CC BY
23
УДК 621.313:621.7.08
В. В. ХАРЛАМОВ Д. И. ПОПОВ А. П. АФОНИН
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА В УСЛОВИЯХ ПРИЕМОСДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ С УЧЕТОМ ПАРАМЕТРОВ НЕИДЕНТИЧНОСТИ
КОММУТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ_
В статье показана необходимость учета п ара метров закона распределения интенсивности искрения в процессе диагностирования состояния коллекторно-щеточного узла. Обоснованы векторные п ар а метры диагностирования, отражающие неидентичность коммутационных циклов. Предложена форма отображения новых п ара метров в виде трехмерных векторов. Уточнены двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров с учетом условий приемосдаточных испытаний. Разработан алгоритм применения предложенных диагностических п а ра метров в процессе приемосдаточных испытаний.
Ключевые слова: коллекторная машина постоянного тока, диагностические параметры, неидентичность коммутационных циклов, приемосдаточные испытания, алгоритм диагностирования, за кон ра спределения, интенсивность искрения.
Причины искрения щеток коллекторных двигателей разнообразны по своей природе [1]. Осциллограммы импульсов искрения показывают, что каждый коммутационный цикл не повторяет предыдущий, что объясняется случайным характером неидентичности физических процессов, обусловливающих искрение. Следовательно, обобщить экспериментальные данные и более детально проанализировать состояние коммутации электрических машин можно, применяя аппарат математической статистики и теорию случайных процессов [2].
Для получения основных характеристик законов распределения интенсивности искрения коллекторных электрических машин постоянного тока (МПТ) проведены экспериментальные исследования на машине П31 без явных дефектов на коллекторе. Интенсивность искрения задавалась изменением магнитодвижущей силы добавочных полюсов. По осциллограммам диагностического сигнала, полученного с разнополярных щеток испытуемой машины, выявлено, что искрение в процессе эксперимента происходило только в секциях, лежащих последними в пазу. Для определения интенсивности искрения у каждого импульса подсчитывался его интеграл по времени (сумма оцифрованных значений напряжения), отражающий энергию импульса искрения. Последние секции в пазу, коммутация которых закончилась без искрообразования, учитывались при подсчете, а остальные секции паза при подсчете не учитывались. Полученные гистограммы распределения
интенсивности искрения приведены на рис. 1 для трех режимов работы с различной степенью искрения. Степень искрения оценена визуальным методом по ГОСТ 183-74.
Проанализируем, как изменяются такие параметры закона распределения, как среднеквадра-тическое отклонение (СКО) (ст), косость (а) и крутость (1) [3].
Расчет данных параметров можно выполнить по выражениям:
1
- А )2 А
У=1_
- А )3 А
у=1
(1)
(2)
(3)
где А — значение интенсивности искрения, найденное как площадь импульса;
у — номер интервала значений интенсивности искрения;
к — количество интервалов;
- А )4 Ау
У=1
-3,
п
1
а =
3
а
п
1
I
4
а
п
д
Рис. 1. Гистограммы распределения интенсивности искрения коллекторных пластин при различной степени искрения: а — 1 балл (импульсы недокоммутации), о = 3,5, а = 2,41, I = 5,92; б — 1 балл (импульсы перекоммутации), о = 2,9, а = 1,29, I = 0,39; в — 11/4 балла (импульсы недокоммутации), о = 2,1, а = 0,55, I = 0,06; г — 11/2 балла (импульсы недокоммутации), о = 5,3, а = -0,87, I = 0,36; д — 2 балла (импульсы недокоммутации), о = 13,2, а = 0,25, I = -1,40.
N.
количество импульсов искрения, попавших
в интервал с индексом /;
п — количество зафиксированных импульсов искрения;
А — математическое ожидание интенсивности искрения.
При настройке коммутации, соответствующей степени искрения 1 балл (рис. 1а, б), присутствуют импульсы искрения обеих полярностей, которым соответствует закон распределения, близкий к экспоненциальному. Такой форме закона распределения соответствует относительно небольшое значение СКО и относительно большие положительные значения как косости, так и крутости.
При увеличении степени искрения до 11/4 балла и далее до 11/2 балла (рис. 1в, г) математическое ожидание на гистограмме смещается вправо. При этом СКО увеличивается, косость и крутость снижаются и даже могут принимать отрицательные значения.
При дальнейшем увеличении степени искрения до 2 баллов (рис. 1д) СКО резко возрастает, косость принимает относительно небольшое значение, а крутость становится отрицательной. При этом закон распределения становится двухмодальным — явно присутствуют две вершины. Правая вершина, соответствующая более интенсивному искрению, обусловлена искрением секций, лежащих последними в пазах сердечника якоря. Левая вершина обусловлена искрением остальных секций, подключившихся к процессу искрения, при ухудшении электромагнитной настройки машины.
Для подтверждения полученных результатов и выявления влияния на закон распределения интенсивности искрения факторов механической природы проведены исследования на экспериментальной установке с испытуемым двигателем, имеющим дефекты на коллекторе. Для измерения интенсивности искрения использовались щетка-датчик и прибор контроля коммутации ПКК-5, разработанный на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС. Интенсивность искрения оценивалась по амплитуде сигнала на выходе аналогового интегратора. Одновременно регистрировались значения частоты вращения п, тока подпитки (отпитки) 1п (1о) добавочных полюсов (ДП) и тока якоря 1а. В процессе измерений ток якоря поддерживался неизменным, а ток подпитки/отпитки ДП варьировался от 1А до 2,5А для перекоммутации и от —1А до —ЗА для недокоммутации. Результаты испытаний приведены на рис. 2.
При подпитке и отпитке с небольшой интенсивностью искрения 11/4 балла (рис. 2а, в) СКО имеет относительно небольшие значения, косость — относительно большое положительное. При усилении интенсивности искрения до 11/ балла (рис. 2б, г) значение СКО резко возрастает, а косость снижается. При этом крутость во всех случаях имеет либо относительно небольшое, либо отрицательное значение. Это связано с тем, что закон распределения имеет две вершины. Физически такой вид гистограмм объясняется следующим образом. Случайная природа изменения электромагнитных условий, в которых находятся различные секции якорной обмотки
Рис. 2. Гистограммы распределения интенсивности искрения коллекторных пластин при различной степени искрения: а — 1'/4 балла (импульсы недокоммутации), о = 3,8, а = 0,74, I = 0,29; б — 11/2 балла (импульсы недокоммутации), о = 12,1, а = 0,38, I = - 0,88; в — 11/4 балла (импульсы перекоммутации), о = 5,3, а = 0,67, I = - 0,90; г — 11/2 балла (импульсы перекоммутации), о = 10,9, а = - 0,05, I = - 0,91.
Рис. 3. Сигнал искрения с разнополярных щеток за несколько оборотов ротора
в процессе коммутации, обусловливает закон распределения интенсивности их искрения, близкий к нормальному. Однако при взаимодействии щетки с пластинами, имеющими механические дефекты, появляется искрение повышенной интенсивности, что и приводит к двухмодальной форме закона рас-
пределения интенсивности искрения. Механические факторы, воздействующие на процесс коммутации приводят к уменьшению ее периода и усилению искрения от недокоммутации. Электромагнитные факторы могут приводить к усилению как недокоммутации, так и перекоммутации. Следовательно,
^кдоп е {а кдоп 1' а кдоп 2' ■" ' а кдоп N } , А доп е {адоп 1, адоп 2, ... , адоп N } , 1 доп е доп ^ 1 доп 2'■■■' 1 доп N
тогда можно записать:
б
Рис. 4. Трехмерные векторные параметры неидентичности коммутационных циклов различных секций
обмотки якоря: а — параметр неидентичности во времени, б — параметр неидентичности по коллектору
интенсивность искрения, обусловленного неидентичностью разной физической природы, приводит к искрению различных групп коллекторных пластин с различной средней интенсивностью.
Полученные в результате исследований осциллограммы (рис. 3) показывают, что вследствие неидентичности коммутационных циклов изменяется не только интенсивность искрения различных коллекторных пластин за один оборот, но и интенсивность искрения одной и той же пластины за время нескольких оборотов. В первом случае это связано в большей степени со сложным профилем коллектора, имеющим перепады высот коллекторных пластин, а во втором — с изменением напряжения питания, момента на валу и вибрацией машины.
