CC BY
1
Zhalnin Vladislav Valerievich, postgraduate, [email protected], Russia, Saratov, Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin
УДК 629.488.27
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-464-465
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
А.Н. Шмойлов, А.Л. Золкин
Настоящая статья посвящена вопросам совершенствования процесса технической диагностики электрических машин железнодорожного подвижного состава: электрогенераторов пассажирских вагонов, тяговых электродвигателей локомотивов, моторвагонов электропоездов. В работе выделены важнейшие факторы, оказывающие значительное влияние на появление неисправностей электрических машин в эксплуатации. Предложена структурная схема нового стенда для испытания электрических машин подвижного состава. Было проведено исследование влияния температуры поверхности электрической машины на возникновение предотказного состояния всего технического устройства. Составлен график зависимости температуры поверхности электрической машины подвижного состава и ее технического состояния.
Ключевые слова: техническая диагностика, стенд для испытания электрических машин, электрический двигатель, вибрационные воздействия, температура поверхности.
Повышение надежности электрических машин подвижного состава - является важной задачей эксплуатационного и ремонтного комплекса железнодорожного транспорта. Установлено, что увеличение срока службы и повышение надежности дают относительно больший экономический эффект, чем снижение удельного расхода материалов при изготовлении электрических машин [1].
В процессе эксплуатации подвижного состава, под действием разных факторов выходят из строя различные электрические машины: электрогенераторы пассажирских вагонов, тяговые электродвигатели локомотивов и мото-рвагонов электропоездов.
В пассажирском вагонном депо выполняется большой перечень работ по поддержанию работоспособного и исправного состояния узлов вагона [2].
Важнейшим фактором, оказывающим значительное влияние на появление неисправностей электрических машин в эксплуатации является некачественный ремонт и послеремонтные испытания без учета внешних фактором, в частности вибраций, возникающих от неровностей пути при движении подвижного состава.
Решением данной проблемы является разработка установок и стендов для испытания высокооборотных электрических машин подвижного состава при воздействии регулируемых динамичных нагрузок и вибраций, изменяющихся по заданному закону.
С целью разработки стенда для испытания электрических машин подвижного состава были рассмотрены различные технические решения.
Наиболее близким техническим решением является стенд для испытаний высокооборотных электрических
машин [3].
Недостатком данного стенда является то, что он не предоставляет возможности проведения динамических вибрационных испытаний электрических машин, имитирующих воздействие динамических сил, возникающих при движении подвижного состава железнодорожного транспорта.
Данные недостатки были устранены в ходе разработки стенда для испытания электрических машин подвижного состава.
Техническим результатом данного стенда является расширение функциональных возможностей существующего испытательного стенда, за счет введения в конструкцию исполнительных устройств дополнительного вибрационного воздействия, имитирующих динамическое воздействие неровностей пути на электрические машины при эксплуатации подвижного состава.
Следует отметить, что в стенд для испытания высокооборотных электрических машин дополнительно введены датчик скорости вращения вала, две группы клемм, опорная станина с датчиком перемещения, который соединен с блоком диагностики и защиты, синусный механизм, электропривод с датчиком частот, блок управления и питания, блок преобразования сигналов, причем на опорной станине размещены испытуемая высокооборотная электрическая машина, нагрузочный генератор, и дополнительно установлена опорная станина, которая соединена с блоком вынужденных колебаний для динамических нагрузок стенда, который соединен с синусным механизмом, который установлен на валу электропривода, на котором так же установлен и датчик скорости электропривода, причем блок преобразования сигналов, блок управления и питания соединен с устройством ввода и вывода информационных и управляющих сигналов [4].
В конструкцию нового стенда предлагается внедрить датчик температуры силовой обмотки, датчик температуры переднего подшипника, датчик температуры заднего подшипника и датчик температуры корпуса.
Общий вид структурной схемы данного стенда приведен на рисунке 1.
