Методы и средства повышения ресурса щёток тяговых электродвигателей
На правах рукописи
Степанов Евгений Леонидович
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ЩЁТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Специальность: 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск - 2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор Щуров Николай Иванович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Нейман Владимир Юрьевич
доктор технических наук, профессор Сальников Василий Герасимович
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет» г. Иркутск
Защита диссертации состоится «16» декабря 2010г., в 12часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу:
630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.
Автореферат разослан « » ноября 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.173.04
кандидат технических наук, доцент __________________ Бородин Н.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Электрические машины постоянного тока используются в качестве электропривода на подвижном составе железнодорожного и городского электротранспорта, металлургии и т.д.
Положительными качествами коллекторных машин постоянного тока являются: возможность широкого регулирования частоты вращения, большой пусковой момент и высокий КПД и т.д..
Анализ отказов в условиях эксплуатации, например, для тяговых электрических машин постоянного тока на ж. д. транспорте показывает, что в среднем около 20 % от общего числа, составляют неисправности коллекторно-щёточного узла (КЩУ). Основной причиной этих отказов является износ элементов скользящего контакта – щётки и коллектора. Другая причина, обуславливающая значительные трудности при эксплуатации машин постоянного тока заключается в том, что электрическая щётка не восстанавливается (не ремонтируемое изделие) и утилизируется, что также увеличивает стоимость ремонта и время обслуживания.
В полной мере указанные проблемы относятся ко всем коллекторным машинам постоянного и переменного токов, имеющие КЩУ.
Ситуация усложнена постоянным контролем за их состоянием и износом. Особенности эксплуатации электрических машин предполагают периодическую замену электрических щеток, которые подвержены сильному электроэрозийному и механическому износу. Процесс замены щёток очень трудоёмок и требует остановки технологического процесса в промышленности, если отсутствуют резервные мощности или постановки подвижного состава на плановые и внеплановые виды ремонта.
Ежегодно приходит в негодность и выбрасывается, не отработав до полного срока эксплуатации около 50-60 % используемых щёток.
Главными причинами снижения ресурса остаётся проблема плохой коммутационной устойчивости, а также снижение износостойкости. Значительный вклад в изучение вопросов коммутации внесли такие учёные как В. Д. Авилов, В. Н Антипов, О. Г. Вегнер, А.И. Изотов, В. Т. Касьянов, М. Ф. Карасёв, С.И. Качин, А. С. Курбасов, Г. А. Сипайлов, А. И. Скороспешкин, В. П. Толкунов, В. В. Харламов и многие другие.
Из работ по повышению надежности электрических машин следует отметить работы А. В. Горского, В. Н. Забоина, Р. Г. Идиятуллина, И, П. Исаева, А. Л. Курочки, В. А. Четвергова и многих других.
При увеличении удельных нагрузок и сохранении массогабаритных показателей тяговых электродвигателей, на первое место выдвигаются вопросы повышения заданного ресурса КЩУ.
Одним из показателей надежности КЩУ является долговечность и ресурс щеток. Щётка является активным элементом коммутируемого контура, поэтому расширение функциональных возможностей её и повышение заданного ресурса является актуальной задачей и представляет научный и практический интерес.
В этих условиях особое значение приобретает проблема увеличения срока эксплуатации (ресурса) щеток электрических машин (дополнительно на 30-50 %).
В связи с этим возникает необходимость разработки такой щётки, которая давала бы возможность служить дольше, а также быть более дешевой и износостойкой. При этом технологический процесс её разработки не должен требовать дополнительного пересмотра параметров изготовления.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является увеличение ресурса работы щеток коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей постоянного тока для железнодорожного и городского электротранспорта.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:
1. Выполнить обзор и анализ существующих методов повышения ресурса щеток с целью оценки их применимости к существующим электрическим машинам постоянного тока электрического транспорта.
2. Определить факторы влияющие на процесс устойчивой работы щёток в коллекторно - щёточном узле электрических машин постоянного тока.
3. Создать:
- модель сложного щёткодержателя и составной разъёмной щётки с нажимным курком и пружиной;
- математическую модель для оценки качества механического контактирования верхней несменной части и нижней сменяемой части щетки, а также коллектора и нижней сменяемой части.
4. Исследовать влияние поперечного разреза в теле щётки на коллекторные и коммутационные характеристики щеток.
