1. КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ РЕМОНТЕ И В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
1.1. Обзор существующих методов контроля технического состояния тяговых электродвигателей при ремонте и в эксплуатации в депо
1.1.1. Контроль состояния ТЭД по искрению на коллекторе
Анализируя неисправности ТЭД электровозов, возникающие в процессе эксплуатации, можно убедиться, что тяговые электродвигатели являются одними из наименее надежных узлов, поэтому в депо необходим постоянный контроль за элементами ТЭД для определения степени износа и своевременного выполнения ремонтно-восстановительных работ, а также для выявления причин неисправностей.
Из дефектов, влияющих на состояние ТЭД, следует выделить дефекты КЩУ, обмоток якоря, статический эксцентриситет зазора (перекосы полюсов), ослабление креплений полюсов и дефекты обмоток возбуждения, подшипниковые узлы.
Наиболее часто встречаются дефекты КЩУ, проявляющиеся в виде неравномерного износа щеток и коллектора, выступания отдельных изоляционных прокладок между пластинами или обрыва пластин (петушков). Неравномерный износ щеток и (или) бой коллектора чаще всего приводит к нарушениям процесса коммутации тока якоря преимущественно у одной из щеток в одной из ограниченных по числу пластин зон коллектора.
Основным критерием технического состояния коллекторно-щеточного узла является степень искрения под сбегающими краями щеток и определяется в основном визуально, в соответствии со шкалой степени искрения, рекомендуемой ГОСТ 183-74 (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Шкала искрения: а — степень 1; б — степень 11/4; в — степень 11/2; г — степень 2; д — степень 3
ВНИИЖТ и ПКБ ЦТ разработали устройство А-1939 для оценки искрения, которое основано на измерении переменной составляющей напряжения на выводах тягового двигателя. Это напряжение практически пропорционально степени искрения под щетками.
Устройство состоит из низковольтной части — индикатора степени искрения (ИСИ) (рис. 1.2) и высоковольтной части, в которую входит предохранитель ПР1, разделительный конденсатор С, повышающий трансформатор и контакторы (рис. 1.3).
Рис. 1.2. Схема индикатора степени искрения
Рис 1.3. Схема подключения ИСИ к эксплуатируемым двигателям
В соответствии с ГОСТ 2582-81 проверка искрения тяговых двигателей после их ремонта проводится в трех режимах (табл. 1.1)
Таблица 1.1
Режимы испытания тяговых двигателей
Положение переключателя В Условия испытаний
Напряжение Ток якоря Частота вращения Ток возбуждения
1 Номинальное Двойной часовой Наибольшая Часовой
2 Номинальное Наименьший
3 Номинальное Наибольший пусковой Номинальное
Градуировку ИСИ производят конкретно для каждого типа двигателя в определенном режиме.
Искрение считается допустимым, если не превышает 1А.
Степень искрения во многом зависит от качества изготовления и настройки двигателя, состояния коллектора и щеток, нажатия щеток на коллектор, биения коллектора и коллекторных пластин и других факторов. Поэтому магнитные колебания, возникающие в момент искрения, являются наиболее достоверными Параметрами, характеризующими техническое состояние коллекторно-щеточного узла. Но большое число влияющих факторов затрудняет определение конкретного места и узла с ухудшенными рабочими параметрами. В этой связи необходим еще один диагностический параметр, объединивший несколько факторов, влияющих на его состояние. Все диагностические параметры выбирают на основании статистических испытаний.
1.1.2. Контроль межвиткового замыкания обмоток возбуждения и якоря
Межвитковое замыкание в обмотке якоря нарушает нормальную работу электрической машины. Под действием наведенной ЭДС в короткозамкнутой секции возникает большой ток, вызывающий недопустимый нагрев корпусной изоляции, что приводит к постепенному ее разрушению и возможному пробою на корпус.
Межвитковые замыкания можно контролировать по значению падения напряжения в витках обмотки. Для этого на обмотку якоря дают питание от батареи постоянного тока напряжением 12 В, установив контакты батареи на коллекторные пластины по шагу обмотки. Затем милливольтметром, присоединяемым поочередно к каждой паре соседних коллекторных пластин, измеряют падение напряжения в витках обмотки между пластинами.