464
Рис. 1. Структурная схема стенда для испытания электрических машин подвижного состава: 1 - персональный компьютер; 2 - плата сопряжения; 3 - блок коммутации; 4 - система импульсного формирования управления; 5 - драйвер устройства; 6 - устройство управления силовыми модулями; 7 - устройство вынужденных колебаний; 8 - устройство вынужденных колебаний; 9 - клеммы устройства; 10 - синусный механизм; 11 - опорная станина; 12 - датчик перемещения; 13 - блок диагностики; 14 - управляемого выпрямителя; 15 - инвертор напряжения; 16 - фильтр напряжения; 17 - силовой преобразователь напряжения; 18 - электрическая машина; 19 - датчик температуры силовой обмотки; 20 - датчик температуры переднего подшипника; 21 - датчик температуры корпуса; 22, 23 - вибродатчики стенок корпуса; 24 - осевой вибродатчик; 25 - блок диагностики и защиты; 26 - блок коммутации;
27 - нагрузочный генератор
Стенд для испытаний электрических машин подвижного состава работает следующим образом: стенд управляется от персонального компьютера 1 по системной магистрали. От персонального компьютера по системной магистрали к плате сопряжения 2 передается сигнал управления. Плата сопряжения 2 начинает генерировать сигналы управления, которые поступают на вход сетевого блока коммутации 3, вход системы импульсного формирования управления 4 и вход драйвера 5, устройства управления силовыми модулями преобразователей 6 нагрузочного генератора 27, а также на вход блока управления и питания 7 устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда 8. Питание от блока 7, через клеммы К3 и К4 подается на электрод 9 и синусный механизм 10 приходит в движение и создает колебания опорной станине 11. Вертикальные колебательные движения опорной станины фиксируются датчиком перемещения 12 и передаются на вход блока диагностики 13. Частота вращения вала электропривода и синусного механизма 10 снимается датчиком частоты вращения и через блок преобразования сигналов, подается на блок управления и питания 7. Блок управления и питания 7 управляет работой устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда. Сетевое напряжение, через сетевой блок коммутации 3, поступает на сетевой вход управляемого выпрямителя 14, где оно выпрямляется. К автономному инвертору напряжения 15 поступает уже выпрямленное, сглаженное через фильтр 16 напряжение. Таким образом, силовой преобразователь частоты 17 генерирует напряжение необходимой формы, в зависимости от требований испытуемой высокооборотной электрической машины 1. Это напряжение прикладывается к испытуемой электрической машине (ЭМ) 18, которая подсоединена, например, только к группе клемм К1 или К2.
При работе испытуемой ЭМ 1, датчик температуры силовой обмотки 19, датчик температуры переднего подшипника 20, датчик температуры заднего подшипника, датчик температуры корпуса 21, поперечные вибродатчики 22, 23 передней и задней стенок корпуса соответственно, вертикальные вибродатчики передней и задней стенок корпуса соответственно, а так же осевой вибродатчик 24 и датчик перемещений опорной станины передают информацию в блок диагностики и защиты 25. Блок диагностики и защиты 25 обрабатывает полученные со всех датчиков сигналы. Обработанные данные через плату сопряжения 2 передаются на системную магистраль 1. В случае превышения максимально допустимых значений параметров контролируемых величин, блок диагностики и защиты 25 генерирует сигнал аварии, который поступает на плату сопряжения 2. В этом случае плата сопряжения 2 изменяет управляющие сигналы, и либо понижает входные параметры питания испытуемой ЭМ 1 и электропривода 9 устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда, либо, если предыдущее действие невозможно, разрывает питание испытуемой ЭМ 1 и электропривода 9 с сетью путем размыкания сетевых блоков коммутации 3, 26, и блока питания и управления 7. Например, при нагреве подшипников они расширяются в размерах, что может привести к их заклиниванию, и, как следствие, к выходу из строя испытуемой ЭМ 1.
Далее в работе было проведено исследование влияния температуры поверхности электрической машины железнодорожного подвижного состава на возникновение предотказного состояния всего технического устройства.
График зависимости температуры поверхности электрической машины железнодорожного подвижного состава и ее технического состояния представлен на рисунке 2.
Параметр состояния
Как видно из рисунка 10, с ростом температуры поверхности устройства выше 81 0С техническое состояние электрической машины из нормального состояния переходит в неисправное работоспособное. Повышенная температура на корпусе электрической машины говорит о возникающих неисправностях данного устройства. Дальнейший рост температуры выше 140 0С говорит о возникновении предотказного состояния электрической машины железнодорожного подвижного состава. При данном состоянии с вероятностью более 95% может возникнуть отказ данного технического устройства.
