CC BY
27
УДК 621.313
В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисеенок
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ КОММУТАЦИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Эффективность и надежная работа тягового подвижного состава во многом зависят от надежности их тяговых двигателей и вспомогательных электрических машин. Ожидаемое увеличение объемов перевозок и увеличение интенсивности движения потребуют серьезного пересмотра технологической культуры ремонта и эксплуатации электрических машин тягового подвижного состава.
Проблема повышения устойчивости работы скользящего токосъема очевидно останется актуальной и в ближайшие десятилетия. Несмотря на значительные успехи в электромеханике по замене коллекторных машин на бесколлекторные мощные тяговые двигатели остаются коллекторными. Это подтверждается заказом на новые электровозы от ОАО «РЖД» на ближайшие годы. Эти электровозы будут эксплуатироваться еще 20 - 30 лет. С учетом намечающегося увеличения объемов перевозок, повышения скоростей движения и веса состава появится необходимость в серьезном ужесточении требований к надежности работы коллек-торно-щеточного узла тяговых двигателей.
Многолетний опыт коллектива кафедры «Электрические машины и общая электротехника» в области исследования условий работы коллекторно-щеточного узла (КЩУ) электрических машин, по созданию приборов и устройств для оценки уровня искрения и профило-метров для оценки механического состояния коллекторов, изучение работы электрических щеток, создание методов настройки коммутации как тяговых двигателей подвижного состава, так и двигателей прокатных станов и экскаваторов, а также специальных электрических машин указывает на то, что многие проблемы, возникающие при работе КЩУ, являются результатом нарушения технологии ремонта и неправильных действий человека.
Наглядным примером встречающегося нарушения технологии ремонта являются, например, увеличение биения коллектора после ремонта тягового электрического двигателя (ТЭД); возникновение асимметрии после сборки магнитной системы ТЭД; наличие несоответствующих прокладок под добавочными полюсами; значительная разность в усилиях нажатия на щетки; случаи выпуска ТЭД из ремонта без проверки на испытательной станции. Результат этих нарушений проявляется на коллекторе электрической машины в виде искрения щеток, подгара коллектора, повышенного износа контактной пары, предрасположенности к круговым огням и т. д.
Для выявления причин неудовлетворительных условий коммутации ТЭД необходима должным образом оборудованная испытательная станция, которая может быть выполнена как на машинных агрегатах, так и на статических преобразователях, занимащих меньшую площадь и автоматизирующих процессы самих испытаний. Для исключения влияния человеческого фактора на результаты испытаний необходимо использовать полностью автоматизированные испытательные станции. Кроме того, результаты испытания должны быть представлены в виде протокола на ЭВМ. Внедряемые в настоящее время испытательные станции должны дополнительно быть оборудованы приборами и устройствами по оценке уровня искрения в соответствии с ГОСТ 183-74, а также системой подпитки добавочных полюсов. Удорожание стенда не превысит 10 %, а его возможности по оценке и настройке условий коммутации ТЭД при этом значительно расширяются. Это позволит проводить исследования и настройку коммутации на весьма высоком уровне. По мнению авторов, в такой комплектации должны оборудоваться все испытательные станции ремонтных заводов Желдорреммаша и базовые локомотивные ремонтные депо всех железных дорог. Стенды для обкатки ТЭД на холостом ходу должны оборудоваться профилометрами, позволяющими оценивать фактиче-
ское биение коллектора и перепад между пластинами коллектора. Последний параметр имеет определяющее значение при формировании условий работы КЩУ.
На коммутационный процесс в обмотке машины постоянного тока оказывает влияние большое количество факторов: величина и скорость изменения тока якоря, температура коллектора, скорость вращения якоря, условия окружающей среды, усилие нажатия на щетку, внешние воздействия, собственные вибрации элементов КЩУ и многие другие. Влияние всех возможных факторов в условиях эксплуатации может определить только интегральный параметр - это минимум износа контактной пары [1]:
N Ь М и М
V = у д = Ч = ^& = 7'2Т^ ^п (1)
1=1 2и д 1=1 2 Ьр 1=1
где у - постоянная материала;
д - количество электричества, прошедшее через дуговой разряд;
гр - ток разрыва;
тд - длительность дугового разряда;
7<z'<N - общее число дуговых разрядов;
ид - напряжение дуги;
Ьр - индуктивность секции на завершающем этапе коммутации.
