Оценка влияния профиля коллектора машины постоянного тока на работу скользящего контакта Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.313

В. В. ХАРЛАМОВ Д. И. ПОПОВ М. Ф. БАЙСАДЫКОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА РАБОТУ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА_

Данная статья содержит результаты, полученные при исследовании взаимодействия щетки машины постоянного тока с коллектором в процессе работы машины постоянного тока. Составлены расчетная схема и математическая модель движения щетки в окне щеткодержателя при вращении коллектора. Проведен анализ полученных расчетных графиков перемещения щетки.

Ключевые слова: машины постоянного тока, электрические щетки, износ щеток, коллекторно-щеточный узел.

Повышение технико-эксплуатационных характеристик машин постоянного тока (МПТ) ограничивается в большей степени надежностью работы коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Коммутационная устойчивость МПТ в значительной мере определяется электромеханическими факторами, связанными с работой КЩУ [1].

Одна из причин неудовлетворительной коммутации — нестабильность скользящего контакта [2], приводящая в том числе к отрыву щеток и, следовательно, к искрообразованию даже при малых частотах вращения. В связи с этим актуальной является задача по определению воздействия профиля коллектора на устойчивость работы контакта «щетка — коллектор».

Наиболее распространенные конструкции КЩУ включают в себя следующие элементы: щетку, опирающуюся на поверхность коллектора, корпус щеткодержателя и рычаг с нажимной пружиной.

Особенностью работы КЩУ как механической системы является тот факт, что, за счет вращения коллектора и силы нажатия щетки на него, на щетку действует сила трения, направленная в сторону вращения коллектора по касательной к его поверхности [3].

Для определения воздействия профиля коллектора на устойчивость работы контакта «щетка — коллектор» составлена расчетная схема, соответствующая наиболее распространенной конструкции щеткодержателя МПТ (рис. 1).

При составлении схемы и дифференциальных уравнений были приняты следующие допущения:

1. Угловая скорость коллектора считается постоянной.

2. Силы взаимодействия щетки со стенками щеткодержателя и поверхностью коллектора считаются упругими.

3. Вязкими силами в точках контакта щетки с боковыми стенками щеткодержателя и поверхностью коллектора пренебрегаем ввиду малых величин скорости перемещения щетки.

4. Воздействие пружины на щетку осуществляется через рычаг щеткодержателя; давление от пружины принято постоянным ввиду незначительного изменения величины нажатия при деформации пружины.

5. Силы трения между щеткой и другими элементами пропорциональны нормальному давлению (линейные).

6. Щетка является абсолютно твердым телом, деформация щетки отсутствует.

На схеме можно выделить следующие элементы: корпус щеткодержателя, щетку и нажимной рычаг щеткодержателя. Между щеткой и боковыми стенками щеткодержателя имеется сила сухого трения. Сверху щетка прижимается к коллектору нажимным рычагом в точке А. Сила нажатия на щетку определяется силой упругости нажимной пружины, имеющей жесткость Жпр. Между щеткой и стенками окна щеткодержателя имеется суммарный зазор А.

Для оценки расчета перемещений щетки в щеткодержателе (с учетом сил, действующих на щетку) при вращении коллектора составим и запишем систему дифференциальных уравнений движения щетки в виде

№+¥тф+¥тф2 - Рк -Mg+Pк=0, Му +Fтpp+FтPк - ^2=0,

(1)

где z(t) — оРобщенная координата щетки по вертикальной оси (соответствует координате правого края щетки);

y(t) — обобщонная координата щетки по горизонтальной оси ( (оответствует координате нижнего края щетки);

М — масса щетки с учетом массы рычага щеткодержателя;

т — угловая скорость якоря электродвигателя, рад/с;

Рк — упругая сила в контакте щетки и коллекторной пластины;

Рис. 1. Расчетная схема коллекторно-щеточного узла

Профиль коллектора"

Рис. 2. Контакт щетки с поверхностью коллектора

50

п о

о и

-50

ч

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Номер ламели ->

Рис. 3. Профилограмма коллектора двигателя П31М

Рр — вертикальная сила нажатия рычага на щетку в точке А;