При исправном якоре отклонение стрелки прибора от средних показаний обычно составляет не более 20 %. Заниженное падение напряжения может быть вызвано наличием в обмотке межвиткового замыкания. Отклонения показаний прибора более чем на 20 % (от среднего значения) перепроверяют.
Этот метод контроля эффективен только в случае металлических замыканий, что является его существенным недостатком. Кроме того, он требует большой затраты времени.
Наиболее широкое распространение для выявления межвитковых замыканий обмоток якорей нашли импульсные методы (с применением импульсного испытательного напряжения). Преимущество импульсных методов в том, что с помощью источника небольшой мощности можно обеспечить достаточно высокое напряжение между витками обмотки якоря.
Среди импульсных методов можно выделить метод «бегущей волны», индуктированного напряжения и др.
Для контроля межвиткового замыкания используют такой же метод что и при контроле за смещением геометрической нейтрали, т.е. используют отношения напряжений на обмотках электрических машин постоянного тока. На якорную обмотку подается переменное напряжение, а на обмотке возбуждения напряжение измеряют. За счет трансформаторной связи между якорной обмоткой и обмоткой на обмотке возбуждения наводиться ЭДС. Отношение напряжений дает коэффициент, пропорциональный состоянию геометрической нейтрали.
Для определения межвиткового замыкания якоря необходимо межщеточный угол разделить на сектора по 50 – 100, чтобы получилось 6-12 секторов (можно сосчитать количество ламелей якоря между двумя ближайшими щетками и разделить это число на 6-12 секторов и вращать якорь на полученное значение). Количество секторов соответствует количеству замеров + один. При использовании диагностического комплекса «Доктор-30М» замеры необходимо выполнить в режиме «Тестер», выбрав пункт «Нейтраль», и занести на бумагу.
Замеры производятся в такой последовательности:
1. Произвести контроль нейтрали электродвигателя в режиме «Тестер»
2. Сделать запись результатов.
3. Повернуть якорь электродвигателя на угол 50 – 100 относительно любой щетки.
4. Провести повторный контроль нейтрали и сделать запись результатов.
5. Повернуть еще раз в ту же сторону якорь электродвигателя на угол 50 – 100 относительно той же щетки и произвести контроль нейтрали с записью результатов
6. Далее повторить действия, описанные выше, необходимое количество раз.
7. После проведенного контроля нужно сравнить максимальное и минимальное значение нейтрали и если их разница составляет более 20 %, то это указывает на межвитковое замыкание якоря.
В связи с тем, что обмотка возбуждения электродвигателя обладает индуктивностью, это может охарактеризовать ее техническое состояние. При определении межвиткового замыкания измеряется падение напряжения на катушке с индуктивностью Lх. Ток низкой частоты можно задавать с помощью генератора и набора добавочных резисторов Rд определенного сопротивления.
Для контроля пределов измерения индуктивности кроме переключения Rд производится переключение частоты генератора треугольного напряжения, подключаются эталонные резисторы и контролируемая обмотка двигателя. Амплитуда меандра определяет величину индуктивности, при наличии межвиткового замыкания амплитуда резко падает, т.е. уменьшается индуктивность (в сравнении с эталонным).
Порядок проверки обмоток возбуждения на межвитковое замыкание с помощью «Доктор-30М»:
• Подключить щуп №1 к разъемам «URL» на передней панели прибора «Доктор-30М».
• Щуп №1 – другим концом подключить к обмотке катушки АЛСН.
• С пульта дистанционного управления выбрать режим «ТЕСТЕР», далее – выбираем операцию «ИНДУКТИВНОСТЬ» и нажать на клавишу ENTER. (Для контроля сопротивление обмоток возбуждения после выбора режима «ТЕСТЕР» выбираем режим «СОПРОТИВЛЕНИЕ»).
• На экране появляется сообщение о выполнении измерения индуктивности. Затем на дисплее отобразиться результаты измерения.
Известные методы выявления межвитковых замыканий в полюсных катушках тяговых двигателей не нашли применения в депо из-за малой их эффективности. Недостатком этих методов является то, что для обнаружения дефектов в катушках требуется обязательная разборка магнитной системы остовов двигателей, которая связана с большой затратой времени и усложняет проверку.