Критерием оптимальности настройки коммутации является минимальный объем материала контактной пары, вынесенный дуговыми разрядами на сбегающем крае щетки (1).
Формула (1) указывает на то, что уровень искрения характеризуется такими параметрами, как ток разрыва гр секции или длительностью дугового разряда тд. Следовательно, любые устройства или приборы, показания которых имеют однозначную связь с этими параметрами, могут быть использованы для оценки уровня искрения и настройки коммутации.
Формула (1) в приборной реализации может быть представлена выражением:
т<
Л Лг ^ тт, (2)
П-V ]=1 0
где - показания прибора на определенном режиме работы;
т - длительность режима;
х - число режимов в цикле.
Условие (2) определяет минимальный суммарный уровень искрения за определенный период работы машины или технологический цикл ее нагрузки при оптимальных условиях коммутации.
На испытательной станции нагрузка является стационарной и условие (2) сводится к равенству:
А = А , (3)
ПК нк ' V /
где Апк и Анк - показания прибора от пере- и недокоммутации.
Из приведенного равенства (3) следует, что абсолютное значение показаний того или иного устройства или прибора по оценке уровня искрения для настройки коммутации не имеет значения, важен факт выполнения этого равенства. Это позволяет расширить список используемых приборных методов оценки уровня искрения. Однако когда речь идет об оценке уровня искрения щеток в баллах по ГОСТ 183-74, то обязательным во всех приборах и устройствах должно быть наличие тарировочных зависимостей между показаниями прибора и уровнем искрения щеток по ГОСТ 183-74 для каждого типа тягового двигателя. Типичный вид такой зависимости приведен на рисунке 1. Приборы должны иметь аналоговый или цифровой выход своих показаний и должны программно в ЭВМ, ведущей управление испытаниями, переводиться в баллы стандарта.
^ ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 3
Сущность настройки коммутации заключается в анализе причин искрения. Если причина носит электромагнитный характер, то потребуется коррекция воздушных зазоров под добавочными полюсами (ДП).
На основании схемы замещения магнитной цепи ДП и разработанной авторами методики ее расчета предложены номограммы коррекции воздушного зазора 62 для всех находящихся в эксплуатации тяговых двигателей и генераторов. Кроме того, предложен программный продукт для построения таких номограмм практически любой электрической машины постоянного тока. Для примера на рисунке 2 приведены такие зависимости величины воздушного зазора 62 от параметра О для ТЭД ТЛ-2К1, где
О является параметром корректировки воздушного зазора 62 и находится экспериментально [1].
1 1/4
1 1/ 2
Баллы по ГОСТ 183-74
Рисунок 1 - Характерная зависимость между уровнем искрения и баллами по ГОСТ 183-74
52, м 0,013
0,012
0,011
0,01
0,009
0,008
0,007
0,006
0,005
О
,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Рисунок 2 - Зависимость зазора 52 от параметра О
Актуальным остается вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности в коллекторных машинах. Это основной вопрос, лежащий в основе как теории токосъема, так и экспериментальных исследований. В середине XX в. ряд исследователей [2, 3] рассмотрели вопрос о критериях искрообразования и коммутационной напряженности. После того как сформировалось понятие неидентичности коммутационного процесса, критерии искрообразования приобрели еще большее значение. В полученном обширном перечне предлагаемых сегодня критериев фигурируют практически все параметры, в той или иной мере характеризующие коммутационный процесс.
Известные критерии можно разделить на четыре основные группы [1]:
1) удельная мощность и энергия, связанная с дугообразованием;
2) характер протекания тока в коммутирующей секции;
3) повышенные значения напряжения на каком-либо участке коммутируемого контура;
4) обобщенные показатели коммутационной напряженности коллекторных электрических машин.
Исследователи, связывающие интенсивность искрения в контакте с выделяющейся мощностью или энергией, практически сходятся друг с другом во взглядах на происхождение искрения, а формулы для определения критерия искрения, предложенные В. И. Белошенко, А. Б. Иоффе, А. С. Курбасовым, В. П. Толкуновым и другими, значительно отличаются друг от друга [2, 3].
Поставленная авторами задача исследования состояла в анализе некоторых критериев искрообразования на ряде ТЭД и в сопоставлении их с данными отказов этих же двигателей по условиям коммутации. В таблице 1 представлены критерии, по которым проводился расчет коммутационной напряженности для тяговых электрических двигателей электровозов постоянного и переменного тока ТЛ-2К1, НБ-418К6, НБ-511, НБ-514, НБ-520В.
Таблица 1 - Критерии коммутационной напряженности
Группа критериев Фамилия исследователя Условие безыскровой работы Критическое значение напряженности
Мощность (энергия), выделяющаяся в скользящем контакте Обобщенный показатель коммутационной напряженности Е. Арнольд В. С. Хвостов А. Б. Иоффе А. С. Курбасов A. Л. Курочка B. С. Хвостов L ■ 2 р _ 100 max 2tklrn, Пщ , Ltm A - с д х с Ф _ ^ (D г k _ eriaVk e 2t l ^k1 Щ e и £ = r k max, B 2/ CM tk i e К n rn K ~ l Щ Ру < 50 Вт/см А = (0,5 ^1) Фи = 0,7 ^1,5 Вт • м к «2200 2500 2 с • см кщ < 500 Вт/см
В дальнейших расчетах использовалась рейтинговая система, по которой двигателю с наибольшим рассчитанным значением критерия присваивался наименьший балл. Затем этот балл суммировался в рейтинг напряженности ТЭД (таблица 2).
Таблица 2 - Рейтинг напряженности ТЭД
ТЭД Суммарный балл напряженности Место в рейтинге
НБ-514Б 12 1
НБ-418К6 17 2
НБ-511 18 3
НБ-520В 21 4
ТЛ-2К1 22 5
t.2® ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 5
Сравнивая между собой выбранные образцы, можно отметить, что ТЭД НБ-514 электровоза ВЛ85 и его модификация «Б» электровоза 2ЭС5К «Ермак» являются наиболее напряженными в коммутационном отношении.
Для рассмотрения зависимости между отказами ТЭД и критериями напряженности использованы данные отдела ремонта локомотивной службы Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД).
В ходе исследования был рассчитан поток отказов тяговых электродвигателей по причине неудовлетворительной коммутации за период с 1999 по 2006 г. (таблица 3).
Таблица 3 - Распределение отказов ТЭД ВСЖД по причине неудовлетворительной коммутации
Тип ТЭД Количество ^тэд, ед. Количество отказавших ТЭД при пробеге 106 км, ед.
НБ-418К6 2133 32
НБ-514 2696 44
Согласно данным таблиц 2 и 3 двигатель НБ-514 имеет наибольший поток отказов и высший рейтинг по критериям коммутационной напряженности. Менее напряженным является двигатель НБ-418К6, что также подтверждается выбранными критериями. Расчеты проводились для условий ВСЖД.
В данной статье изложена основа настройки коммутации ТЭД при их ремонте в условиях заводов и депо.
Предлагаемая технология практически исключает влияние на результаты испытаний человеческого фактора и принятие решения по настройке коммутации ТЭД.
Изложенные требования к приборам по оценке уровня искрения, к комплектации испытательных станций и методике коррекции зазоров при настройке коммутации позволяют разработать технические условия и включить их в общий технологический процесс ремонта ТЭД.
Перспективным является рассмотрение коммутационного процесса с энергетической точки зрения как многофакторной системы.
Результаты расчета по критериям коммутационной напряженности коррелируются с потоком отказов ТЭД по причине неудовлетворительной коммутации.
По результатам приведенных расчетов наиболее близкими к практике являются обобщенные критерии В. С. Хвостова, А. Л. Курочки, А. С. Курбасова.
Приведенные данные еще раз подтверждают, что критерии искрообразования, основанные на энергетических параметрах коммутационного процесса, являются перспективными в части дальнейшего совершенствования измерительных приборов и экспериментальных исследований.
Список литературы
1. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.
2.Толкунов, В. П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / В. П. Толкунов. - М.: Энергия, 1979. - 224 с.
3. Курбасов, А. С. Критерии коммутационной напряженности машин постоянного тока [Текст] / A.C. Курбасов. // Электромеханика. - 1963. - № 9.
6 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба ^f®