В работе [4] с использованием графоаналитического метода получены двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров кол-лекторно-щеточного узла (КЩУ), определяющие средний уровень искрения, а также неидентичность коммутационных циклов во времени и по коллектору. Однако, как показывают результаты испытаний, приведенные на рис. 1 и 2, параметры закона распределения в отдельности (СКО а, косость а и крутость г) не в полной мере характеризуют состояние коммутации в машине. Более полно охарактеризовать форму закона распределения и численно увязать результаты испытаний с неисправностями, обусловившими искрение той или иной степени, возможно только за счет совместного применения всех трех параметров.
Таким образом, неидентичность коммутационных циклов вдоль окружности коллектора можно численно охарактеризовать следующими параметрами закона распределения интенсивности искрения: СКО по коллектору (ак), косость (а), крутость (г), а неидентичность во времени: СКО во времени (ак), косость (а), крутость (г).
Для упрощения обозначений введем параметры неидентичности во времени и по коллектору: ПНв = = {ак, а, г} и ПНк = {ав, а, г}, представляющие со-бой трехмерные векторы, характеризующие форму закона распределения интенсивности искрения. Графическое изображение предложенных параметров неидентичности коммутационных циклов приведено на рис. 4.
В процессе диагностирования для выявления неисправностей необходимо сопоставить данные параметры с областями их допустимых значений. Если обозначить множества допустимых значений параметров следующим образом:
ПНв е ^, А доп , I доп};
ПНк е (ЕКдОП, АдОП,IдОП}.
(8) (9)
^вдоп е {ав доп И ав доп 2'
ав доп N
(4)
При лучшей настройке машины векторы ПНв и ПНк стремятся занять определенное положение в пространстве: СКО (ак и ав)уменьшаются, косость и крутость (а и г) увеличиваются в положительном направлении. При ухудшении условий коммутации значения СКО (ак и ав )увеличиваются, однако значения косости и крутости (а и г) убывают не монотонно: в процессе убывания могут присутствовать локальные максимумы, что нужно учитывать в процессе диагностирования.
Сформированные в работе [4] двудольные графы отражают дефекты, которые могут иметь место как при эксплуатации МПТ, так и при приемосдаточных испытаниях в соответствии с известными источниками [5, 6]. При этом в условиях, созданных при испытаниях, отсутствует воздействие, которое МПТ испытывает во время эксплуатации. Следовательно, ряд неисправностей в случае испытаний, связанных с условиями эксплуатации, будет отсутствовать.
Вибрация при эксплуатации МПТ обусловлена воздействием рабочих условий. Но, несмотря на то, что при испытаниях МПТ не испытывает тех воздействий, которые присущи в эксплуатации, усиление вибрации также может быть обусловлено некачественной стыковкой испытуемой и нагрузочной машины, когда их оси вращения не совпадают. То есть неисправность, связанная с вибрацией, и соответствующий ей диагностический параметр сохраняется для условий приемосдаточных испытаний, но при этом он в себе содержит уже другую информацию.
Помимо сказанного, неисправности, которые могут быть заложены заводом-изготовителем при производстве МПТ [7], практически не изменяются в процессе эксплуатации и не требуют диагностирования при проведении приемосдаточных испытаний [8]. Контроль над ними осуществляется на самом заводе-изготовителе.
Кроме того, такое явление в МПТ, как круговой огонь, также можно исключить из диагностической модели для условий приемосдаточных испытаний, так как возникает оно, как правило, при переходных процессах.
Таким образом, в условиях приемосдаточных испытаний полученные в [4] двудольные графы являются информативно избыточными: содержат лишние неисправности и присущие только им диагностические параметры. После исключения данных неисправностей и диагностических параметров можно получить упрощенные двудольные графы.
Однако проведенные исследования [9, 10] показывают, что для повышения достоверности диагностирования КЩУ МПТ всё-таки следует учитывать некоторые наиболее важные условия эксплуатации путем их моделирования. При этом достаточно простым для моделирования в условиях приемосдаточных испытаний и, одновременно, имеющим большую значимость для выявления коммутационной устойчивости МПТ является параметр ДМ (рис. 5). Его диаг-
а
АС
Рис. 5. Двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров коллекторно-щеточного узла МПТ с учетом условий приемосдаточных испытаний, определяющие:
а — средний уровень искрения; б — неидентичность коммутационных циклов во времени и неидентичность коммутационных циклов по коллектору
Рис. 6. Алгоритм применения диагностических параметров ПН, и ПНк в процессе приемосдаточных испытаний
б
а
ностическим параметром является легко измеряемый ток якоря 1а. При этом задание необходимого момента нагрузки на валу в процессе испытаний достаточно просто автоматизировать.
Исходя из изложенного выше, предлагается двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров КЩУ МПТ с учетом условий приемосдаточных испытаний привести к следующему упрощенному виду, приведенному на рис. 5.
Таким образом, полученные двудольные графы позволяют составить алгоритм диагностирования в условиях приемосдаточных испытаний с учетом предложенных векторных параметров неидентичности коммутационных циклов ПНв и ПНк (рис. 6).
В алгоритме на первом этапе после ввода технических данных испытуемой машины и измерения и расчета диагностических параметров происходит сравнение параметра ПНк с областью его допустимых значений по выражению (8). Если условие не выполняется, то необходимо снять профиль коллектора после работы под нагрузкой и по анализу профиля определить необходимость его механической обработки. Если профиль коллектора удовлетворительный, то неудовлетворительное значение ПНк может быть выявлено дефектом А5а (биение якоря). На втором этапе производится сравнение параметра И с его пороговым значением И , а на
^ щ.ср ^ _ щ.ср.п'
третьем этапе сравнение параметра ПНв с областью его допустимых значений по выражению (9), и в случае необходимости выявление связанных с данными параметрами дефектов.
Далее необходимо устранить выявленные дефекты и снова провести измерение и расчет диагностических параметров Ищср, ПНв, ПНк с параллельной настройкой магнитной системы МПТ.
Применение разработанного алгоритма в процессе диагностирования с использованием параметров Ищср, ПНв, ПНк позволяет в ряде случаев отказаться от такой диагностической операции, как снятие профиля коллектора, в том случае, когда значение параметра ПНк лежит в области допустимых значений.
Разработанная методика позволяет повысить достоверность диагностирования состояния коллек-торно-щеточного узла машин постоянного тока в условиях приемосдаточных испытаний с учетом параметров неидентичности коммутационных циклов.
Библиографический список
2. Авилов В. Д. Оптимизация коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах постоянного тока: моногр. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2013. 356 с.
3. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Наука, 1971. 576 с.
4. Харламов В. В., Попов Д. И., Афонин А. П., Огневский О. С. Повышение достоверности диагностирования коллек-торно-щеточного узла электрических машин с учетом неидентичности коммутационных циклов // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 65-69.
5. ГОСТ 2582-2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. Введ. 2015-01 -01. М.: Стандартинформ, 2015. 81 с.
6. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний. Введ. 1987-07-01. М.: ИПК Изд-во стандартов, 1986. 42 с.
7. Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин Л. Н. Проектирование тяговых электродвигателей. М.: Транспорт, 1987. 535 с.
8. Коварский Е. М., Янко Ю. И. Испытание электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
9. Харламов В. В., Шкодун П. К., Афонин А. П., Проненко А. В. Оценка состояния коммутации тяговых электродвигателей с учетом условий эксплуатации // Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте: материалы науч.-практ. конф., посвященной 200-летию образования Управления водяными и сухопутными сообщениями и учреждения Института корпуса инженеров путей сообщения: сб. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2009. С. 122-131.
10. Харламов В. В., Шкодун П. К., Бакланов А. А., Попов Д. И., Афонин А. П. Испытания тяговых электрических двигателей электровозов с учетом режимов их эксплуатации // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2012. С. 173-178.
ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника».
ПОПОВ Денис Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника». АФОНИН Александр Петрович, соискатель по кафедре «Электрические машины и общая электротехника».
Адрес для переписки: emoe@omgups.ru
1. Копылов И. П. Электрические машины. В 2-х т. 2-е изд., испр. и доп. М.: Юрайт, 2015. 674 с. ISBN 9785991647403.
Статья поступила в редакцию 29.09.2017 г. © В. В. Харламов, Д. И. Попов, А. П. Афонин