Для снижения трудоемкости проверки и увеличения производительности труда ВНИИЖТом и ПКБ ЦТ создано малогабаритное импульсное устройство, позволяющее эффективно выявлять межвитковое замыкание в полюсных катушках без разборки магнитной системы остова. Оно состоит из генератора импульсного напряжения (ГИН) и индикатора.
ГИН содержит ограничивающий конденсатор С1 (рис. 1.3, а), импульсный трансформатор Т1, выпрямитель на диодах VD1—VD4, тиристор VS1, переключатель напряжения, состоящий из резистора R4 и выключателя В2, и формирователь управляющих импульсов на элементах R3, VD5, С2, VD7.
Рис. 1.3. Схемы устройства для определения межвиткового замыкания в полюсных катушках: а - генератор импульсного напряжения; б - индикатор
Индикатор межвитковых замыканий (рис. 1.3, б) включает в себя измерительную катушку ИК, выпрямитель на диодах VD1––VD4, переключатель режимов В1 с резисторами R1 и R2, резистор R3 для регулировки чувствительности, конденсатор С1 и микроамперметр. ИК представляет собой плоскую прямоугольную катушку с внутренними размерами 160?65 мм, намотанную проводом ПЭВ диаметром 0,2 мм, и содержит 500 витков.
Наличие межвитковых замыканий в полюсных катушках определяют по значению ЭДС, наведенной в измерительной катушке ИК.
Для выявления межвитковых замыканий в катушках главных полюсов переключатель В2 ставят в положение MB (межвитковое замыкание), а ГИН подсоединяют к выводам К и КК (рис. 1.4, а). Пользуясь индикатором, переключатель режимов В1 устанавливают в положение ГП (главные полюсы), измеряют ЭДС, для чего измерительную катушку прикладывают к середине каждого полюса.
При отсутствии межвитковых замыканий показания индикатора на всех полюсах будут отличаться незначительно. Показание, заниженное по сравнению со средним значением на 50 % и более на каком-нибудь из полюсов, будет указывать на наличие межвиткового замыкания в катушке данного полюса.
Метод выявления межвитковых замыканий в катушках дополнительных полюсов отличается от метода выявления межвитковых замыканий в катушках главных полюсов и требует особого пояснения.
Рис. 1.4. Схемы включения ГИН для обнаружения межвитковых замыканий в катушках: а –– главных полюсов; б –– дополнительных полюсов
Дело в том, что компенсационная обмотка не имеет отдельных выводов, а соединена последовательно и поочередно с катушкой дополнительных полюсов внутри остова (рис. 1.4, б). Поэтому при подключении напряжения на вывод ЯЯ и свободный вывод дополнительных полюсов.
После подключения ГИН к выводу ЯЯ и к другому концу катушки дополнительных полюсов, подсоединенному к щеткодержателю, переключатель режимов В1 индикатора ставят в положение ДП (дополнительные полюсы), а измерительную катушку прикладывают к каждому полюсному сердечнику вдоль его оси, например к ДП1 (рис. 1.4, б).
При отсутствии межвитковых замыканий показания индикатора на всех полюсах будут практически одинаковы. Занижение показаний более чем на 30 % на каком-нибудь из полюсов будет указывать на наличие межвиткового замыкания в катушке данного полюса
1.1.3. Контроль паяных соединений
Специалисты Ростовского института инженеров железнодорожного транспорта разработали стенд для контроля паяных соединений обмоток якорей тяговых двигателей (рис. 1.5). Стенд можно применять при контроле контактных соединений обмотки якоря с коллектором тягового двигателя пульсирующего тока.
Стенд содержит измеритель уровня инфракрасного излучения (ИК) в виде приемника ИК-лучей 1 с модулятором 2. Приемник 1 соединен через усилитель 4, подключенный к блоку питания 5, с регистрирующим прибором 6 и блоком авто¬матического управления (БАУ) 11. Контролируемый якорь 8 связан валом 19 через редуктор 18 с приводным двигателем 20. Редуктор 18 через зубчатую передачу 17 соединен с валом 12 якоря, установленного на кантователе 7.
