1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗА ВЛ-80с
1.1. Анализ и причина отказов тяговых электродвигателей
электровоза ВЛ-80с в депо Петров Вал
Тяжелые условия эксплуатации электровозов переменного тока се-рии ВЛ-80с предъявляют высокие требования к техническому состоянию отдельных узлов и агрегатов. Особое место в них занимают тяговые элек-тродвигатели постоянного тока типа НБ – 418К6 (ТЭД) которые являются наиболее нагруженными и, одновременно, наиболее уязвимыми и некон-тролируемыми узлами (Рис.1.1).
Рисунок 1.1 – Тяговый электродвигатель типа НБ – 418К6
электровоза серии ВЛ-80с
На долю ТЭД приходится до 52% возникающих неисправностей, из-за которых отрасль терпит убытки, связанные с внеплановыми ремонтами, простоями, исчисляемыми десятками часов, а также с аварийными ситуа-циями, нарушающими безопасность движения.
Правилами ремонта электрических машин электроподвижного со-става [96] установлена норма пробега тяговых электрических машин элек-тровозов, которая в одном цикле от начала эксплуатации или от капиталь-ного ремонта до следующего капитального ремонта составляет 1400 тыс. км. По данным ПКБ ЦТ ОАО "РЖД" около 90% повреждений ТЭД проис-ходят при пробеге до 800 тыс. км, а 30% ТЭД выходят из строя в период гарантийного пробега до 200 тыс. км (табл. 1.1).
В этой связи, затраты ОАО "РЖД", связанные только с преждевре-менными внеплановыми ремонтами ТЭД за последние годы, составили свыше 4 млрд. рублей.
Одним из основных узлов тяговых электрических машин является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). По официальной статистике ОАО "РЖД" в 2020 году выход из строя тяговых двигателей по причине воз-никновения кругового огня на коллекторе составляет 18% от общего числа отказов. Также, согласно информации [16] отказы ТЭД, их пробег тесно связаны с интенсивностью искрения. При искрении 1 балл по ГОСТ 183-74 двигатель проходит в составе электровоза до 2 млн. км, при искрении 1 балл пробег двигателя уменьшается до 1.2 млн. км, а при искрении 1,5 балла пробег составляет всего 300 тыс. км [1]. Такие выходы из строя тя-говых двигателей, как правило, влекут за собой внеплановые ремонты.
Большая часть неисправностей ТЭД связана с обмотками и проявля-ется в нарушении процесса коммутации. Увеличение искрения вызывается также многими причинами механического характера. Проявление наруше-ний коммутации в искрении коллекторно-щеточного узла давно рассмат-ривается как показатель состояния машины постоянного тока и, в частно-сти, ТЭД.
История изучения коммутации насчитывает более 150 лет. Такие из-вестные ученые: К.И. Шенфер, О.Г. Вегнер, А.Е.Алексеев, М.Ф. Карасев, А.П. Кучумов, А.И. Скороспешкин, В.Д. Авилов, В.Я. Беспалов, Р.Ф. Бе-кишев, Г.Г. Константинов, B.C. Хвостов, И.Б. Битюцкий [92, 23, 7, 41, 45, 82, 17, 13, 44, 90, 20] и др., внесли большой вклад в развитие теории ком-мутации, в понимание и описание явлений, вызывающих в машине посто-янного тока нарушения коммутационных процессов.
Рассматривая вопросы оценки коммутации, следует отметить боль-шой вклад в создание теории диагностирования коллекторных машин и приборной оценки уровня искрения коллекторно-щеточного узла, отра-женный в трудах В.В. Харламова, С.И. Качина, Ш.К. Исмаилова [1, 43, 86] и др.
Многочисленными исследованиями ученых установлено, что каче-ство коммутации является определяющим при установлении ресурса дви-гателей постоянного тока, а универсальной оценкой качества коммутации является интенсивность искрения, которая позволяет диагностировать со-стояние машины. Оценка интенсивности искрения в соответствии с ГОСТ 183-74 ограничивает развитие систем диагностирования. Поэтому боль-шое значение приобрела задача приборной оценки искрения, решение ко-торой в настоящее время имеется лишь для применения в условиях лабо-ратории или испытательной станции ТЭД. Задача технической диагности-ки в области контроля искрения коллекторно-щеточных узлов ТЭД за-ключается в непрерывном контроле качества коммутации тяговых элек-тродвигателей при работе на электровозах переменного тока серии ВЛ-80с, что позволяет: исследовать состояние ТЭД в разных режимах эксплуа-тации, предупреждать о появлении неисправности для своевременного принятия решения и сохранении ТЭД, а также, является основой автомати-зированной системы управления ТЭД. Создание методов и технических средств приборной оценки степени искрения, при автоматизированном контроле ТЭД в условиях эксплуатации, является актуальной задачей и отвечает стратегическим ресурсосберегающим направлениям развития от-расли.
Целью дипломной работы является разработка автоматизированной системы диагностики технического состояния ТЭД в период эксплуатации на основе программной обработки информации и приборной оценки ис-крения коллекторно-щеточного узла.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:
1. Обоснование выбора эффективных параметров контроля в каче-стве информационного сигнала для приборной оценки искрения ТЭД в процессе эксплуатации на основе математического моделирования.
2. Разработка способов измерения информационных параметров и аппаратуры преобразования сигнала с датчиков и оценка адекватности полученных результатов.
3. Разработка автоматизированной системы контроля искрения КЩУ и экспериментальные исследования её работы в условиях эксплуатации электровоза переменного тока серии ВЛ-80с.
Модель ТЭД электровоза ВЛ-80с как объекта диагностирования включает в себя электроизоляционную конструкцию, коллекторно-щеточный аппарат и механическую часть. Поэтому отказы тяговых элек-тродвигателей имеют различную природу и могут происходить в след-ствие:
- пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток якоря;
- пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток главных и допол-нительных полюсов;
- пробоя изоляции компенсационной обмотки;
- повреждение выводов катушек полюсов;
- повреждение выводн6ых кабелей, выплавление припоя из петушков кол-лектора;
- разрушение якорных бандажей;
- повреждение якорных подшипников;
- повреждение пальцев, кронштейнов и щеткодержателей;
- кругового огня по коллектору.
Несмотря на многократные прогнозы о бесперспективности развития машин постоянного тока (МПТ) в такой ключевой отрасли, как электрифи-цированный транспорт, все же им принадлежит приоритет, хотя налицо более жесткие требования в отношении их перегрузочной способности и ограничений по условиям коммутации. В связи с этим проблема повыше-ния коммутационной устойчивости МПТ и их ресурса имеет в настоящее время важное значение.
Статистика отказов ТЭД в локомотивном депо Петров Вал за пять лет эксплуатации электровозов серии ВЛ-80с показана на диаграмме Рис. 1.2 в Табл. 1.1, а именно: нарушение условий коммутации 18%; пробой изоляции и межвитковое замыкание (МВЗ) обмотки якоря (25 %); пробой изоляции и МВЗ обмоток главных (ГП) и дополнительных полюсов (16 %); повреждение якорных подшипников (10 %); биение рабочей поверхности коллектора (20 %); вплавление припоя из петушков (3 %); размотка бан-дажей (8 %); ослабление крышек подшипниковых щитов (4 %), говорит о том, что наиболее склонен к отказам – якорь ТЭД. Эти отказы составляют почти 40 % от всех отказов, причем половина из них – различные виды повреждений коллекторов.
Таблица 1.1 - Статистика отказов тяговых электродвигателей НБ – 418К6 в
депо Петров Вал
Вид отказа Количество %
Пробой изоляции обмотки якоря 28
Нарушение условий коммутации КЩУ 18
Пробой изоляции обмоток ГП 4
Пробой изоляции обмоток ДП 2
Пониженное сопротивление изоля-ции якорных и полюсных обмоток 1
Повреждение выводных кабелей 5
Выплавление припоя из петушков в коллекторе 6
Перебросы, оплавления, подгары, затяжки ламелей коллектора 5
Разрушение неметаллических бан-дажей 4
Повреждение якорных подшипни-ков 8
Прочее 31
Одной из важных задач анализа процесса динамического взаимодей-ствия коллектора со щетками является определение максимально допусти-мых величин их параметров согласно требованиям стандарта и Правил ремонта ЭМ ЭПС. Для решения проблемы повышения ресурса КЩУ ТЭД предложен системный подход, основанный на комплексном сочетании тео-ретических исследований, технологических и эксплуатационных приемов.
Необходимость согласованного управления множеством различных взаимосвязанных систем для одновременного решения множества разно-родных задач при выполнении назначенных функций наряду с указанны-ми факторами обусловили актуальность разработок систем интеллекту-альной поддержки процессов технической эксплуатации локомотивов.
Рисунок 1.2 - Статистика отказов тяговых
электродвигателей НБ – 418К6
Следует отметить, что переход к автоматическим системам управле-ния технической эксплуатацией, исключающим человека-оператора из процесса управления, пока проблематичен. Системы интеллектуальной поддержки должны ограничиваться выработкой рекомендаций, а принятие решений и ответственность за последствия их реализации следует возла-гать на лицо, принимающее решения — машиниста локомотива.
Рассмотрение причин отказов локомотивного оборудования дает ос-нование утверждать, что частота возникновения неплановых ремонтов практически постоянна в течение времени эксплуатации локомотивов и действующая система планово-предупредительных ремонтов не в состоя-нии обеспечить полное восстановление технического ресурса локомотива и является типичной системой с накоплением неисправностей.
Более 20% отказов в эксплуатации машин постоянного тока проис-ходят из-за неисправностей коллекторно-щеточного узла. Многочислен-ными исследованиями подтверждается и факт влияния интенсивности ис-крения на надежность тяговых электродвигателей. Вероятность безотказ-ной работы тягового электродвигателя снижается, а интенсивность потока отказов по причине электрической природы соответственно возрастает по мере ухудшения качества предварительной настройки коммутации. Об этом свидетельствуют и полученные зависимости среднего пробега двига-телей от качества коммутации. Если тяговый электродвигатель при темной коммутации проходят в среднем 2 млн.км., при интенсивности искрения 1,25 балла – примерно 1,2 млн. км, то при интенсивности 1,5 балла – лишь около 300 тыс.км.
Коммутацию принято считать удовлетворительной, если она не со-провождается искрообразованием между щетками и поверхностью коллек-тора. В других случаях неудовлетворительная коммутация, сопровожда-ющаяся повышенным искрением, способствуют преждевременному износу контактной пары «щетка-коллектор», что приводит к сокращению срока службы собственно электрической машины и, следовательно, всего элек-трического комплекса, в состав которого она входит.
Сокращаются межремонтные периоды, снижается экономическая эффективность работы агрегата. Поэтому актуальным представляется изу-чение вопросов коммутации в тяговых электроприводах постоянного тока.
Тяговые двигатели пульсирующего тока служат для преобразования электрической энергии в механическую, необходимую для вращения ко-лесных пар моторного вагона.
На электровозах серии ВЛ-80с устанавливают тяговые двигатели НБ-418К6. Во время работы ТЭД в режиме тяги его обмотка возбуждения со-единена последовательно с обмоткой якоря, а при электрическом тормо-жении создается независимое возбуждение от специального статического возбудителя (Рис.1.3).
Рисунок 1.3 - Расположение оборудования в кузове электровоза ВЛ-80с
Тяговый электродвигатель НБ – 418К6 выполнен для опорно - осе-вого подвешивания и представляет собой шестиполюсную компенсирован-ную электрическую машину с последовательным возбуждением и незави-симой системой вентиляции (рис.1.4). Охлаждающий воздух поступает в тяговый двигатель со стороны коллектора через вентиляционный люк и выходит из двигателя со стороны, противоположной коллектору, вверх под кузов электровоза через специальный кожух.
Тяговый двигатель состоит из остова, траверсы, якоря, подшипнико-вых щитов, моторно - осевых подшипников.
Остов имеет цилиндрическую форму, отлит из стали 25Л1I, является одновременно магнитопроводом и корпусом, к которому крепятся все ос-новные детали и узлы тягового двигателя. Часть остова, которая является магнитопроводом, утолщена. В нижней части остов имеет два сливных от-верстия. Со стороны коллекторной камеры в остове имеется вентиляцион-ный люк, через который входит охлаждающий воздух, а со стороны, про-тивоположной коллекторной камере, — люк и привалочные поверхности для крепления специального кожуха, образующего выходной патрубок для вентилирующего воздуха.
В остове предусмотрены два люка для осмотра коллектора и щеточ-ного аппарата: один в верхней, другой в нижней части остова. Люки плот-но закрываются крышками. Крышка верхнего люка имеет пружинный за-мок, с помощью которого она плотно прижимается к остову. Крышка нижнего люка крепится к остову одним болтом М20 и специальным бол-том с цилиндрической пружиной.
Для лучшего уплотнения на крышках люков предусмотрены вой-лочные прокладки. С торцов остов имеет горловины с прилавочными по-верхностями для установки подшипниковых щитов с роликовыми под-шипниками, в которых вращается якорь тягового двигателя.
Рисунок 1.4 - Продольный разрез тягового электродвигателя НБ – 418К6
1,5 – подшипниковые щиты; 2 – траверса; 3 – остов; 4 – якорь.
Рисунок 1.5 - Поперечный разрез тягового электродвигателя
НБ – 418К6
1 — остов; 2 — сердечник добавочного полюса; З — катушка ком-пенсационной обмотки; 4 — сердечник главного полюса; 5 — катушка до-бавочного полюса; 6 — катушка главного полюса; 7— моторноосевой подшипник.
Для повышения жесткости отливки торцовая стенка остова со сторо-ны коллектора укреплена с внутренней стороны семью ребрами жесткости. С наружной стороны остов имеет два прилива для семи ребер жесткости. С наружной стороны остов имеет два прилива для крепления букс моторно-осевых подшипников прилив для крепления кронштейна подвески двига-теля, предохранительные прилив для коробки выводов, приливы с отвер-стиями для транспортировки и кантования остова и двигателя при монтаже и демонтаже, кронштейны для крепления кожухов зубчатой передачи.
Внутреннюю поверхность утолщенной части остова растачивают по диаметру под установку полюсов и катушек.
Главные полюсы крепятся к остову тремя болтами М30. На торцовой стенке остова со стороны коллектора укреплены устройства стопорения, фиксации и проворота траверсы. Катушки компенсационной обмотки, уложены в пазы сердечников главных полюсов и закреплены в них клинь-ями из профильного стеклопластика толщиной 5 мм. Электрический мон-таж полюсных катушек выполнен гибким проводом ПЩ, кроме соедине-ния катушек добавочных полюсов друг с другом. Эти соединения выпол-нены шинами, которые крепятся к жесткому выводу катушки добавочного полюса двумя болтами М10 с пружинными шайбами. К остову межкату-шечные соединения прикреплены скобами. Концы катушек выведены в ко-робку выводов, расположенную на остове, через, резиновые втулки, уста-новленные в специально выполненные в остове отверстия.
1.2 Исследование процесса коммутации в электродвигателях
электровоза ВЛ-80с
Процесс коммутации в схеме управления тягового электропривода можно представить, как динамическую систему, параметры которой могут быть изменены в процессе работы, что может привести к нарушению усло-вий функционирования.
Коммутация - это процесс переключений секций обмоток якоря в машине постоянного тока посредством щеточного узла, а также переклю-чение рабочих контактов. При коммутации ток в секции электродвигателя НБ-418К6 изменяет свое направление на обратное (рис.1.6).
При перемещении коллекторных пластин относительно щеток про-исходит изменение сопротивления сбегающего края щеточного контакта и набегающего . Так как ток в секции изменяется по линейному закону, то в этом случае коммутация соответствует линейной функции. Число кол-лекторных пластин в тяговом электродвигателе НБ-418К6 равно 348, а время коммутации измеряется тысячными долями секунды.
В реальных условиях эксплуатации НБ-418К6 в короткозамкнутой секции возникают ЭДС, обусловленная внешними магнитными полями, и ЭДС самоиндукции, которые ухудшают коммутацию. Наличие индуктив-ности приводит к задержке спада тока. Поэтому коммутация замедляется, в результате в сбегающем крае щеточного контакта плотность тока оказы-вается больше, чем в набегающем. Это приводит к усилению искрения на сбегающем крае КЩУ и может оказаться небезопасным.
Если бы короткозамкнутая секция якоря находилась в зоне, где маг-нитное поле равно нулю, и в секции не возникала ЭДС, то процесс комму-тации проходил бы по линейному закону.
Процесс коммутации можно проследить на эквивалентной расчетной схеме (рис.1.7).
В общем случае процесс коммутации ТЭД можно описать нелиней-ным дифференциальным уравнением первого порядка.
, (1.1)
где: - ЭДС самоиндукции, - ЭДС взаимоиндук-ции, и - переходные падения напряжения под сбегающим кра-ем щетки, - сопротивление коммутируемой секции, - сопро-тивления обмотки возбуждения электродвигателя, - коммутирующая ЭДС, наводимая в секции при ее взаимодействии с магнитными полями в зоне коммутации.
При неудовлетворительном окончании процесса коммутации, когда ток коммутируемой секции оказывается не равным току па-раллельной ветви , появляется ток разрыва . Запасен-ная в секции электромагнитная энергия переходит в энергию электрического поля.
Напряжение на участке цепи «сбегающий край щетки – коллек-торная пластина» резко увеличивается, что приводит к искровому, а порой и дуговому разряду.
Рисунок 1.6 - Процесс коммутации тока в секции якоря тягового
электродвигателя
Различные условия взаимоиндукции между отдельными секция-ми якорной обмотки и неоднородность микрорельефа коллектора Такое событие заканчивается искрением щеток, возникновением элек-трической дуги при размыкании рабочих контактов.
Дифференциальное уравнение (1.1) можно считать математической моделью для исследования процесса коммутации в тяговых электродвига-телях.
Щеточный контакт можно считать активным элементом контура коммутации, оказывающим существенное влияние на характер изменения тока в коммутируемой секции, особенно в конце процесса коммутации.
Так как в известное уравнение (1.1) параметры внешней среды не входят, то это уравнение не описывает в реальных условиях эксплуатации ТЭД явлений коммутации, поэтому необходимо оценить явление внешних факторов на процесс коммутации ТЭД.
1.3 Влияние внешних факторов на процессы коммутации
тягового электродвигателя электровоза ВЛ-80с
Коммутационные свойства КЩУ можно оценить по ширине и поло-жению безыскровой работы в рабочем диапазоне. Чем шире зона безыс-кровой коммутации и чем ближе ее средняя линия к оси абсцисс, тем легче осуществляется токосъем в скользящем контакте. При этом уменьшается износ коллектора и щеток, снижается вероятность образования круговых огней по коллектору, так как при отсутствии коммутационных дуг между сбегающими краями щеток и уходящими из под них коллекторными пла-стинами взаимодействие межламельных напряжений на поверхности кол-лектора между разнополярными щетками будет затруднено.
Для обеспечения необходимой коммутации при проектировании и технической эксплуатации ТЭД следует стремиться к возможно большей ширине зоны темной коммутации. То есть в процессе эксплуатации необ-ходимо производить настройку магнитной системы двигателя постоянного тока каждого конкретного привода.
Кроме того, коммутационные и фрикционные свойства щеток и кол-лектора оказывают существенное влияние на уровень заволакивания кро-мок медных пластин коллектора, приводящего к уменьшению изоляцион-ного промежутка между пластинами и способствующему образованию кругового огня даже при низких межламельных напряжениях.
Практика эксплуатации ТЭД показывает, что с изменением тока нагрузки (увеличение вращающегося момента на валу редуктора и соот-ветственно двигателя) характер коммутации также меняется. С увеличени-ем нагрузки наблюдается ускорение, а при снижении – замедление комму-тации. Исследуя процесс изменения тока с позиции теории оптимальной коммутации, можно дать объяснение этому явлению.
Характеру изменения тока коммутируемого контура ( и на завершающем этапе) соответствует баланс ЭДС коммутируемой секции.
. (1.2)
Следовательно, коммутирующая ЭДС обеспечивает коммута-цию лишь в случае вполне определенного тока нагрузки.
При изменении нагрузки ( ) реальные коммутирующая ( ) и ре-активная ЭДС ( ) изменяются пропорционально изменению нагрузки и частоты вращения. Соответственно второе слагаемое правой части урав-нения этого равенства будет изменяться пропорционально изменению тока нагрузки. При это возможно только при условии (уменьшения) падения напряжения на сбегающем крае щетки:
. (1.3)
То есть падение напряжения под сбегающим краем щетки авто-матически изменяется с изменением нагрузки. В этом и заключаются ком-мутирующие свойства щеток. Секция уходит в область перекоммутации при увеличении тока нагрузки или в область недокомутации – при сниже-нии нагрузки. На данном примере хорошо показана роль щетки в комму-тационном процессе. Как показывает практика эксплуатации ТЭД, при снижении частоты вращения имеет место недокоммутация (увеличивается сила тока якоря), а при увеличении – перекоммутация (уменьшается сила тока якоря). Таким образом, на коммутацию ТЭД влияют два фактора. Однако влияние второго фактора (изменение частоты вращения якоря) проявляется в условиях эксплуатации более существенно.
1.4 Нарушение процесса коммутации тягового электродвигателя
НБ-418К6 как случайный процесс
Нарушение коммутации непрерывно может меняться во времени как по интенсивности, так и по месту локализации.
В монографии профессора М.Ф. Карасева обобщены материалы различных исследователей, работающих в области коммутации электриче-ских машин постоянного тока. На основании большого количества экспе-риментального материала М.Ф. Карасев показал, что процесс искрения определяется большим числом различных факторов и непрерывно изменя-ется во времени.
В работе профессора О.Д. Гольдберга «Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования» отме-чалось, что способность машин постоянного тока к соответствующим пе-регрузкам определяется главным образом их коммутацией.
Поэтому при проектировании тягового электропривода количе-ственная оценка коммутационной устойчивости является практически не-обходимой не только в установившихся, но и в переходных режимах.
Особенностями коммутации электродвигателя НБ – 418К6 в переходных режимах является:
1. Появление в коммутируемых короткозамкнутых секциях обмоток якоря, кроме реактивной и коммутирующей ЭДС, еще трансформаторной ЭДС в связи с изменением основного потока главных полюсов.
Трансформаторная ЭДС в двигателе при нарастании результирую-щего потока главных полюсов имеет противоположное направление отно-сительно средней реактивной ЭДС и при убывании – совпадает по направ-лению с этой ЭДС. В генераторном режиме трансформаторная ЭДС дей-ствует обратно.
Следовательно, в тех секциях обмотки якоря, в которых эти ЭДС совпадают по направлению, коммутация замедляется, а при встречном направлении – ускоряется. Наибольшая величина трансформаторной ЭДС в неблагоприятном случае может достигать 100 - 150% значения средней реактивной ЭДС секции при номинальном токе якоря;
2. Нарушение линейной зависимости между магнитным потоком по-люсов и током якоря, при больших всплесках тока якоря из-за насыщения и увеличения рассеивания полюсов приводит к ухудшению процесса ком-мутации.
Среднее значение результирующей ЭДС в коммутирующих обмот-ках якоря в переходных режимах определяется алгебраической суммой реактивной, коммутирующей и трансформаторной ЭДС. Средняя величи-на напряжения между краями щетки представляет собой разность падений напряжения в переходных сопротивлениях контактов сбегающего и набе-гающего его краев, а также пропорциональна результирующей ЭДС од-ной секции и числу перекрываемых щеткой коллекторных пластин.