Таким образом, при контроле перечисленных параметров имеется возможность надежно защитить исследуемую электрическую машину 1.
Важно отметить, что предлагаемый стенд позволит: расширить функциональные возможности стенда для вибрационных, динамических испытаний и теплового контроля электрогенераторов пассажирских вагонов, тяговых электродвигателей локомотивов, моторвагонов электропоездов и другого подвижного состава железнодорожного транспорта. Стенд для испытаний электрических машин подвижного состава позволит на 15% повысить качество испытаний электрических машин после ремонта, снизить количество отказов данных устройств в эксплуатации на 22%.
Список литературы
1. Шмойлов А. Н, Клюканов А. В. Рязяпов И. И. Разработка стенда для испытания электрических машин подвижного состава // Подвижной состав: современные тенденции и перспективы развития транспорт-ной отрасли: материалы научного марафона, посвященного 30-летию со дня основания факультета «Подвижной состав и путевые машины». Самара: СамГУПС, 2019. С. 51-54.
2. Повышение контроля механизированной затяжки шпинтонных гаек при ремонте пассажирских тележек // А.В. Клюканов, В.А. Иванов, А.Н. Шмойлов / Вестник транспорта Поволжья. 2016. № 2 (56). С. 30-33
3. Николаев И.И., Шмойлов А.Н. Совершенствование технологии контроля и диагностики электрических машин подвижного состава // Дни студенческой науки Сборник материалов 49-й научной конференции обучающихся СамГУПС / Сер. «Технические науки» Том 1. 2022. Самара: СамГУПС, 2022. С. 132-133.
4. Шмойлов А. Н., Клюканов А. В., Шмойлова Ю. В. Стенд для испытания высокооборотных электрических машин: полезная модель к патенту РФ № 189719, МПК G01R 35/00 (2006.01), заявлено 13.02.2019, опубл. 31.05.2019.
Шмойлов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения,
Золкин Александр Леонидович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики
IMPROVEMENT OF TECHNICAL DIAGNOSTICS OF ELECTRIC MACHINES OF RAILWAY ROLLING STOCK
A.N. Shmoilov, A.L. Zolkin
The present article is devoted to the issues of improving the process of technical diagnostics of electric machines of railway rolling stock: electric generators ofpassenger cars, traction electric motors of locomotives, motor cars of electric trains. The paper highlights the most important factors that have a significant impact on the occurrence of malfunctions of electric machines in operation. A block diagram of a new standfor testing electric vehicles of rolling stock is proposed. A study was conducted on the effect of the surface temperature of an electric machine on the occurrence of a pre-failure condition of the entire technical device. A graph of the dependence of the surface temperature of an electric rolling stock machine and its technical condition has been compiled.
Key words: technical diagnostics, test bench for electric machines, electric motor, vibration effects, surface temperature.
Shmoilov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, Shmoilov@inbox. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Transport,
Alexander Leonidovich Zolkin, candidate of technical sciences, docent, alzolkin@list. ru, Russia, Samara, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics
УДК 629.7.023
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-2-467-468
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПСЕВДО-а-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
И.В. Ворначева, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская, Р.Р. Загидуллин
Повышение мощностей электроэнергетической отрасли требует новых конструктивных решений в области электроэнергетического материаловедения. Наиболее перспективными для лопаток паровых турбин в цилиндре низкого давления являются псевдо-а-титановые сплавы. В статье рассмотрен способ упрочнения псевдо-а-ти-танового сплава ВТ41 методом термоциклической обработки. Изучена микроструктура сплава после различного количества циклов обработки, а также механические свойства упрочненного сплава.
Ключевые слова: псевдо-а-титановые сплавы, термоциклирование, лопатки паровых турбин, титан, температура полиморфного превращения.
Развитие энергетики, как в Российской Федерации, так и за рубежом, предполагает все более широкое использование турбинных агрегатов повышенной мощности, давление пара в которых достигает 25 МПа, скорость парового потока 500 м/с, а его температура 540°С. Увеличение мощности паровых турбин связано с увеличением длины рабочих лопаток цилиндра низкого давления, а значит, увеличение их габаритов и веса. В процессе работы лопатки подвергаются горячей деформации и теплосменам, вследствие чего по сечению заготовок лопаток паровых турбин образуется повышенная склонность материала к структурнохимической неоднородности, приводящей к снижению механической прочности лопаток и вязко-пластических свойств. Силовые нагрузки вызывают в материале лопаток сложное напряженное состояние (изгиб и скручивание), кроме того, в них возникают растягивающие напряжения от центробежной силы, обусловленной большой скоростью вращения ротора. Все эти напряжения материал турбинных лопаток должен выдерживать долгое время (проектный ресурс работы турбины 100 тыс. ч). Это обуславливает повышенные требования к материалам таких турбоагрегатов, в частности, к их рабочим лопаткам [1-33].
Наиболее перспективными материалами для турбинных лопаток, особенно для лопаток больших размеров, устанавливаемых в цилиндрах низкого давления паровых турбин, считаются титановые сплавы. Эти сплавы отличаются относительной легкостью и высокой удельной прочностью, что делает возможным использование их для лопаток длиной до 1500 мм.
Перспективными материалами для крупногабаритных лопаток в таких турбинах могут быть псевдо-а-ти-тановые сплавы, являющиеся наиболее жаропрочными в диапазоне температур 550 - 600°С, у которых содержание нестабильной Р-фазы значительно меньше, чем в двухфазных (а+Р)- титановых сплавах, что обеспечивает их более высокую теплостойкость. С другой стороны, эти сплавы не поддаются упрочнению закалкой и старением, 5 что в настоящее время не позволяет использовать их для турбинных лопаток большой длины из-за недостаточной исходной прочности. Наиболее жаропрочными сплавами при температурах 550-600°С считают ВТ18 и ВТ41. Высокие прочностные свойства последнего сплава обусловлены применением многокомпонентного легирования, которое приводит к образованию карбидной фазы на основе вольфрама и дополнительному упрочнению а-твердого раствора железом, введенному в пределах растворимости [2,3].
В настоящей работе предложено использовать для упрочнения псевдо-а-титановых сплавов, предназначенных для турбинных лопаток, термоциклическую обработку (ТЦО), которая, как известно, может повысить прочность и пластичность однофазных материалов (на 20.. .35%) и существенно увеличить теплостойкость. При этом энергозатраты и длительность ТЦО значительно ниже, чем при закалке длительным старением.
На основании разработанной обобщенной кинетической диаграммы структурных и фазовых превращений в деформированных титановых сплавах в широком температурно-временном интервале [1-33], рис. 1, была установлена связь структуры и свойств титановых сплавов в зависимости от температуры абсолютной (Т), и приведенной к одинаковому содержанию высокотемпературной - фазы (Т). Установлено, что чем больше неравновесные Р(Р)- и а(а)-твердые растворы содержали одноименных а- и Р- легирующих элементов, тем они более устойчивы, а их многостадийный распад, происходил при более низких температурах, и за большее время.
Прочность титановых сплавов при одинаковых режимах закалки и старения существенно зависит от содержания в них Р-стабилизаторов. Обычно мартенситное превращение в титановых сплавах (также, как и в железных) не проходит до конца, в результате чего при закалке образуется титановый мартенсит а'(а'') и фиксируется неустойчивая (остаточная) Р'- фаза. Соотношение между а'(а'') и Р' зависит от концентрации легирующих элементов в сплаве - чем больше в составе сплава Р-стабилизирующих элементов, тем больше в структуре Р'-фазы.
Весьма эффективным методом повышения прочности титановых сплавов с одновременным сохранением достаточно высокой пластичности может быть термоциклическая обработка (ТЦО). Такая обработка состоит в многократных циклах нагрева и охлаждения титанового сплава в интервале полного полиморфного превращения (выше и ниже точки А3), в результате чего на 15. 20% повышается прочность и пластичность, на 30.35% повышается предел выносливости, а также существенно увеличивается теплостойкость и сопротивление ползучести [10-13, 20-33].
