CC BY
23
УДК 621.3.047,4:629.4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ЭЛЕКТРОЩЁТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
О.А. Филина
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
olga_yuminova83@mail. т
Резюме: В статье изложен один из возможных путей решения поставленной задачи, посредством применения составных электрощёток с повышенным ресурсом на ТЭД для городского электротранспорта и локомотивов, за счёт использования повторно неизнашиваемой части щеток.
Ключевые слова: эксплуатационный режим, электрощетка, электродвигатель, износоустойчивость, коллектор.
A STUDY OF THE WORKING LIFE OF THE BRUSHES OF A DC MOTOR OF
ROLLING STOCK
O.A. Filina
Kazan state power engineering University, Kazan, Russia
olga_yuminova83@mail.ru
Abstract: This article outlines one of the possible ways to solve the problem by applying composite brushes with heightened resource on TED for municipal electric and locomotives by using re-neizlechimoj part of the brushes.
Keywords: maintenance mode, electro brush, motor, durability, collector
Введение
Рассматривается задача повышения ресурса путём использования новой конструкции электрощёток. Данное конструктивное решение хорошо согласуется с конкретными типами тяговых электродвигателей (ТЭД), применяемых на городском и железнодорожном транспорте, и удовлетворяет техническим условиям (ТУ) на их эксплуатацию. Применение разработанной конструкции электрощёток ведёт к повышению ресурсных показателей скользящего контакта ТЭД, снижению коэффициента ремонтопригодности.
Проблема увеличения ресурса работы коллекторно-щеточного узла (КЩУ) наиболее остро стоит применительно к ТЭД, уровень загрузки которого в ряде случаев составляет круглосуточная работа. Например, если ресурс работы электрощеток в электродвигателях для городского электротранспорта и локомотивов, как правило, составляет пробег между ТР2, то требуется неоднократная замена щеток в процессе эксплуатации. С целью повышения ресурса КЩУ разрабатываются все более совершенные марки электрощёток с повышенной надежностью, износоустойчивостью и коммутирующей способностью [1; 2].
Постановка задачи
Обзор литературы по данному вопросу показал, что технический ресурс электрощёток связан с износом элементов КЩУ. Механический и электроэрозионный износ обусловлен влиянием состояния коллектора и коммутационного искрения в скользящем контакте, которые, в свою очередь, зависят от многих факторов. Следовательно, для улучшения показателей работы КЩУ электродвигателей необходимо применение таких конструктивных решений, которые позволяют снизить влияние указанных факторов. В работах [3-5] таким техническим решением является введение разреза в тело электрощётки.
Рекомендуемая составная разрезная щётка [4, 5] выполнена в соответствии требованием ГОСТ 12232-89. Она выполнена составной (введён поперечный разрез, замковая часть), в то время как существующие конструкции электрощеток или неразрезные, или продольно разрезные. Конструкция КЩУ электрической машины остаётся неизменной.
В процессе эксплуатации происходит постоянный непрерывный износ электрощёток. Изношенные щётки не восстанавливаются, подлежат замене и утилизации совместно с дорогостоящими элементами конструкции.
На рис. 1. показана серийная электрощетка с указанием основных элементов.
Неизнашиваемая часть
Изнашиваемая часть
Рис. 1. Конструкция серийной (неразрезной) электрощетки: 1 - наконечник луженый; 2 - медный провод гибкий неизолированный плетеный; 3 - материалы для соединения токоведущего провода с телом щетки (конопатка, электропроводящий клей, медный порошок); 4 - угольно-графитовая часть
3
4
Предлагаемая конструкция позволяет использовать верхнюю (неизнашиваемую) часть электрощетки неоднократно, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить эксплуатационные затраты электрических машин и исключить утилизацию неизношенных частей. Это связано с тем, что при замене изношенной сменной вставки не требуется полной замены щетки. Достаточно только установить новую сменную вставку. Весь процесс замены сменной вставки значительно облегчает работу обслуживающего персонала и сокращает время профилактических работ до 70%.
