Совершенствование метода оценки износа коллектора тягового электродвигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК б21-313-2 А. в. ДОЛГОВА

Омский государственный университет путей сообщения

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ

МЕТОДА ОЦЕНКИ ИЗНОСА КОЛЛЕКТОРА

ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ________________

Статья посвящена актуальным проблемам оценки износа коллектора тягового электродвигателя. По результатам проведенных исследований предложена методика и алгоритм оценки износа ламелей коллектора механической и электроэрози-онной природы при использовании метода микрометрических измерений. Ключевые слова: тяговый электродвигатель, профиль коллектора, коммутация, механический износ, электроэрозионный износ.

В процессе эксплуатации тяговых электродвигателей (ТЭД) в значительной мере изнашиваются элементы коллекторно-щеточного узла. Определение износа пары трения является достаточно трудоемкой задачей, требующей больших затрат времени и средств. Измерение износа коллектора ТЭД, как правило, неразрывно связано с разборкой электродвигателя. Ввиду этого не все существующие методы определения износа (рис. 1) могут быть приемлемыми и технически реализуемыми для коллекторов ТЭД. Среди приведенных методов наиболее приемлемыми для определения износа коллектора являются: метод микрометрических измерений и шаблонный метод, которые относятся к периодическому контролю. К достоинствам метода микрометрических измерений следует отнести достаточно высокую точность и простоту методики измерений, однако при его применении возникают сложности с использованием модифицированного измерительного инструмента. Шаблонный метод (рис. 2), обладая меньшей точностью, требует изготовления шаблонов сравнительно простой формы и небольших габаритов [1].

Таким образом, исходя из вышесказанного, возникает задача создания методики комплексного определения износа коллектора ТЭД, используя известные методы.

Для оценки износа коллектора ТЭД выделим две составляющие: механическую и электроэрозион-ную.

Рассматривая вопросы изнашивания коллектора ТЭД, следует учитывать условия работы скользящего контакта. Известно, что последняя секция в пазу коммутируется в наиболее сложных условиях, что повышает вероятность образования дугового искрения на заключительном этапе коммутации. Ламели коллектора, подключенные к этим секциям, в первую очередь подвергаются электроэрозионному износу [2]. Таким образом, при прохождении сбегающего края щетки над коллекторной пластиной, искрение способствует выгоранию металла с поверхности ламели, образуя раковины, что изменяет шероховатость контактной пары «коллектор-щетка» и, как следствие, увеличивает механическую составляющую износа. Уменьшение ширины пластины коллектора вследствие электроэрозионного износа, в свою очередь, обусловливает неидентич-ность коммутационных циклов, в конечном счете, приводя к постепенному выгоранию ламели (рис. 3) и, как следствие, круговому огню по коллектору.

Механическому износу подвергаются все пластины коллектора. Учитывая, что ламели коллектора, соединенные с последними секциями обмотки в пазу подвергаются электроэрозионному износу гораздо больше, чем механическому, то механическую составляющую целесообразно оценивать по пластинам, находящимся между ламелями последних секций в пазу. Следует также отметить, что преобладающую роль в процессе изнашивания коллекторных пластин играет электроэрозионная составляющая.

Рис. 1. Классификация методов определения износа

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

227

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

228

Рис. 2. Шаблонный метод определения износа

Рис. 3. Схема распространения электроэрозионного износа ламели коллектора

троль состояния рабочей поверхности коллектора двигателя путем измерения расстояния между датчиком и контролируемой поверхностью. Датчиком прибора является дифференциальный вихретоковый параметрический преобразователь, установленный в окне корпуса над следами щеток и нерабочей поверхностью коллектора (рис. 4). Регистрация профиля осуществлялась цифровым накопителем, который, выполняя аналого-цифровое преобразование сигнала, записывал полученную информацию во встроенное оперативно-запоминающее устройство [3].

Оценим механическую составляющую износа коллектора. Поскольку форма профиля коллектора в значительной степени определяется состоянием оборудования, предназначенного для формовки коллектора и его ремонта, то под воздействием механических и тепловых деформаций в случае некачественной формовки коллектора происходит сдвиг коллекторных пластин относительно друг друга. Отклонению формы профиля коллектора от цилиндрической также способствуют погрешности при обработке коллектора и некачественная сборка электродвигателя.

Для обработки результатов эксперимента исключим из расчета первую и вторую гармонические составляющие, учитывающие биение и эксцентриситет коллектора, и приведем полученную профилограмму базового следа (рис. 5) на различных этапах эксперимента [4].

Определим значения относительных высот ламелей коллектора базового следа в исходном состоянии как множество А , значения, выбранного для оценки износа следа В ; значения относительных высот ламелей коллектора базового следа после проведения испытаний как множество А , значения

^ х,ш

выбранного для оценки износа следа Вхш (рис. 6). Для множеств А „ и В „, а также А и В найдем со-

1 ' х,0 х,0 х,ш х,ш ^

ответствующую разность, обозначив результат как множества С „ и С .

х,0 х,т

Рис. 4. Схема расположения датчика прибора ПКП-4М над коллектором электродвигателя

Как правило, анализ работы электродвигателя производят либо путем математического моделирования, либо с помощью проведения непосредственного испытания машины на испытательной станции или специализированном стенде. Поскольку математические модели учитывают определенные допущения, то результаты моделирования могут иметь отклонения от экспериментальных значений, в то время как использование непосредственных испытаний являются сложными и дорогостоящими в практическом осуществлении. С помощью известной теории подобия и размерностей получены критерии подобия для ТЭД ТЛ-2К1 и электродвигателя постоянного тока П31М, позволяющие определить параметры модельной машины, а также распространить результаты исследований на ТЭД.

Для сравнительной оценки известных методик определения износа коллектора механической и электроэрозионной природы в лабораторных условиях поставлен эксперимент. В процессе проведения исследований регистрировались профилограммы с помощью прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, разработанного на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа, осуществляющего бесконтактный кон-

(1)

Для полученных множеств Сх0 и Схт также определим абсолютное значение разности:

(2)

Полученное множество Ахш значений содержит в себе два подмножества: Ехк — электроэрозионную составляющую износа и Мх{х_п) — механическую составляющую износа.

Установим численные значения элементов подмножеств Ехк и М . Ввиду того, что электроэрози-

онному износу в наибольшей степени подвергаются пластины коллектора, соединенные с последними секциями в пазу, то целесообразно выделить эти пластины из общего множества. Для модельной машины П31М электроэрозионному износу подвергается каждая четвертая ламель, следовательно, элек-троэрозионную составляющую можно определить следующим образом:

Ех,к=~

(3)

Таблица 1

Результаты оценки электроэрозионной составляющей износа коллектора

Время испытаний След 1, мкм След 2, мкм След 3, мкм

400 минут 1,37 1,39 0,87

670 минут 1,61 1,83 0,98

Таблица 2

Результаты оценки механической составляющей износа коллектора

Время испытаний След 1, мкм След 2, мкм След 3, мкм

400 минут 0,89 1,29 0,59

670 минут 1,55 1,35 0,64

где — число ламелей, соответствующее

Д с1

последним секциям в пазу;

Аd — шаг ламелей, подключенных к последним секциям в пазу;

х — число ламелей коллектора;

Ехк — значение электроэрозионной составляющей износа к-ой ламели.

В свою очередь, механическую составляющую износа определим:

(

М

х(х - п)'

ІМ .1 = 1

XI

х-п

(4)

где ;

Да

Мх. — значение механической составляющей износа г-ой ламели.

Оценим электроэрозионную составляющую износа коллектора. Выделим из массива данных относительные высоты коллекторных пластин, присоединенных к последним секциям в пазу.

Применяя приведенный алгоритм (рис. 7) для математической обработки экспериментальных данных, получим значения составляющих износа коллектора (табл. 1, 2; рис. 8).

Следует отметить, что электроэрозионный износ также возможно оценивать методом оптических микрометрических измерений относительной площади выгорания ламели по следу щетки.

Для оценки механической составляющей износа коллектора определим разность относительных

высот коллекторных пластин рабочего и базового следов без учета ламелей, наиболее склонных к электроэрозионному износу. По изменению разности относительных высот коллекторных пластин следует судить о неравномерности износа. Средним значением механической составляющей износа является среднее значение модуля разностей относительных высот ламелей коллектора. Дополнительно оценку механической составляющей возможно осуществлять шаблонным методом, по схеме, приведенной на рис. 2.

Для оценки адекватности полученных результатов исследований проведена серия экспериментов, в ходе которых регистрировались профилограммы нерабочей (базовой) поверхности коллектора в различные моменты времени и при различных частотах вращения. По результатам обработки данных средние значения относительных высот ламелей коллектора изменялись в диапазоне от 36,1949 мкм до 36,2206 мкм при прочих равных условиях эксперимента. Адекватность полученных результатов оценивалась при помощи {-критерия Стьюдента и Р-критерия Фишера. Полученное расчетное значение ^критерия ({=8-10—5) при уровне значимости а=0,05 и степени свободы ш = <х> меньше табличного ^=1,96, следовательно, с вероятностью ошибки а=0,05 можно сказать, что средние значения полученных экспериментальных данных совпадают. Полученное расчетное значение Р-критерия (Р=1,01) при уровне значимости а = 0,01 и степенях свободы ш1 = ш2=71 меньше табличного Ртабл=1,74, следовательно, с вероятностью ошибки а=0,01 можно

- !

