Математические модели надежности коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока

Ш.К. Исмаилов; Е.И. Селиванов; А.Л. Золкин

Механика и машиностроение

УДК 629.4: 625.1

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

1Омский государственный университет путей сообщения,

2Самарский государственный университет путей сообщения

Поступила в редакцию 10.11.2011

Работоспособность и долговечность коллекторно-щеточного узла (КЩУ) машин постоянного тока (МПТ) локомотивов определяются в эксплуатации воздействием трех групп основных факторов: связанных с электромагнитными процессами, механическими воздействиями и физико-химической природой электрического скользящего контакта (ЭСК).

К факторам электромагнитного характера относятся электромагнитные нагрузки, межламельные напряжения, реактивные ЭДС, токовые перегрузки и др. Факторы механического воздействия определяются технологическими и конструктивными особенностями МПТ (ослабление прессовки, эксцентриситет и эллиптичность коллектора, частота вращения якоря, уровень вибрации в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и др./1,2/.

Факторы физико-химической природы ЭСК определяются условиями токосъема и состоянием окружающей среды (износ щеток и коллектора, нажатие на щетку, материал коллектора, температура, влажность, запыленность и др.). Следует упомянуть об образовании контактной пленки (политуры) на поверхности коллектора. Наличие пленки значительно снижает скорость износа коллектора и способствует более благоприятному распределению тока под щетками. Влага, наличие в среде активных газов и особенно запыленность оказывают разрушающее воздействие на материал коллектора. Кроме того, значительное число повреждений коллекторов вызывается трением щеток о коллектор и высокой плотностью токов под щетками при их неплотном прилегании к коллектору, что сопровождается существенным повышением температуры (местный перегрев отдельных участков). В результате этого наступает термическая ионизация щеточных контактов. Размыкание и замыкание контактных точек на поверхности коллектора с образованием малых электрических дуг приводят к разрушению поверхности коллектора и щеток.

Наиболее эффективными средствами уменьшения износа коллектора и щеток являются улучшение условий коммутации МПТ путем корректировки магнитной системы дополнительных полюсов (ДП), подбор марки и размера щеток для данной мощности, снижение окружной скорости коллектора и выбор оптимального давления щетки на коллектор. Существенной является также тщательная баланси-

ровка якоря для снижения вибрации на коллекторе /2/.

Данные эксплуатации и эксперимента полученные В.Г. Щербаковым /5/ показывают, что износ коллекторов при непрерывной работе МПТ находится в пределах 0,03 - 2 мм в год, для коллекторов, изготовленных из меди М1, он составляет 0,36 и 0,2 мм за 10000 ч. /2/.Данные интенсивности износа КЩУ при использовании щеток МПТ различных серий электровозов приведены в таблице.

Совместный анализ физических факторов, воздействующих на КЩУ, и статистических данных, получаемых в результате испытаний, экспериментов и эксплуатации МПТ, позволяет решать задачи создания математических моделей надежности КЩУ МПТ.

Таблица. Интенсивность износа коллекторов и щеток различных типов МПТ при работе со щетками различных марок

Серия элек- трово- за Тип двигателя Значения интенсивности износа коллекторов (мм/105 км, числитель) и щеток (мм/104 км, знаменатель) при работе двигателей со щетками марок

ЭГ2 А ЭГ7 4 ЭГ7 4А ЭГ6 1 EG9 7B ЭГ6 1А

ВЛ80Т НБ- 418К6 - - 0,12 3,26 0,07 2,09 - 0,05 1,35

ВЛ80Т НБ-504А - - - 0,04 1,60 - -

ВЛ10 ТЛ-2К1 0,17 - - 0,04 1,90 - 1,20

ВЛ60 НБ- 412М 0,21 4,20 0,20 3,30 0,06 2,80 0,03 1,80 3,20 -

ВЛ8 НБ-406Б 0,15 3,00 2,50 2,20 0,08 1,85 2,50 -

ВЛ82 НБ-420Б 4,30 - 0,10 0,07 - -

ВЛ22М ДПЭ400 3,30 0,12 2,50 2,30 - 2,50 -

«Ф» ТА0649 В - - - - 0,07 -

ЧС2 ЛЬ4846ет - - - -

ЧС4 ЛЬ4442п р - - - - -

1059

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

Математическая модель надежности - это определенное математическое выражение, связывающее значения физических параметров системы, за определенный пробег или иных единичных показателей надежности, например, средней наработки до отказа, интенсивности отказов и т.д./3,4/.

При построении математических моделей надежности широко используются методы теории вероятностей и математической статистики. Вначале решается задача по определению закона распределения отказов. С этой целью строятся гистограммы отказов и делается предположение о законе распределения. Дальнейшая проверка соответствия теоретического и экспериментального распределения позволяет уточнить закон распределения. Так, установлено, что для большинства МПТ износ щеток описывается с достаточной степенью точности нормальным или логарифмически нормальным законами. В некоторых случаях надежность КЩУ определяется только износом коллектора /1,2,/.

В качестве примера приведем результаты исследований Пискунова С.А. и Стрельбицкого Э.К. по МПТ типа ПМ/7,8/, у которых преобладает электроискровой износ. Уровень искрения оценивается длительностью Tg горения (в микросекундах) искровых разрядов между щеткой и коллекторной пластиной. Наработка на отказ в этом случае определялась временем работы МПТ до момента прогорания ламелей на один паз по всей ширине. Считая, что скорость а (в миллиметрах в час) износа пропорциональна числу искровых разрядов в единицу времени (частота вращения якоря п, об/мин), обратно пропорциональна суммарной длине сбегающего края щеток (в сантиметрах) из одного бракета вдоль оси коллектора, а запас энергии в дуге обратно пропорционален индуктивности разрываемого контура Ьр (в Генри), получим а = 8,73 • 10-2 • п • rg / ещ • Ьр /1,2/.