На коллекторе расположены щетки 10, соединенные проводниками 15 и 16 через амперметр 21 с источником питания 14. Тот в свою очередь связан с бло¬ком управления 13. Приемник ИК-лучей установлен на расстоянии 20—50 мм от петушков коллектора 9 при помощи штатива 3.
Источник питания 14 представляет собой диодно - тиристорный регулятор. Модулятор 2 — это диск или трубка с отверстиями, изготовленные из материала, не пропускающего ИК - лучи.
Рис. 1.5. Функциональная схема стенда
Контролируемый перед ТР-3 якорь 8, установленный на кантователе 7, с помощью приводного двигателя 20 через редуктор 18 и зубчатую передачу 17 приводится во вращение с небольшой частотой. К коллектору 9 якоря через шесть щеток 10 от источника 14 подводится постоянное напряжение. Тепловой поток от нагретых током петушков коллектора 9 передается к приемнику 1 через вращающийся механический модулятор 2 (на рис. 6.1 привод вращения модулятора не показан).
Напряжение на выходе приемника практически пропорцио¬нально температуре поверхности петушков. Сигнал, поступающий от приемника ИК - лучей, усиливается и регистрируется прибором 6, показывающим уровень принимаемых и усиленных ИК - лучей в местах паяных соединений петушков. Приемник 1 вместе с механическим модулятором 2, усилителем 4 и регистрирующим прибором 6 позволяет проводить бесконтактный сканирующий контроль поверхности петушков коллектора 9.
Проверку состояния паяных соединений на стенде можно начинать уже по¬сле 7—10 минут прогрева обмотки якоря. При отклонении стрелки микроамперметра от среднего уровня тока сигнала на 10 мкА и более обнаруживали петушки с поврежденными в эксплуатации паяными соединениями. Функциональная схема электронного блока управления БУ с источником питания показана на рис. 1.8. Обозначения элементов в ней приведены в табл. 1.6.
Рис. 1.6 Функциональная схема электронного блока управления диодно-тиристорным регулятором
Таблица 1.2.
Обозначения элементов электронного блока управления
Наименование Обозначение
Блок управления БУ
Блок фазового управления БФИУ С-001
Окончание таблицы 1.2.
Наименование Обозначение
Блок синхронизации импульсов БСИ-080
Блок логики БЛ-015
Блок управления выходных сигналов БУВ-079
Панель питания ПП- 001
Предварительный каскад ПК
Выходной каскад ВК
Феррорезонансный стабилизатор С-075 СТ
Диодно-тиристорный регулятор ДТР
Вентилятор для охлаждения силовых диодов и тиристоров В
Действие блока управления БУ 13 диодно-тиристорным регулятором ДТР соответствует принципу работы аналогичных блоков серийных электровозов. Блок фазового управления формирует импульсы, фаза которых изменяется в за¬висимости от напряжения управления, регулируемого резистором R
Рис. 1.7. Схема приемника инфракрасных лучей
Принципиальная схема приемника ИК-излучения с усилителем А1 и микроамперметром цА представлена на рис. 1.7. В качестве приемника применен пироэлектрический приемник оптического излучения МГ-30. Он предназначен для ре¬гистрации и измерения энергии модулированного излучения в диапазоне длин волн 2—20 мкм. Основные технические данные приемника МГ-30 (по ОДО397.046 ТУ) приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Основные технические данные пироэлектрического приемника оптического излучения типа МГ-30
Наименование Величина
Вольтовая чувствительность, В/Вт более 1000
Напряжение источника питания, В + 12, -12
Температура абсолютно черного тела, °С 300±2
Частота модуляции, Гц 2501+25
Температура окружающей среды, °С 20±5
Сопротивление нагрузки, кОм 10
Блок автоматического управления (см. рис. 1.7) служит для отключения питания двигателя 20 привода кантователя (контактор К1) и подачи питания на электромагнитный тормоз 22 вала контролируемого якоря (контактор К2). С этой целью усилитель с дополнительным инверсным выходом при прохождении поврежденного паяного соединения под приемником ИК - лучей 1 выдает на геркон Г блока (БАУ) 11 нуль-сигнал. Тогда контроли-руемый якорь с помощью данного блока останавливается (контактор К1 отключен, К2 для торможения включен), приемник ИК - лучей на штативе 3 отводится в сторону. В данном случае можно вручную пропаивать поврежденное место прямо на кантователе 7.