Составная электрощетка (рис. 2) с повышенным ресурсом функционально не отличается от серийной ни по типоразмеру, ни по технологии изготовления и эксплуатации. Основное отличие заключается в конструкции тела щетки. В гильзе щёткодержателя 1 располагается неизнашиваемая часть 2 составной электрощетки и сменная графитовая вставка 3, скользящая по коллектору 4 электрической машины. Прижим электрощетки к коллектору осуществляется пружиной 5. Данное усилие создает надежный контакт в плоскости соприкосновения 6 между основной частью составной электрощетки и сменной графитовой вставкой.
Предложенная конструкция, как показывают расчеты, также обеспечивает уменьшение коэффициента ремонтопригодности.
Ориентировочно стоимость неизношенных остатков составляет на 3 июля 2017 г. около 60% от общей стоимости электрощетки (70000 руб.): для электрощёток ЭГ61А 1000шт. - соответственно 42000 руб.
Рис. 2. Схематическое изображение КЩУ: а - составная электрощетка с замковой частью;
б - составная (разрезная)
Составные разрезные щётки обеспечивают надёжный электрический контакт с вращающимися частями электрических машин и не вызывают нарушения этого контакта, как показали лабораторные измерения, проведенные на кафедре «Электротехнические комплексы и системы» КГЭУ под руководством П.П. Павлова, в статическом режиме сопротивление увеличивается на 9-13% [3].
Рис. 3. Принципиальная схема короткозамкнутого коллектора и замера падения напряжения на щётках: 1 - короткозамкнутый коллектор; 2 - составные электрощётки - неизнашиваемая часть; 3 -составные электрощётки - изнашиваемая часть; 4 - токоведущие провода; 5 - реостат; 6 - источник постоянного тока 6-12 В
4
Испытания включали в себя проверку коллекторных характеристик: измерение величины общего падения напряжения на паре щеток (2ДЦ), износ и коэффициент трения.
Данная схема измерения позволила, кроме замеров падения напряжения 2ДП, измерять падение напряжения в разрезе тела электрощёток.
Результаты испытаний (неразрезной) серийной и составной разрезной электрощёток были занесены в протокол, и на его основании построены зависимости падения напряжения на пару щёток 2ди (усреднённые) от времени испытания (рис.4).
Рис. 4. Зависимости падения напряжения на пару щёток 2ди (усреднённые) от времени испытания: а - серийная (неразрезная); б - составная разрезная
Как видно из рис 4, в начале и конце измерений для неразрезных щеток характерно увеличение падения напряжения, что можно объяснить ростом температуры КЩУ. Для составных разрезных щёток характерно уменьшение падения напряжения на 0,2-0,3 В
после завершения испытаний, что можно объяснить приработкой контактных поверхностей в разрезе тела щётки.
Проведенные экспериментальные исследования на других образцах щёток, выполненные с использованием данной методики, показали, что, несмотря на относительное увеличение падения напряжения на паре щёток 2AU, их можно использовать в условиях эксплуатации независимо от типа электрической машины и условий ее эксплуатации.
При испытаниях также выявлено, что остальные параметры коллекторных характеристик составных электрощеток с повышенным ресурсом находятся в пределах норм, определяемых ТУ.
Следующий этап проведения эксперимента заключался в обработке полученных статистических данных. С этой целью использовалась программа Staistica 6.0. На основании результатов были построены гистограммы распределения переходного падения напряжения на пару щеток 2AU (рис. 5, 6) всех серийных электрощёток выпуска 2005г. и составных разрезных электрощёток.
Valid N Mean Median Mode Frequency Sum Variance Std.Dev. Standard
ЭГ- 61A 78 1,55 1,50 1,50 13 118,60 0,058 0,24 0,027
Рис. 5. Гистограмма распределения переходного падения напряжения 2ди на пару щеток ЭГ-14
На гистограммах рис. 5, 6 изображены усреднённые кривые: по экспериментальным данным - сплошная зелёная и по проектируемым - пунктирная. Для того, чтобы усилить благоприятное влияние падения напряжений и1 + и2 на процесс коммутации, в машинах постоянного тока с затрудненной коммутацией применяют щетки с большим переходным сопротивлением, несмотря на то, что это увеличивает потери мощности в переходном контакте.
Выводы
1. Результаты статистического анализа распределения величины переходного падения напряжения на пару щеток показали, что данная величина распределена по нормальному закону распределения как для неразрезных, так и для составных разрезных щеток. Кроме того, математическое ожидание значения падения напряжения на пару щёток 2ди для разрезных щеток в среднем на 6-10 % больше, чем для неразрезных, но это не превышает требований ТУ.
2. Большое значение дисперсии величины падения напряжения на пару щеток для электрощетки типа ЭГ-61А указывает на нестабильность её характеристик, что подтверждает неодкратные упоминания об этом в литературе.
Variable: ЭГ61А Distribution: Normal Chi-Square test = 26,62036, df= 6 (adjusted) , p = 0,107
2AU, B
Valid N Mean Median Mode Frequency Sum Variance Std.Dev. Standard
ЭГ- 61А 60 2,76 2,8 3,00 12 160,8 0,16 0,39 0,05
Рис. 6. Гистограмма распределения переходного падения напряжения 2AU на пару щеток ЭГ-61А
3. Исследования зависимости величины падения напряжения на пару щеток 2AU от времени показали, что для неразрезных щеток характерно увеличение 2AU, что связано с ростом температуры, а для составных разрезных - уменьшение падения 2AU из-за приработки поверхности контакта частей составных разрезной щетки. В связи с этим необходимо обеспечивать поверхность соприкосновения частей составных щеток не менее 90% контактной поверхности в поперечном разрезе тела щетки.
4. Полученные положительные результаты исследований, выполненных на установке КЗК-95, позволяют рекомендовать проведение эксплуатационных испытаний предложенного конструктивного решения составных щёток с поперечным разрезом на электроподвижном составе.
5. Существенно сокращаются расходы на эксплуатацию электрических машин в различных отраслях промышленности за счёт экономии на отходах, возникающих при эксплуатации серийных электрощёток.
Литература
1. Пат. 51792 РФ, МПК H01R 39/40. Щёточный узел электрической машины / Идиятуллин Р.Г. заявл. 30.06.2005, опубл. 27.02.2006. Бюл. № 6.
2. Пат. 2365005 РФ, МПК H01R 39/18. Составная разъёмная щётка с замковой частью / Степанов Е.Л., Рылов Ю.А., заявл. 16.11.2007, опубл. 20.08.2009. Бюл. № 23.
3. Харламов В.В., Долгова А.В. и др. Определение диагностических параметров для оценки состояния профиля коллектора тягового электродвигателя // Омский научный вестник. Сер. «Приборы, машины и технологии». 2011. Вып. 1 (97). С. 121.
4. Харламов В.В., Шкодун П.К., Долгова А.В. Алгоритм оценки износа коллектора тягового электродвигателя // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе: Материалы науч.практ. конф. Сибирский гос. ун-т путей сообщения. Новосибирск, 2012. С. 378-380.
5. Ахмедзянов Г., Харламов В.В. Совершенствование диагностирования коллекторно-щеточного узла. Изд. LAP Lambert Academic Publishing, ISBN: 9783659380150. С. 168.
6. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года: утверждена Правительством Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877р. URL: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?id=3997&layer_id=5104& STRUCTURE_ID=704 (дата обращения: 07.11.2015).
7. Совершенствование технологии диагностирования технического состояния коллекторно-
щеточного узла тяговых электродвигателей электровозов: монография / В.В. Харламов, П.К. Шкодун, А.В. Долгова, Д.А. Ахунов. Омск: Омский гос. Ун-т путей сообщения, 2015. 198 с.
8. Авилов В.Д. Оптимизация коммутационного процесса в коллекторных электрических машинах постоянного тока: монография. Омск: Омский научный вестник, 2013. 356 с.
9. Trends in fault diagnosis for electrical machines: a review of diagnostic techniques / H. Henao, G.A. Capolino, M. Fernandez Cabanas, F. Filippetti, C. Bruzzese, E. Strangas, R. Pucsa, M. Riera Guasp, S. Hedayati Kia // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2014. V. 8, No. 2. P. 31-42.
10. Electric machines. Modeling, condition monitoring and fault diagnosis / А. Toliyat, S. Nandi, S. Choi, H. Meshgin Kelm. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, 2012. 272 p.
Автор публикации
Филина Ольга Алексеевна - старший преподаватель, аспирант кафедры «Электротехнические комплексы и системы» (ЭТКС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: olga_yuminova83@mail.ru.
References
1. Pat. 51792 RF, MPK H01R 39/40. Shchetochnyi uzel elektricheskoi mashiny /Idiyatullin R.G. zayavl. 30.06.2005, opubl. 27.02.2006. Byul. No. 6.
2. Pat. 2365005 RF, MPK H01R 39/18. Sostavnaya raz'emnaya shchetka s zamkovoi chast'yu / Stepanov E.L., Rylov Yu.A., zayavl. 16.11.2007, opubl. 20.08.2009. Byul. No. 23.
3. Kharlamov V.V., Dolgova A.V. i dr. Opredelenie diagnosticheskikh parametrov dlya otsenki sostoyaniya profilya kollektora tyagovogo elektrodvigatelya // Omskii nauchnyi vestnik. Ser. «Pribory, mashiny i tekhnologii». 2011. Vyp. 1 (97). P. 121.
4. Kharlamov V.V., Shkodun P.K., Dolgova A.V. Algoritm otsenki iznosa kollektora tyagovogo elektrodvigatelya // Innovatsionnye faktory razvitiya Transsiba na sovremennom etape: Materialy nauch.prakt. konf. Sibirskii gos. un-t putei soobshcheniya. Novosibirsk, 2012. P. 378-380.
5. Akhmedzyanov G., Kharlamov V.V. Sovershenstvovanie diagnostirovaniya kollektorno-shchetochnogo uzla. Izd. LAP Lambert Academic Publishing, ISBN: 9783659380150. P. 168.
6. Strategiya razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v Rossiiskoi Federatsii do 2030 goda: utverzhdena Pravitel'stvom Rossiiskoi Federatsii ot 17 iyunya 2008 g. No. 877r. URL: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru?id=3997&layer_id=5104& STRUCTURE_ID=704 (data obrashcheniya: 07.11.2015).
7. Sovershenstvovanie tekhnologii diagnostirovaniya tekhnicheskogo sostoyaniya kollektorno-shchetochnogo uzla tyagovykh elektrodvigatelei elektrovozov: monografiya / V.V. Kharlamov, P.K. Shkodun, A.V. Dolgova, D.A. Akhunov. Omsk: Omskii gos. Un-t putei soobshcheniya, 2015. 198 p.
8. Avilov V.D. Optimizatsiya kommutatsionnogo protsessa v kollektornykh elektricheskikh mashinakh postoyannogo toka: monografiya. Omsk: Omskii nauchnyi vestnik, 2013. 356 p.
9. Trends in fault diagnosis for electrical machines: a review of diagnostic techniques / H. Henao, G.A. Capolino, M. Fernandez Cabanas, F. Filippetti, C. Bruzzese, E. Strangas, R. Pucsa, M. Riera Guasp, S. Hedayati Kia // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2014. V. 8, No. 2. P. 31-42.
10. Electric machines. Modeling, condition monitoring and fault diagnosis / A. Toliyat, S. Nandi, S. Choi, H. Meshgin Kelm. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press, 2012. 272 p.
The author of the publication
Olga A. Filina - senior lecturer, postgraduate Department of Electro technical complexes and systems of the Kazan state power engineering University. E-mail: olga_yuminova83@mail.ru.
Поступила в редакцию
03 июля 2017 г.