На скорость износа коллекторов а влияет большое количество разнородных по своей природе случайных факторов, поэтому распределение а считается нормальным. Используя закон нормального распределения величины износа, определяют вероятность безотказной работы коллектора в функции времени или пробега и уровня искрения в КЩУ. Наработка до отказа отдельных МПТ достигала более 25000 ч, причем выявлена зависимость срока службы от температуры, окружной скорости, вибрации и марки применяемых щеток.

Мощным инструментом при построении моделей надежности как коллекторных, так и иных узлов МПТ является применение методов теории планирования эксперимента /1/. При использовании любого из методов МПТ подвергается воздействию определенных факторов и фиксируется ее реакция на данное воздействие. После математической обработки результатов получается модель надежности исследуемого узла МПТ в функции от воздействующих факторов.

С помощью методов теории планирования экспериментов Кузнецовым Н.Л. были определены время безотказной работы (?р) коллекторного узла в электромашинных преобразователях при изменении температуры 0 (°С), вибрация (двойная амплитуда вибрации - 2 А) и частота вращения ротора п. Для получения зависимости названных параметров друг от друга - ?р от 0, вибрации и п - был проведен дробный факторный эксперимент типа 23-1. Интервалы варьирования факторов были такими: температура менялась от 20 до 100°С, вибрация - от 20 до 80 мкм, частота вращения - от 3000 до 4000 об/мин. За нижний уровень диапазона варьирования были взяты параметры номинального режима. В результате обработки результатов получена интерполяционная формула: ?р = 71410 — 162 0 - 223(2 А) - 12п. По данной формуле построена номограмма, по которой можно определить время безотказной работы КЩУ при различных условиях работы МПТ, а на этапе проектирования оценить ресурс КЩУ и провести экономическое обоснование различных показателей /6/.

Математическая модель надежности электрощеток позволяет рассчитать Рщ (?) при различных значениях V и ущ. Решается и обратная задача: для заданной вероятности Рщ (?) можно определить допустимые значения факторов V и jm.

При построении моделей надежности КЩУ, а также при проверке их адекватности важнейшим этапом являются испытания на надежность. Оценка состояния КЩУ производится с помощью различных критериев.

К критериям работоспособности относятся: искрение в КЩУ; биение коллектора; износ щеток; износ и температура коллектора; ширина безыскровой зоны; величина небалансной ЭДС и др. К критериям отказа относятся: превышение уровня искрения выше допустимого; скорость или величина износа щеток; износ коллектора выше допустимого значения; значение температуры коллектора выше допустимого уровня; стабильность переходного сопротивления щеточного контакта и превышение допустимого значения биения коллектора /1,2/.

Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания МПТ позволяют сделать вывод о том, что наиболее общими критериями оценки качества работы КЩУ являются среднеквадратическое отклонение перепада уровней коллекторных пластин и уровень искрения. Причем если первый критерий включает в себя в основном причины механического характера, то второй является наиболее общим и включает в себя все три вида причин (электромагнитные, механические, физико-химические), обусловливающих коммутационный процесс. Кроме того, метод оценки качества коммутации по уровню искрения официально принят ГОСТ 183-74, что является одним из элементов, препятствующих построению моделей надежности КЩУ МПТ.

1060

Механика и машиностроение

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ермолин Н.П. Надежность электрических машин / Н.П.Ермолин, И.П. Жерихин. Л.: Энергия, 1976. 206с.

2. Исмаилов Ш.К. Повышение ресурса изоляции электриче-

ских машин подвижного состава : Монография /Ш.К. Исмаилов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 391с.

3. Галкин В.Г. Надежность тягового подвижного состава / В.Г.Галкин, В.П. Парамзин, В.А.Четвергов: Учебное пособие: М.: Транспорт, 1981. 184с.

4. Исмаилов Ш.К. Математическая модель ремонта тяговых

электрических машин тягового подвижного состава / Ш.К. Исмаилов, О.В. Гателюк, Вестник РГУПС. - 2011.-№ 1.- С.58 - 62.

5. Щербаков В.Г. Выбор оптимальной ширины электрощеток

для тяговых электродвигателей электровозов /

B. Г.Щербаков // Электротехника. 1974. №5. С.32 - 36.

6. Копылов И.П. Определение коэффициентов ускорения коллекторного узла электромашинного преобразователя при ускоренных испытаниях / И.П.Копылов, Н.Л. Кузнецов, А.И. Голубович // Труды / МЭИ. М., 1976. Вып. 285.

C. 18 - 21.

7. Пискунов С.А. Вопросы эксплуатации коллекторов элек-

трических машин / С.А. Пискунов // Промышленная энергетика, 1962. №5. С. 6 - 9.

8. Стрельбицкий Э.К. Износ коллекторов машин постоянно-

го тока коммутационным искрением и расчет долговечности коллекторов / Э.К.Стрельбицкий, В.С. Стукач, А.Я. Цирюлик // Изв. Томского политехн. ин-та. Томск, 1970. Т.211. С. 97 - 102.

MATHEMATICAL MODELS OF RELIABILITY OF THE COMMUTATOR-AND-BRUSH ASSEMBLY IN DC MACHINES

2Samara State University of Transport

1061

Математические модели надежности коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Ш.К. Исмаилов, Е.И. Селиванов, А.Л. Золкин

Текст научной работы на тему «Математические модели надежности коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока»