CC BY
23
УДК 621.313.2
В. В. Харламов, А. С. Хлопцов, С. Н. Найден
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТЕРМОГРАММ И РАСЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАГРЕВА СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА В КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОМ УЗЛЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Аннотация. В статье описывается разработанное программное обеспечение (ПО) Collector-Brush Heat для автоматической обработки термограмм, полученных в результате тепловизионного обследования КЩУ ТЭД. Разработанное ПО позволяет рассчитать интенсивность нагрева и построить кривую нагрева зоны «щетка -коллектор». Collector-Brush Heat разработано для применения в составе аппаратно-программного комплекса диагностирования состояния ТЭД.
Ключевые слова: коллекторно-щеточный узел, тяговый электродвигатель, тепловизор, термограмма, интенсивность нагрева, кривая нагрева, блок-схема, программное обеспечение.
Viktor V. Kharlamov, Andrey S. Khlopcov, Sergey N. Nayden
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, Russian Federation
AUTOMATIC THERMOGRAMS PROCESSING AND TRACTION DRIVE COLLECTOR-BRUSH HEATING RATE CALCULATION PC-APPLICATION
DEVELOPMENT
Abstract. This article describes developed «Collector-brush heat» pc-application », which is aimed to automatically process thermal images, received during thermos-vision of DC machine collector-brush unit. This application allows to calculate the thermal rate and to build collector-brush heating curve. The application is developed in order to apply it in the traction drive diagnostics hardware-software complex.
Keywords: collector-brush heat, traction drive, thermal imager, thermogram, heating rate, heating curve, flowchart, software.
Важным узлом машины постоянного тока является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). Согласно статистике до 33 % неисправностей тяговых электродвигателей (ТЭД) приходится на перенос электрической дуги по коллектору, и, как следствие, вывод подвижного состава из эксплуатации и дорогостоящий ремонт [1]. Одной из причин данных неисправностей является недостаточный процесс контроля качества проведенного ремонта ТЭД.
Современные методы диагностики КЩУ позволяют определить неисправности с высокой точностью, одним из таких методов является тепловизионный контроль. Данный метод обладает достоверностью, объективностью и точностью получаемых сведений, а также безопасностью при проведении обследования оборудования.
Сотрудники кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения уделяют большое внимание вопросам диагностики тяговых электродвигателей. Предложена методика обследования КЩУ с помощью тепловизора.
Процесс коммутации машины постоянного тока (МПТ) в значительной степени связан с тепловым состоянием машины [2]. На нагрев элементов КЩУ оказывают влияние большое количество факторов, различных по своей природе. Чрезмерный нагрев является следствием неисправности КЩУ или неправильной настройки режима работы машины постоянного тока [3]. При повышении температуры в зоне контакта «щетка - коллектор» изменяются токопроводя-щие свойства элементов КЩУ, что влияет на параметры работы машины и коммутационную устойчивость. В результате нарушение теплового состояния КЩУ ТЭД может привести к ин-
i№ 3(31) Л Л Jt ч ИЗВЕСТИЯ Транссиба 79
=2017
тенсивному искрению щеток и, как следствие, к повышенному износу и преждевременному выходу машины из строя [4]. Зная характер воздействия параметров работы машины на нагрев элементов в зоне КЩУ, можно дать определенную численную оценку причинно-следственных связей, что может быть использовано в процессе диагностирования технического состояния КЩУ и распознавания дефектов.
Таким образом, актуальной задачей является совершенствование методов диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла ТЭД с учетом его теплового состояния [5].
Согласно анализу параметров, позволяющих диагностировать техническое состояние КЩУ, установлено, что в их число входят интенсивность нагрева в зоне контакта «щетка - коллектор» [6]. Для расчета интенсивности нагрева КЩУ предложено использовать среднее приращение температуры на интервале с шагом регистрации температуры в 30 секунд, определяемой по кривой нагрева (рисунок 1):
1 п
оср =1 Ез (1)
р п 1=0
где 01 - приращение температуры в 1-й точке;
п - количество точек на интервале.
Нагрев в зоне коллекторно-щеточного узла происходит в два этапа: интенсивное повышение температуры зоны контакта в течение 2 - 4 минут в результате воздействия потерь непосредственно в зоне контакта Рконт, обусловленных механическим трением в контакте, протеканием тока через контакт, а также электродуговым искрением на сбегающем крае щетки. Дальнейшее повышение температуры происходит в результате нагрева при протекании тока в меди коллектора и обмотке якоря, это процесс занимает 10 - 15 минут, после чего температура достигает установившихся значений. Регистрация термограмм производится для определения интенсивности нагрева зоны контакта «щетка - коллектор», для этого требуется определять температуру точки зоны контакта «щетка - коллектор» на протяжении времени обследования.
40 °С 30 25 0 20 15 10 5
/ >г
/ ТД0
/
120 360 600 840 1080 1320 1-►
1800
Рисунок 1 - Диаграмма нагрева зоны контакта «щетка - коллектор»
Регистрация термограмм КЩУ может проводиться в двух режимах: видеозаписи и фото, в зависимости от возможностей тепловизора. Приборы с видеорегистрацией обладают рядом преимуществ по сравнению с тепловизорами только с возможностью фоторегистрации, но и цена их значительно выше, что не всегда оправданно в рамках конкретного исследования. При использовании фототепловизора ТБ8ТО-875-1 после рабочего сеанса регистрации термограмм пользователь получает набор из нескольких десятков файлов. Каждый из файлов содержит термограмму, зарегистрированную в определенный момент времени. Как правило, производители
0
тепловизоров поставляют и программное обеспечение для обработки термограмм, однако данное ПО не автоматизировано и каждый снимок приходится обрабатывать вручную. Это трудоемкий процесс, занимающий достаточно много времени, к тому же, вносящий погрешность оператора в результаты обработки.
Ручной режим обработки заключается в следующих действиях: после проведения эксперимента отсортировать файлы в хронологическом порядке, в свойствах каждого файла определить время создания и внести его в таблицу, в программе обработки данных определить температуру контакта «щетка - коллектор», внести в таблицу; затем по полученным данным строится кривая нагрева и проводится расчет интенсивности нагрева.
Для ускорения и упрощения диагностирования необходимо автоматизировать процесс расчета интенсивности нагрева, для чего необходимо разработать программное обеспечение, позволяющее обрабатывать единовременно набор термограмм.
Программный обработчик должен выполнять две основные функции для определения интенсивности нагрева:
1) на термограмме определять температуру видимой зоны контакта «щетка - коллектор»;
2) обрабатывать набор из нескольких десятков термограмм с привязкой каждой термограммы ко времени.
При термографическом обследовании КЩУ (рисунок 2) машины, работающей в номинальном режиме при отсутствии искрения, видно, что максимальная температура 52,6 и 51 °С в точках зоны контакта М2 и М3 соответственно. На поверхности «петушков» в точке М1 температура составила 48,2 °С. Тело щетки с противоположной точки зоны контакта нагрелось менее всего (точка М4, 43,6 °С). Таким образом, для определения температуры контакта достаточно определять на термограмме максимально нагретую точку.
Рисунок 2 - Термограмма КЩУ в номинальном режиме работы
Алгоритм расчета средней интенсивности нагрева зоны контакта «щетка - коллектор» приведен на рисунке 3.
Разработана программа для ЭВМ Collector-Brush Heat, позволяющая обработать термограммы, полученные в процессе регистрации теплового состояния КЩУ. Выходными данными программы являются кривая нагрева зоны контакта «щетка - коллектор» и значение интенсивности нагрева на заданном временном промежутке.
Отдельно взятая термограмма представляет собой массив данных, содержащий информацию о расположении точки на снимке и ее температуру. Файл термограммы также содержит данные о дате и времени фиксации, что позволяет вводить переменную времени. Это дает возможность выстраивать термограммы в хронологическом порядке.
№,п3(371) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 81
Рабочее окно программы Collector-Brush Heat представлено на рисунке 4.
Рисунок 3 - Блок-схема алгоритма расчета средней интенсивности нагрева зоны контакта «щетка - коллектор»
Рисунок 4 - Окно программы Collector-Brush Heat
При начале работы с программой пользователю требуется загрузить файлы термограмм рабочего сеанса, полученные с помощью тепловизора в формате «BMT» (Testo 875-2: Руководство по эксплуатации). Далее требуется определить временной интервал для расчета интенсивности нагрева в поле «Время». По умолчанию значение временного интервала составляет 300 секунд. Также необходимо задать значение временного шага в поле «Шаг». По умолчанию значение шага составляет 30 секунд.
При нажатии на кнопку «Рассчитать» программа рассчитывает интенсивность нагрева зоны контакта «щетка - коллектор» для заданного временного интервала с заданным шагом по алгоритму, представленному на рисунке 3.
После расчета в поле «Интенсивность нагрева» отображается значение интенсивности нагрева для данной кривой нагрева. В графическом поле отображается масштабированная кривая нагрева для заданного временного интервала.
Возможности программы подразумевают формирование проекта - набора термограмм для обработки с рассчитанной по ним кривой нагрева. С помощью кнопки «Сохранить проект» создается файл проекта в формате «DAT», что позволяет обратиться повторно к набору термограмм и кривой нагрева при повторном запуске программы и нажатии кнопки «Открыть проект».
Интерфейс программного обеспечения содержит следующие функции:
- загрузка файлов термограмм в формате «BMT»;
- графическое построение кривой нагрева;
- отображение рассчитанной интенсивности нагрева.
С помощью разработанного приложения проведено исследование нагрева контакта щетка-коллектор для вспомогательных машин подвижного состава П-31М при различных искусственно внесенных неисправностях. Значение интенсивности нагрева отражает действие локальных источников потерь в КЩУ на первых минутах работы машины. Кривые нагрева при повышенной интенсивности искрения, использовании не притёртой щетки, а также увеличенном нажатии на щетку приведены на рисунке 5. Программой определена повышенная интенсивность нагрева на первых минутах работы машины в связи с действием факторов механической и электромагнитной природы.
ео
Рисунок 5 - Кривая нагрева КЩУ П31-М при различных внесенных неисправностях: 1 - повышенный уровень искрения, 2 - использование непритертой щетки, 3 - увеличенное нажатие на щетку
Разработанное программное обеспечение дает возможность быстро и точно строить кривые нагрева, а также рассчитывать интенсивность нагрева, что позволяет использовать его в тепло-визионной диагностике тяговых электродвигателей и других электрических машин. При ис-
i№ 3(31) Л Л л ч ИЗВЕСТИЯ Транссиба 83
=2017
пользовании подобного программного обеспечения процесс диагностирования может занимать меньше времени, что очень важно для приемосдаточных испытаний в депо.
Список литературы
1. Деятельность «РЖД» // ОАО «РЖД». - Режим доступа: URL: http://rzd.ru/static/ public/ru?STRUCTURE_ID=660, свободный. (Дата обращения 27.11.2016).
2. Вегнер, О. Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока [Текст] / О. Г. Вег-нер. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 156 с.
3. Совершенствование процесса диагностирования коллектора тяговых электродвигателей с помощью прибора ПКП-4М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун и др. // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2013 - № 1 (13). - С. 42 - 48.
4. Хлопцов, А. С. Исследование интенсивности нагрева контакта щетка-коллектор машины постоянного тока [Текст] / А. С. Хлопцов, М. Ф. Байсадыков, С. Н. Найден // Материалы XII междунар. науч.-практ. конф. «Современные научные исследования: инновации и опыт» / Межотраслевой ин-т «Наука и образование». - Екатеринбург, 2015. - С. 68 - 71.
5. Хлопцов, А. С. Применение тепловизионного метода для исследования тепловых процессов в зоне коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя подвижного состава [Текст] / А. С. Хлопцов, А. В. Долгова, П. К. Шкодун // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2015. - № 2 (22). - С. 45 - 51.
6. Формирование граф-модели диагностирования коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя с учетом тепловых факторов / В. В. Харламов, П. К. Шкодун и др. // Известия Томского политехн. ун-та. - Томск. - 2016. - T. 327. - № 1. - С. 84 - 91.
References
1. Activities of Russian Railways // ОАО «РЖД». - Access mode : URL: http://rzd.ru/static/public/ru?STRUCTURE_ID=660, free. - (Date of access 27.11.2016).
2. Vegner O. G. Teoriia i praktika kommutatsii mashin postoiannogo toka (Commutation of DC machines: theory and practice). Moscow: Gosekonomizdat, 1961, 156 p.
3. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Akhunov D. A., Khloptsov A. S. Traction drives diagnostic process development with PKP-4M equipment [Sovershenstvovanie protsessa diagnostirovaniia kollektora tiagovykh elektrodvigatelei s pomoshch'iu pribora PKP-4M]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2013, no. 1 (13), pp. 42 - 48.
4. Khloptsov A. S., Baysadykov M. F., Nayden S. N. DC machine collector-brush contact thermal rate research [Issledovanie intensivnosti nagreva kontakta shchetka-kollektor mashiny postoiannogo toka]. Materialy XII mezhdunar. nauchno-prakticheskoy konferencii «Sovremennye nauchnye issledo-vaniia: innovatsii i opyt» (Materials XII International Conference materials «Modern scientific research: innovations and experience»). Ekaterinburg, 2015, pp. 68 - 71.
5. Khlotpsov A. S., Dolgova A. V., Shkodun P. K. Thermal imaging method applying for traction drive collector-brush heat thermal processes research [Primenenie teplovizionnogo metoda dlia issle-dovaniia teplovykh protsessov v zone kollektorno-shchetochnogo uzla tiagovogo elektrodvigatelia podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - The journal of Transsib Railway Studies, 2015, no. 2 (22), pp. 45 - 51.
6. Kharlamov V. V., Shkodun P. K., Khloptsov A. S., Dolgova A. V. Traction drive collector-brush heat diagnostic graph-model composing with thermal factors [Formirovanie graf-modeli diag-nostirovaniia kollektorno-shchetochnogo uzla tiagovogo elektrodvigatelia s uchetom teplovykh faktorov]. Izvestiya Tomskogo polytehnicheskogo universiteta - Proceedings of Tomsk Polytechnic University, 2016, T. 327, no. 1, pp. 84 - 91.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Харламов Виктор Васильевич Kharlamov Victor Vasilyevich
Омский государственный университет путей Omsk State Transport University (OSTU).
сообщения (ОмГУПС). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russiаn Federation.
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа.
E-mail: emoe@omgups.ru
Хлопцов Андрей Сергеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Инженер кафедры «Автоматика и системы управления», ОмГУПС.
Найден Сергей Николаевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС.
Тел.: +7 (923) 737-1027.
E-mail: sergeynayden@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Харламов, В. В. Разработка программного обеспечения для автоматической обработки термограмм и расчета интенсивности нагрева скользящего контакта в коллекторно-щеточном узле тягового электродвигателя [Текст] / В. В. Харламов, А. С. Хлопцов, С. Н. Найден // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 3 (31). -С. 79 - 85.
Doctor of technical science, professor, the head of department «Electrical machines and general electrical engineering» OSTU.
E-mail: emoe@omgups.ru
Khloptsov Andrey Sergeevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35 Marx Avenue, Omsk, 644046, Russia Engineer of Department «Automatics and Control Systems»
Phone: +7 (913) 1450723 E-mail: khloptsov@mail.ru
Nayden Sergey Nikolaevich
Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Graduate student of electrical machinery and general electrical engineering of the Omsk State Transport University, Omsk
Тел.: +7 (923) 737-1027. E-mail: sergeynayden@gmail.com
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kharlamov V. V., Khloptsov A. S., Naiden S. N. Automatic thermograms processing and traction drive collector-brush heating rate calculation pc-application development. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 31, no. 3, pp. 79 - 85. (In Russian).
УДК 629.4.084
С. Г. Шантаренко, М. Ф. Капустьян, О. П. Супчинский
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ И МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕМОНТЕ ЛОКОМОТИВОВ НОВЫХ СЕРИЙ
С УЧЕТОМ СЛУЧАЙНО ВОЗНИКАЮЩИХ ОТКАЗОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация. Рассмотрены вопросы оптимизации организации технического обслуживания и ремонта локомотивов за счет новых подходов расчета норм запасных частей и материалов. Приведены модели систем транспортных средств, состоящих из парка эксплуатируемых локомотивов, с учетом всех состояний.
Ключевые слова: подвижной состав, ремонт локомотивов, норма расхода материалов, страховой запас, надежность транспортных систем.
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 85
