение фрикционной составляющей износа щетки ДИф с учетом среднего значения давления.
Завершающий этап алгоритма состоит в расчете суммарного износа щетки ЛИ по формуле (1) и определении ресурса работы щетки Тщр. Для определения Тщр необходимо знать допустимое значение износа /щд и текущую высоту щетки /щ. Определение ресурса работы производится по формуле:
/ -l
гр _ щ щд
щр _ АИ /А t'
Представленный в статье подход к прогнозированию остаточного ресурса щетки (см. рисунок 1) позволяет, учитывая параметры режима работы ТЭД, минимизировать количество измерений, необходимых для определения постоянных коэффициентов уравнения, требующихся для расчета.
Рк
Рисунок 5 - Гистограмма распределения величины давления в контакте «щетка - коллектор»
Набор измерительного оборудования для реализации прогнозирования остаточного ресурса щетки должен включать в себя приборы для измерения следующих величин: геометрических размеров, массы щетки, энергии искрения в относительных единицах, профиля коллектора, тока якоря, частоты вращения ротора и силы нажатия пружины.
По результатам испытаний возможно формирование базы данных со значениями постоянных коэффициентов уравнения, что позволит упростить в дальнейшем процесс прогнозирования. Полученные в результате эксперимента коэффициенты имеют однозначные значения, что исключает субъективный подход к их определению и снижает погрешность результатов прогнозирования.
Список литературы
1. Качин, О. С. Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.09.01 / Томский политехн. ун-т. -Томск, 2008. - 21 с.
2. Крагельский, И. В. Основы расчета на трение и износ [Текст] / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
3. Основы трибологии (трение, износ, смазка): Учебник [Текст] / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун и др. - М.: Машиностроение, 2001 - 664 с.
4. Хольм, Р. Электрические контакты [Текст] / Р. Хольм. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 464 с.
5. Мышкин, Н. К. Электрические контакты [Текст] / Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. - Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 560 с.
6. Лившиц, П. С. Щетки электрических машин [Текст] / П. С. Лившиц. - М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 80 с.
7. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния кол-лекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока: Монография [Текст] / В. В. Харламов. - Омск, 2002. - 233 с.
8. Совершенствование технологии диагностирования технического состояния коллек-торно-щеточного узла тяговых двигателей электровозов: Монография / В. В. Харламов, П. К. Шкодун и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2015. - 198 с.
9. Харламов, В. В. Оценка влияния профиля коллектора машины постоянного тока на работу скользящего контакта / В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков // Омский научный вестник. - 2016. - Вып. 4 (148). - С. 62 - 65.
10. Сайфуллин, Р. С. Композиционные покрытия и материалы [Текст] / Р. С. Сайфуллин. -М.: Химия, 1977 - 272 с.
References
1. Kachin O. S. Povyshenie resursa skolzyashego kontakta universalnikh kollektrnikh elec-trodvigateley (Increase of the resource of sliding contact of universal collector electric motors). Ph.D. thesis, Tomsk, 2008, 178 p.
2. Kragelskiy I. V., Dobychin M. N., Kombalov V. S. Osnovy rascheta na trenie i iznos (The basis of calculation for friction and wear). Moscow: Mashinostroenie, 1977, 526 p.
3. Chichinadze A. V., Braun E. D., Bushe N. A. Osnovi tribologii (The basics of tribology). Moscow: Mashinostroenie, 2001, 664 p.
4. Holm R. Elektricheskie kontakty (Electric contacts). Moscow: Foreign, 1961, 464 p.
5. Myshkin N. K., Konchits V. V., Braunovic M. Elektricheskie kontakty (Electric contacts). Dolgoprudny: Intellect Publ., 2008, 560 с.
6. Livshic P. S. Shetki elektricheskih mashin (Brushes of electric machines). Moscow: Ener-goatomizdat, 1989, 80 p.
7. Kharlamov V. V. Metodi i sredstva diagnostirovaniya tehnicheskogo sostoyania kollektornoschetochnogo uzla tyagovih electrodvigatalei i drugih kollektornyh mashin postoyan-nogo toka: monographiya (Methods and means for diagnosing the technical condition of the traction motors collector-brush assembly and other collector DC machines: monograph). Omsk: OSTU, 2002, 233 p.
8. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Dolgova A. V., Ahunov D. A. Sovershenstvovanie tehnologii diagnostirovaniya tehnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shetochnogo uzla tyagovykh dvigatelei elektrovozov: monographiya (Improvement of technology for diagnosing the technical condition of the collector-brush assembly of traction engines of electric locomotives: monography). Omsk: OSTU, 2015, 198 p.
9. Kharlamov V. V., Popov D. I., Baysadykov M. F. Evaluation of the influence of the DC collector profile on the operation of the sliding contact [Ocenka vliyaniya profilya kollektora mashiny postoyannogo toka na rabotu skolzyashego kontakta]. Omskiy nauchniy vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2016, no. 4 (148), pp. 62 - 65.
10. Saifullin R. S. Kompozicionnye pokritiya i materialy (Composite coatings and materials). Moscow: Chemistry, 1977, 272 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Харламов Виктор Васильевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
E-mail: emoe@omgups.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kharlamov Victor Vasilyevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Doctor of technical science, professor, the head of department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-18-27 Email: emoe@omgups.ru
Попов Денис Игоревич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: Popovomsk@yandex.ru
Байсадыков Марсель Фаритович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Инженер кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-27.
E-mail: marsel_b@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Харламов, В. В. Алгоритм прогнозирования ресурса работы электрических щеток тяговых электродвигателей [Текст] / В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 1 (29). -С. 47 - 56.
Popov Denis Igorevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «Electrical achines and general electrical engineering»
Phone: +7 (3812) 31-18-27 Email: Popovomsk@yandex.ru
Baysadykov Marsel Faritovich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation. Applicant of the department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU. Phone: +7 (3812) 31-18-27 Email: marsel_b@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kharlamov V. V., Popov D. I., Baysadykov M. F. The algorithm of forecasting of resource of electric brushes traction motors. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 29, no. 1, pp. 47 - 56 (In Russian).
УДК 621.3.053.21
К. В. Авдеева, А. А. Медведева, А. В. Уткина
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ДРЕНАЖНАЯ УСТАНОВКА
Аннотация. По результатам анализа существующих средств дренажной защиты выявлено, что ни одно из них не обеспечивает нахождение потенциала заземляющего устройства тяговой подстанции (ЗУ ТП) относительно медно-сульфатного электрода сравнения (МСЭ) в защитном диапазоне за весь период эксплуатации. Для устранения данного недостатка выполнено совершенствование автоматической дренажной установки. Основой работы автоматической дренажной установки является управление током дренажа путем изменения длительности импульса тока, регулируемой автоматически, относительно заданного значения потенциала «ЗУ ТП - МСЭ». В статье приведены функциональная схема с описанием основных узлов усовершенствованной автоматической дренажной установки и результаты испытаний макетного образца в полевых условиях. При проведении испытаний автоматическая дренажная установка доказала свою эффективность в полевых условиях. Представленные результаты испытаний наглядно иллюстрируют, что автоматическая дренажная установка ограничивает ток, протекающий через заземляющее устройство к минусу тяговой подстанции, не давая потенциалу «ЗУ ТП - МСЭ» отклоняться от установленного значения.
Ключевые слова: заземляющее устройство, тяговая подстанция, блуждающие токи, автоматическая дренажная установка, защитный потенциал.