Для проверки качества пайки петушков коллектора тяговых двигателей электровоза при ремонте ТР-3 может быть использовано устройство для проверки качества пайки УКП-1. Устройство позволяет измерять сопро-тивление цепи между двумя соседними пластинами коллектора. В устройстве предусмотрен режим установки порогового значения сопротивления, превышение которого сигнализирует о некачественной пайке якорной об-мотки к пластинам коллектора и режим целостности проверяемой цепи. Диапазон измерения сопротивления — 0,10 МОм.
1.1.4. Контроль подшипниковых узлов
Оценка технического состояния подшипников производится путем определения относительной количественной оценки (ОКО) развития следующих основных дефектов возникших в процессе эксплуатации:
а) бой вала (повышенная вращающаяся нагрузка на подшипник, не уравновешенность ротора, обкатывание наружного кольца);
б) неоднородный радиальный натяг (является обычно дефектом сборки, в частности, следствием посадки подшипника на вал, диаметр которого больше допустимого, перекоса вращающегося кольца, повышенной осевой нагрузки на подшипник);
в) перекос наружного кольца (возникает обычно при монтаже подшипника и из-за дефектов посадочного места);
г) износ наружного кольца (почти всегда происходит локально, изменяя коэффициент трения качения на отдельных участках поверхности наружного кольца);
д) раковины (трещины) на наружном кольце (диагностические признаки раковины и трещины практически совпадают);
ж) износ внутреннего кольца (как правило, происходит локально, но зона повышенного коэффициента трения захватывает область, превышающую расстояние между точками контакта ближайших двух тел качения);
к) раковины на внутреннем кольце, износ тел качения и сепаратора (относится к наиболее опасным дефектам, так как развивается достаточно быстро);
л) раковины и сколы на телах качения (относится к числу наиболее опасных и наиболее быстро развивающихся дефектов);
м) дефекты группы поверхностей качения;
н) проскальзывание кольца в посадочном месте (является достаточно редким дефектом и может обнаруживаться лишь в том случае, если проскальзывание происходит в момент измерения вибрации);
п) дефекты смазки (недостаток смазки или наличие в ней инородных включений);
р) неидентифицированный дефект.
Перечень дефектов может быть иным при поставке более новой версии программы. Каждый из обнаруженных дефектов, в соответствии с порогом относительной количественной оценки, установленным в программе, относится к одному из следующих классификационных состояний подшипника, всего их пять:
а) «Слабый» (обнаружены признаки зарождающегося дефекта не препятствующие дальнейшей эксплуатации);
б) «Средний» (зарождающийся дефект, за которым следует продолжить наблюдение при дальнейшей эксплуатации);
в) «Сильный» (развитый дефект, который требует ограничения по срокам следующей проверки);
г) «Заменить подшипник» (дальнейшая эксплуатация подшипника может привести к его разрушению).
д) «Неидентифицированный дефект» (программа автоматической диагностики обнаружила неидентифицированый дефект или не обнаружила дефектов вовсе, при наличии явных признаков последнего, например при прослушивании.)
Эти состояния определяются для каждого диагностируемого узла на основе степени развития всех дефектов и с учетом предыдущих диагностик этого узла или узлов такого типа.
Пороговые значения относительной количественной оценки для каждого из классификационных состояний подшипника устанавливаются пользователем при конфигурации программы и могут быть уточнены в процессе эксплуатации при достаточно большом количестве статистического материала (не менее тридцати экспертных оценок для каждого уточняемого порога дефекта по степени его развития).
Количественная оценка остаточного ресурса подшипников (срок очередного диагностирования) определяется программой в зависимости от вида обнаруженного дефекта, степени его развития и от значения общего ресурса подшипника, установленного в данном конкретном узле. Для локомотивов установлены следующие соотношения между степенью развития дефекта и сроком следующего диагностирования:
а) при слабом дефекте - следующий срок диагностирования через один ТОЗ;
б) при среднем дефекте - следующее диагностирование на следующем ТОЗ;
в) при сильном дефекте - следующее диагностирование при любом очередном заходе локомотива на ТО или ТР.
Количественное значение остаточного ресурса (срок следующего диагностирования) может быть уточнено в процессе эксплуатации комплекса при достаточно большом количестве статистического материала с учетом критериев безопасности и экономической целесообразности.
Методы диагностирования подшипников качения работающей машины, заложенные в программу, основаны на анализе вибрации, создаваемой силами трения в подшипниках. Специфика сил трения качения во вращающихся узлах машин такова, что при отсутствии дефектов в подшипниках качения они стабильны по времени. При недостаточной точности изготовления подшипника, его монтажа в посадочном месте, а также при износе поверхности трения, силы трения в этом подшипнике перестают быть стабильными и зависят от угла поворота вращающегося кольца или сепаратора. Постоянная сила трения возбуждает случайную вибрацию подшипника в широкой полосе частот. Максимум ее спектральной плотности обычно приходится на частоты порядка от 2 до 10 КГц. Частота спектральной плотности зависит в первую очередь от скорости вращения и размеров подшипника, качества поверхностей трения и смазки.
Основное правило размещения вибродатчиков – максимально возможное их приближение к диагностируемому узлу и установка на жёсткие элементы конструкции с подготовленной поверхностью. Места установки датчиков приведены на рис.1.8
Рис. 1.8. Места установки датчиков на ТЭД: 1 - тяговый электродвигатель подшипник передний; 2 - тяговый электродвигатель подшипник задний.
Количественные характеристики случайной нестационарной вибрации определяются в результате спектрального анализа огибающей этой вибрации. Не стационарность, представляющая собой амплитудную модуляцию высокочастотной вибрации периодическим процессом, например, с периодом вращения узлов подшипника, приводит к тому, что в спектре огибающей кроме случайных составляющих появляются еще и гармонические, с частотой вращения этих узлов. В результате по частотам появившихся составляющих определяются виды имеющихся в подшипнике дефектов (идентификация), а по превышению амплитуд этих составляющих над линией фона - глубина каждого из обнаруженных дефектов.
1.2. Организация контроля технического состояния тягового электродвигателя при ремонте ТР-3 в депо
Система ремонта тяговых электродвигателей предназначена для обеспечения устойчивой работы ТЭД, эксплуатируемого ОАО «РЖД», поддержания его технического состояния и повышения эксплуа тационной надёжности. Система ремонта является основой обеспечения безопасной и надёжной эксплуатации ТЭД.
Текущий ремонт представляет собой комплекс операций по обеспечению или восстановлению работоспособности тяговых двигателей локомотива. Текущий ремонт ТР-3 предназначен для восстановления эксплуатационных характеристик, исправности и ресурса (срока службы) тяговых двигателей путём ремонта или замены изношенных или повреждённых деталей и узлов с обязательной проверкой собранной электрической машины на испытательной станции.
При ТР-3 все тяговые двигатели должны быть демонтированы с электровоза. Узлы и детали, поступившие в ремонт, после разборки и очистки, осматриваются и проверяются. Запись необходимого ремонта машины, с указанием фактического её состояния, заносятся в журнал электромашинного цеха ТУ-151.
При выполнении ТР-3 выполнеют следующие работы:
- освидетельствование с записью в журнале соответствующей формы (при не обходимости ремонт) электрической части остова, с проверкой состояния межкатушечных соединений, перемычек и выводных проводов, правильности установки (при необходимости их крепление) главных и добавочных полюсов, плотности посадки катушек на сердечниках и компенсационных катушек в их пазах;
- покрытие изоляции обмотки полюсных катушек электроизоляционной эмалью или пропитка в остове полюсных катушек с последующим покрытием эмалью;
- освидетельствование с записью в журнале соответствующей формы и ремонт механической части остова;
- освидетельствование с записью в журнале соответствующей формы, проверка, ремонт якоря, замена ослабленных или повреждённых бандажей, клиньев и под бандажной изоляции;
- обточка, продорожка, шлифовка и полировка коллектора;
- пропитка лаком или компаундом соответствующего класса нагревостойкости и покрытие обмоток сердечника изоляционной эмалью;