^трр=/Щд 'Рр ' згдп(у) — сила трения между щеткой и рычагом щеткодержателя;

Р =[ ■ Р — сила трения между щеткой и коллек-

трк к к 1 1

торной пластиной;

— коэффициент сухого трения скольжения между поверхностью контакта щетки и коллекторной пластиной;

Р ,=( „ ■ У, ■ 81ап(г); Р ={ , ■ У„ ■ Б1дп(г) — сила трения

тщд1 щд 1 ^ ' ' тщд2 щд 2 •-> у ' ^

между щеткой и стенками щеткодержателя; Щ— коэффициент сухого трения скольжения между поверхностью контакта щетки и боковыми стенками щеткодержателя;

У1, У2 — горизонтальные упругие силы в точках контакта щетки с боковыми стенками щеткодержателя, пропорциональные упругой деформации; Мд — сила тяжести, действующая на щетку.

Контакт щетки в зависимости от щеточного перекрытия возможен одновременно с несколькими коллекторными пластинами (рис. 2). Поэтому механическое воздействие со стороны коллектора на щетку передается от каждой коллекторной пластины. Таким образом, упругую силу воздействия со стороны коллектора на щеткуможно определить следующим образом:

Рд

(2)

где 8д — проекция объема деформируемого

материала коллектора на вертикальную плоскость; Ъ^. — ширина перекрытия щеткой г-й пластины коллектора;

8 =(n■(t)—z(t)) — величина линейной деформации г-й пластины коллектора, находящейся под щеткой;

— высота г-й пластины коллектора; п — номер пластины, контактирующей со сбегающим краем щетки;

у — величина щеточного перекрытия, округленная в большую сторону до целого числа; ск — коэффициент упругости материала коллектора.

Воздействие неровностей поверхности коллектора на стабильность контакта рассмотрим на примере реального профиля коллектора двигателя П31М. Профилограмма коллектора представлена на рис. 3.

В результате решения системы дифференциальных уравнений (1) численным методом Рунге — Кутта с использованием математического программного пакета МаШса<3 14 получены следующие результаты по горизонтальному и вертикальному перемещению щетки при движении ее по коллектору, приведенные на рис. 4.

На графике тангенциальных перемещений (рис. 4б) выделены два участка БТ и ТУ: на участке времени от точки Б до точки Т щетка прижата к правой стенке щеткодержателя (у > 0); на участке

-40

V /

\ Пр офилог рамма /

У'' Перем ещение / г

/ Г

10 12 14 16 мс 20

Рис. 4. Перемещение щетки при движении ее по коллектору: а — радиальное перемещение щетки; б — тангенциальное перемещение щетки

Рис. 5. Фрагменты графика движения щетки по одному участку коллектора и упругие силы в зоне контакта «щетка — коллектор» при скорости вращения двигателя: а — 3000 об/мин; б — 1500 об/мин

ТУ щетка отскочила от правой стенки щеткодержателя (у < 0).

Для оценки влияния неровности профиля коллектора на стабильность работы контакта «щетка — коллектор» можно использовать величину упругой силы контакта Рк [4].

На рис. 5 приведены фрагменты графика движения щетки по одному участку коллектора и упругие силы в зоне контакта «щетка — коллектор» при различных скоростях вращения двигателя.

На графике радиальных перемещений можно выделить две зоны, на участке от точки К до точки Ь происходит отрыв щетки от поверхности коллектора (Рк=0), а на участке ЬМ щетка прижата к коллектору.

Радиальные колебания щетки приводят к изменению силы упругого контакта Рк, вследствие чего происходит изменение падения напряжения под щеткой, а следовательно, и нарушение оптимальных условий коммутации. Тангенциальные же колебания, в свою очередь, приводят к изменению периода коммутации секций якорной обмотки, что также обусловливает появление неидентичности коммутационных циклов [5].

Анализ полученных данных показывает, что воздействие профиля коллектора в значительной мере влияет на состояние коммутации МПТ, а следовательно, и на износ элементов КЩУ. В работе [6] приводится алгоритм по определению износа элементов КЩУ, где автор учитывает механическое воздействие на щетку со стороны коллектора путем введения соответствующего виброускорения в алгоритм прогнозирования износа.

Представленная математическая модель может быть использована для определения виброускорения щетки, обусловленного воздействием со стороны коллектора, и, таким образом, для прогнозирования ресурса работы щеток с учетом режимов работы двигателя.

Библиографический список

1. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба. - 2012. - № 2 (10). -С. 2-6.

2. Ахунов, Д. А. Определение диагностических параметров для оценки состояния профиля коллектора тягового электродвигателя / В. В. Харламов, Д. А. Ахунов, Р. В. Сергеев, А. В. Долгова, П. К. Шкодун // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2011. - 1 (97). -С. 121-125.

3. Харламов, В. В. Совершенствование технологии диагностирования технического состояния коллекторно-щеточно-го узла тяговых электродвигателей электровозов : моногр. / В. В. Харламов, Д. А. Ахунов, А. В. Долгова. - Омск, 2015. -233 с.

4. Ахунов, Д. А. Совершенствование методов оценки технического состояния коллектора электрических машин постоянного тока : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.01 / Ахунов Данил Асгатович. - Омск, 2013. - 133 с.

5. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба. - 2013. - № 1 (13). - С. 42 - 48.

б

а

б

а

6. Качин, О. С. Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.01. Качин Олег Сергеевич. — Томск, 2008. - 178 с.

ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой электрических машин и общей электротехники.

ПОПОВ Денис Игоревич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры электрических машин и общей электротехники. БАЙСАДЫКОВ Марсель Фаритович, аспирант кафедры электрических машин и общей электротехники.

Адрес для переписки: marsel_b@mail.ru

Статья поступила в редакцию 13.04.2016 г. © В. В. Харламов, Д. И. Попов, М. Ф. Байсадыков

УДК 621.313:621.7.08

В. В. ХАРЛАМОВ Д. И. ПОПОВ А. П. АФОНИН А. С. ОГНЕВСКИЙ

Омский государственный университет путей сообщения

ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С УЧЕТОМ НЕИДЕНТИЧНОСТИ КОММУТАЦИОННЫХ ЦИКЛОВ

В статье приведены двудольные графы соответствия дефектов и диагностических параметров коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока. На основании проведенных экспериментов получены уравнения регрессии, позволившие проанализировать влияние различных факторов на интенсивность искрения, а также неидентичность в коммутации как в одной и той же секции от оборота к обороту якоря (неидентичность во времени), так и в различных секциях за один оборот якоря (неидентичность по коллектору). Даны рекомендации по повышению достоверности диагностирования механических неисправностей.

Ключевые слова: электрическая машина, диагностические параметры, коллек-торно-щеточный узел, неидентичность коммутационных циклов, среднее ква-дратическое отклонение интенсивности искрения.

На техническое состояние коллекторно-щеточ-ного узла (КЩУ) электрической машины оказывает влияние множество факторов [1] электромагнитной и механической природы, связанных с различными параметрами машины, а также с несимметрией ее геометрии, что приводит к неидентичности коммутационных циклов [2]. Кроме того, значительное влияние оказывают и внешние факторы, связанные с условиями работы, например температура окружающей среды, влажность, внешняя вибрация и другие [3].

Анализ коммутационного процесса коллекторных электрических машин показывает, что в результате действия множества факторов различной природы возникает неидентичность коммутационных циклов в секциях обмотки якоря. При этом неидентичность выражена в коммутации как

в одной и той же секции от оборота к обороту якоря (неидентичность во времени), так и в различных секциях за один оборот якоря (неидентичность по коллектору).

В связи с этим предложено состояние коммутации машин постоянного тока (МПТ) оценивать не только по среднему значению интенсивности искрения, но и по среднему квадратическому отклонению (СКО) интенсивности искрения во времени и по коллектору.

Для выявления диагностических параметров, позволяющих оценить техническое состояние КЩУ электрической машины и отвечающих требованиям доступности измерения, достоверности результатов измерения, информативности и различительной способности, применен графоаналитический метод с последующей декомпозицией исходной