\ г

■ - : - .

• : - ; -

- ' - ■

^2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2 8 3 0 32 34 36 38 4 0 42 44 46 4 8 5 0 52 54 56 58 6 0 62 64 66 6 8 70

Рис. 5. Профилограмма базового следа коллектора в холодном состоянии без учета первой и второй гармонической составляющей:

1 - до испытаний, 2 - после 400 минут испытаний, 3 - после 670 минут испытаний

а

Рис. 6. профилограммы следов коллектора в холодном состоянии 1 - базового следа, 2 - первого следа: а - до испытаний, б - после 670 минут испытаний

б

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

Ах

8

мкм 6 5 4 3 2 1 0

0 2 4 6 81013 16 1922 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 5861 64 67 70 ----------------------------------х -----►

Рис. 8. Диаграмма механического и электроэрозионного износа коллектора по второму следу после 670 минут испытаний

сказать, что экспериментальные данные совпадают. Погрешность воспроизводимости результатов измерения профиля коллектора составляет 0,03 мкм, изменение СКО относительных высот — 0,12 мкм.

Таким образом, методом микрометрических измерений с применением прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М, а также при помощи разработанного алгоритма определены механическая и электроэрозионная составляющие износа коллектора ТЭД. Из приведенных результатов следует, что механический износ значительно возрастает с увеличением электроэрозионной составляющей,

но при этом преобладающую роль в износе ламелей ТЭД, подключенных к последним секциям обмотки якоря в пазу, играет электроэрозионная составляющая износа.

Библиографический список

1. Методы испытания на трение и износ : справ. изд. / Л. И. Куксенова [и др.]. — М. : Интермет Инжиниринг, 2001. — 152 с.

2. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока / В. Д. Авилов — М. : Энергоатомиз-дат, 1995. — 237 с.

3. Харламов, В. В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока : моногр. / В. В. Харламов // Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2002. — 233 с.

4. Стрельбицкий Э. К. Статистическая обработка профилограмм коллектора машин постоянного тока / Э. К. Стрельбицкий, В. С. Стукач, А. Я. Цирулик // Известия Томского политехнического института. — 1966. — Т. 160. — С. 102— 105.

ДОЛГОВА Анна Владимировна, аспирантка кафедры «Электрические машины и общая электротехника».

Адрес для переписки: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35. Кафедра «Электрические машины и общая электротехника».

Статья поступила в редакцию 30.05.2012 г.

© А. В. Долгова

УДК 621.314.222.6:004.942 Н. Г. РОВКИНА

В. В. СУШКОВ А. А. ЗЯБКИН

Омский государственный технический университет

Филиал Тюменского государственного нефтегазового университета в г. Нижневартовске

Югорский государственный университет, г. Ханты-Мансийск

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ, ПИТАЮЩИХ УСТАНОВКИ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

В данной статье представлены результаты исследования дефектов и причин их возникновения в силовых трансформаторах, питающих погружные электроцентро-бежные насосы.

Ключевые слова: силовые трансформаторы, погружные электроцентробежные насосы, дефекты узлов трансформатора, причины возникновения дефектов, высшие гармоники, добавочные потери.

Западная Сибирь (ЗС) является лидером по доказанным запасам углеводородов, объемам добычи нефти, производству и потреблению электроэнергии в стране [1]. На территории ЗС ведется добыча углеводородов крупнейшими нефтегазодобывающими компаниями (НК) России: ОАО «НК «Роснефть», ОАО «НК «ЛУКОЙЛ», ОАО «НГК «Славнефть», ОАО «Сургутнефтегаз», ОАО «НК «ТНК-ВР холдинг», ОАО «Газпромнефть», ОАО «НК «Русснефть» и др.

Подвод и распределение электрической энергии на нефтяных месторождениях Западной Сибири производится электрическими сетями напряжением 220, 110, 35, 20, 10(6) кВ. Силовые трансформаторы, являясь связующим звеном между источниками питания и потребителями, организуют многократную

(от 5 раз и более) трансформацию электрической энергии. При этом значительное число трансформаторов влияет на надежность подачи электроэнергии нефтепромысловым потребителям.

Например, в одном из крупнейших нефтедобывающих предприятий Югры, ООО «РН-Юганскнефтегаз», эксплуатируются электрические сети, в состав которых входят порядка 20 000 силовых трансформаторов различных классов напряжений и мощностей. Количество силовых трансформаторов напряжением 220 и 110 кВ, составляет менее 1% от общего числа эксплуатируемых на нефтяных месторождениях, силовых трансформаторов напряжением 35 кВ — 4%, силовых трансформаторов напряжением 6(10) кВ — 42%, скважных силовых трансформаторов типа ТМПН — 53%.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА