Full Text

Введение. В настоящее время в мире эксплуатируется значительное количество электродвигателей постоянного тока (ЭДПТ), которые рассчитаны на определенный ресурс. После его выработки эксплуатационная надежность ЭДПТ снижается. Продление эксплуатационного ресурса ЭДПТ без снижения его надежности является актуальной и экономически целесообразной задачей. Основные элементы ЭДПТ: статор (главный и дополнительные полюса), ротор (якорь), коллектор и токопроводящие щетки. Выделяются основные неисправности ЭДПТ, такие как обрыв в обмотке якоря, соединение обмотки якоря с корпусом, витковое замыкание в обмотке якоря, неправильное чередование главных и дополнительных полюсов, сдвинутые щетки с линии геометрической нейтрали, неисправности коллектора, искрение щеток, сопровождающее повышенный нагрев коллектора и всего электродвигателя, перегрев обмотки якоря [1]. По причине отсутствия методик своевременного контроля состояния щеточно-коллекторного узла (ЩКУ) и непринятия мер по восстановлению его работоспособного состояния около 50-60 % из них приходят в негодность, не отработав до полного срока эксплуатации. Совершенствование конструкции ЩКУ, разработка новых и совершенствование существующих методов повышения надежности эксплуатации ЩКУ являются актуальной задачей, направленной на повышение долговечности и безотказности работы ЭДПТ в целом. Повышение надежности ЩКУ достигается несколькими путями, в том числе внедрением современных, высокоточных, объективных методов контроля технического состояния и диагностики, что позволяет своевременно определить зарождающиеся дефекты, спрогнозировать изменение технического состояния и принять меры к устранению дефектов и совершенствованию конструкции. 1. Основное направление повышения надежности ЩКУ. Основные показатели надежности носят вероятностный характер и оцениваются статистически на основании информации о надежности. Основные факторы, влияющие на надежность электродвигателя: выбор схемы и конструкционного решения при проектировании ЭДПТ; установление элементов, входящих в него; выбор материалов; назначение режимов нормальной эксплуатации; организация ТО и ремонта; выбор режимов обкатки и испытания электродвигателей; обоснование и разработка технологических процессов на изготовление или ремонт деталей и сборку. Так, в ЭДПТ такими узлами являются щеточно-коллекторный узел, якорь, обмотка полюсов и подшипниковый узел [2, 3]. Количественная оценка надежности работы различных технических систем проводится путем точного определения показателя надежности. Он возрастает по мере увеличения повторности информации, приближаясь к своему пределу - математическому отклонению [4, 5]. Надежность эксплуатации ЭДПТ во многом определяется техническим состоянием ЩКУ в целом, щеток и коллектора в частности. Повышение надежности и ресурса щеточно-коллекторного узла электродвигателей постоянного тока (ЩКУ ЭДПТ), применяемых на подвижном составе городского электрического транспорта обусловлено постоянно возрастающими требованиями к совершенствованию его конструкции, ростом скоростей, нагрузок, повышением требований к технико-экономической эффективности [6, 7]. Анализ методов повышения надежности ЩКУ на практике показал обратное: внедряемые до настоящего времени методы приводят к недостаточному интенсивному выносу электропроводящих продуктов износа щеток, загрязняя и коллекторные пластины. В других случаях щетки не вырабатывают полностью свой ресурс до их замены [8, 9]. 2. Математическая модель повышения надежности ЩКУ. Надежность и долговечность работы ЭДПТ и ЩКУ в эксплуатации зависят от нагревания, воздействия внешних факторов и т.п. Экономичная работа электродвигателей зависит от технического состояния элементов ЩКУ [10, 11]. Согласно математической модели в качестве критериев для определения оптимальной периодичности ТО ЭДПТ могут быть использованы следующие характеристики: - надежность щеточно-коллекторного узла во многих случаях может быть определена как вероятность безотказной работы щеточного аппарата Рщку(t) ≈ Рща(t); (1) - среднее статистическое значение времени отказов щеток (2) а среднеквадратическое отклонение отрезков времени (3) где ti - время отказа i-й щетки. Тогда надежность ЩКУ в течение времени ti может быть определена по экспоненциальному уравнению Р(t) = exp(-t/Tср). (4) Представляет интерес случай, когда величина х = ∆t - достаточно малая. Тогда рассматривается вероятность λ(t) отказа щетки на интервале [t, t + ∆t] при условии, что нет отказа до момента t. Введенное обозначение функции λ(t) называется интенсивностью отказа. Интенсивность отказа есть плотность условной вероятности события, состоящего в том, что щетка, проработавшая безотказно до момента времени t, откажет в промежутке времени [t, t + ∆t], который предполагается малым. Отсюда видно, что вероятность безотказной работы ЩКУ на интервале [t, t + ∆t] определяется только через λ(t) (рис. 1) [12, 13]. Следовательно, интенсивность отказа λ(t) является локальной характеристикой надежности. Интенсивность отказов определяет периодичность профилактики ЩКУ. Предсказание внезапных отказов и планирование различных мероприятий связаны с обеспечением надежности ЭДПТ при его эксплуатации путем анализа характеристик λ(t). Она характеризует надежность невосстанавливаемых частей, такой и является щетка. Рис. 1. Изменение интенсивности отказов ЩКУ: I - период притирки щетки, II - эксплуатация; III - аварийный износ щетки В частности, закон Вейбула выражается в виде , (5) где λ, α - параметры. С увеличением времени наработки эффективность снижается: Q(t) = 1 - P(t) = F(t), (6) где F(t) - интегральная функция времени работы до отказа. Следовательно, дифференциальный закон (плотность) распределения: F(t) = Q(t) = a(t). (7) Приведена зависимость вероятности безотказной работы P(t) ЩКУ к вероятности отказа Q(t) по причине износа щетки (рис. 2). Данная зависимость служит критерием для определения периодичности ТО, который задается, исходя из технических, экономических и других соображений. Рис. 2. Зависимость вероятности безотказной работы ЩКУ P(t) к вероятности отказа ЩКУ Q(t) Средняя скорость износа определяется как , (8) вероятность отказа щетки к моменту времени t с учетом скорости износа щетки определяется по формуле . (9) Результаты расчетов представлены в табл. 1. Они охватывают большое число факторов (конструктивно-технологических и эксплуатационных) и достаточно полно характеризуют надежность ЭДПТ в условиях эксплуатации. Таблица 1 Результаты исследований по подвижному составу Год эксплуатации Количество двигателей Количество ЭДПТ, отказавших из-за ЩКУ λ P(t) Q tср 2013 340 276 0,0504 0,448052 0,551948 102,8324 2014 340 208 0,038 0,379562 0,620438 136,4507 2015 340 151 0,027 0,307536 0,692464 187,9585 2016 340 94 0,017 0,21659 0,78341 301,9334 По проведенным расчетам математическое ожидание всего количества значений Δhi щеток Nщ, входящих в средний интервал износа ni и применяемых на подвижном составе: мм. (10) Среднеквадратичное отклонение = 5,4, (11) Таким образом, для расчета тΔh, σΔh и необходимо и достаточно знать значения средней скорости Vh и высоты износа щетки Δhini в каждом из предлагаемых режимов работы ЭДПТ. К постепенным отказам ЩКУ относится износ щеток. Износ коллектора по сравнению с износом щеток, как показывает опыт эксплуатации, ничтожно мал, и поэтому в расчет не принимается [14, 15]. Данные интенсивности износа ЩКУ в ЭДПТ при использовании различных щеток приведены в табл. 2. Таблица 2 Данные интенсивности износа ЩКУ в ЭДПТ при использовании различных щеток Серия подвижного состава Тип двигателя Значения интенсивности износа коллекторов (мм/105 км, числитель) и щеток (мм/104 км, знаменатель) при работе электродвигателей со щетками марок ЭГ14 ЭГ74 ЭГ61АК составная щетка Городской электрический транспорт КТМ ДК-259М -/1,67 -/1,60 ЛМ ДК-259К -/1,67 -/1,60 ТролЗа-5265 ДК-410 -/2,50 Железнодорожный подвижной состав ВЛ80т ЭД-118А 0,12/3,26 0,05/1,35 0,07/2,09 ВЛ10 Э108 0,17/- 0,04/1,90 -/1,20 ВЛ60 НБ-412М 0,21/4,20 0,20/3,30 0,03/1,80 -/3,20 Основная информация, необходимая для диагностирования ЭДПТ, поступает при проведении испытаний и экспериментов, в ходе которых регистрировались отказы и наличие дефектов в узлах [16]. Основой расчета показателей качества и надежности является модель параметрического отказа, отражающая изменение выходного параметра ЭДПТ под действием различных факторов. По мере ухудшения технического состояния щёточно-коллекторного узла увеличивается его виброускорение, которое не должно превышать 0,7-0,9 мм/с2. Поэтому контроль за вибрацией и предотвращение повышенной вибрации являются важной и ответственной задачей. Для снижения вибрации на щеточно-коллекторном узле была изменена конструкция нажимной пластины. Благодаря диагностированию, в том числе вибродиагностике, рассматриваемой в работе, своевременно выявленные дефекты и заранее подготовленные запчасти могут снизить значительные потери рабочего времени и способствуют сокращению простоя вагонов в ремонте вследствие замены неисправных узлов и деталей. Проводились экспериментальные исследования на электродвигателях, установленных на подвижном составе троллейбуса и трамвая. По накопленному количеству данных по ЭДПТ производилась прямая обработка данных сразу на ПК. Были выявлены основные диапазоны, отвечающие за определенные узлы ЭДПТ. На корпус и на узел устанавливался пьезодатчик прибора для измерения и анализа вибрации «Корсар ++», замеряющий вибрации электродвигателя постоянного тока (спектр амплитуд виброускорения, виброскорости и виброперемещения) и СКЗ. После была обработка полученных спектров вибрации на программном обеспечении Atlant. На основании собранного массива данных переменной частоты и амплитуды с шагом каждые 2,5 Гц предложен расчет по формулам (12)-(15) и получена оценка каждого диапазона спектра вибрации (рис. 3). Рис. 3. Соответствие неисправностей частотам вибрации Основные преимущества вибрационной диагностики: - метод позволяет определять наличие скрытых дефектов; - диагностика, считывание вибросигнала, как правило, не требует разборки оборудования; - отмечается относительно небольшое время считывания необходимого спектра вибросигнала; - есть возможность обнаружения неисправностей на этапе их зарождения; - достигается снижение ожидаемого риска возникновения аварийной ситуации при эксплуатации оборудования. После разработки методики вибродиагностики создана модель для оценки срока службы ЩКУ и всего электродвигателя постоянного тока [17, 18]. В методике использованы следующие критерии результатов сравнения эталонного и текущего спектров электродвигателей: - коэффициент корреляции (12) - непараметрическая ранговая оценка Спирмена: (13) - статистика знаков Фишера: ; (14) - Т-критерий Стьюдента: (15) Благодаря предложенной математической модели выявлены определенные дефекты, степень износа щеток, остаточный ресурс узла. Оценка спектров сигналов вибрации показала наличие увеличения амплитуды в рассматриваемом диапазоне частот, выявляющих состояние коллекторно-щеточного узла. Развитие методов вибродиагностики обусловливается не только наличием областей применения электродвигателей и требованием безаварийной работы систем, но и экономическими мотивами [19, 20]. Выводы. Задачи, поставленные в данной статье, решены и имеют перспективы дальнейшего научного развития. Разработанные методики и рекомендации могут быть использованы в научно-исследовательских учреждениях, конструкторских и проектных бюро, производственных предприятиях, на транспорте и в других организациях, занимающихся разработкой, производством и эксплуатацией как железнодорожных, так и других механических систем различного назначения. Экономически обоснованный уровень надежности является основным критерием формирования системы ТО ЩКУ ЭДПТ. Недостаточная надежность в эксплуатации приводит к большому материальному ущербу. Экономически же эффект от повышения надежности ЩКУ проявляется в увеличении времени полезной работы ЩКУ, сокращение потребности в ПС, материалах, энергии и т.п. Более надежный ЩКУ ЭДПТ дешевле в эксплуатации, так как затраты для поддержания его работоспособного состояния меньше.

About the authors

O. A Filina

Kazan State Energy University

A. N Tsvetkov

Kazan State Energy University

A. N Khusnutdinov

Kazan State Energy University

A. G Logacheva

Kazan State Energy University

References

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.