5. На основе теоретических и экспериментальных данных, полученных в работе, разработать рекомендации по применению щеток с поперечным разрезом и замковой частью для тяговых электродвигателей постоянного тока.
6. Установить рациональные размеры частей составных разъёмных щёток и определить межремонтные пробеги электроподвижного состава, в зависимости от скорости износа щёток.
7. Проверить технико - экономическую эффективность предложенных составных разъёмных щёток.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены на базе: теоретической механики, теории колебаний и упругости, теории электрических машин; математического аппарата дифференциального и интегрального исчисления; основных теорем и методов теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования составных щеток проводились в реальных условиях эксплуатации, с применением инструментальных методов оценки. Расчеты выполнены с помощью математического моделирования в среде «Maple», Statistica 6.0 и «Mathcad». Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами испытаний макетных образцов согласно ГОСТ для электрощёточных материалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Способ увеличения назначенного ресурса работы щёток тяговых электродвигателей на период пробега между плановыми видами ремонта от усреднённых значений скорости износа
Результаты статистических исследований износных характеристик щёток стандартного и составного исполнения в условиях эксплуатации.
Математические модели колебательного процесса КЩУ
Предложено в уравнение коммутации тяговых электродвигателей постоянного тока использовать аппроксимацию вольт-амперной характеристики скользящего контакта, учитывающую особенности электромеханической характеристики при регулировании скорости вращения якоря двигателя.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-предложено новое техническое решение составной разъёмной щётки, позволяющей существенно повысить ресурс её работы.
-создана математическая модель коллекторно-щёточного узла тягового электродвигателя локомотива с использованием составной разъёмной щётки;
-проведены комплексные масштабные экспериментальные исследования, подтвердившие целесообразность использования составных разъёмных щёток для тяговых электродвигателей.
-определена высота сменной нижней части щётки, обеспечивающей максимальный межремонтный пробег локомотива;
-новизна предложенных технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение (№ 2365005).
Практическая значимость работы состоит в том, что:
-применение составной разъёмной щётки с замковой частью в тяговых машинах электроподвижного состава повышает ресурс её работы на 30-50%.
-разработанные технические решения позволяют обеспечить и производить смену щёток на текущем ремонте ТР3, тем самым обеспечить пробег локомотивов согласно правилам ремонта электрических машин и исключить непредвиденные простои ЭПС.
-проведенные теоретические исследования и полученная математическая модель позволяют определять необходимые параметры разработанной щётки для различных типов тяговых машин ЭПС.
-проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили дать рекомендации по совершенствованию обслуживания коллекторно-щёточного узла.
-разработан механизм смены нижней части составной разъёмной щетки, позволяющий снизить время обслуживания при её замене в тяговых машинах и уменьшить простой локомотива.
Реализация результатов работы. Результаты исследований диссертационной работы использованы в проекте «Методическое руководство по применению составных разъемных электрощеток на тяговых электродвигателях трамвая и троллейбуса в трамвайном депо № 1 и троллейбусном депо № 2 с учетом износа и технического состояния тяговых электродвигателей при постановке на плановые виды ремонта» г. Казани при разработке методов расчета потребности щеток для депо.
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы были опубликованы и докладывались на третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» (ЭЭЭ-2007) 24-25 октября 2007 года. – Новосибирск: НГТУ, 2007; III молодежная Международная научная конференция "Тинчуринские чтения" посвящённая 40-летию КГЭУ 2008; XII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты МКЭЭЭ-2008» 2008г; Шестнадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" 2010.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опубликованы в 9 печатных работах, из них 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах ВАК, 1 – патент РФ, 6 – в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 169 наименований и 4 приложений. Общий объем 214 страниц машинописного текста, в том числе 198 страниц основного текста, 105 рисунков, 28 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены пути их решения.
В первой главе осуществлен анализ направлений для разработки наиболее точных методов обоснования рациональных конструкций щёток тяговых машин железнодорожного и городского электротранспорта путем обзора и анализа источников научной и технической литературы. Подтверждена актуальность изучаемой в диссертации проблемы, определены цели и задачи собственного исследования.
Выделены три основные группы методов обоснования рациональных конструкций щёток электрического подвижного состава: технологические, конструктивные и эксплуатационные, приведённые на рис.1. Проработка каждого из этих направлений в целом позволяет получить наиболее рациональное исполнение конструкции электрощеток.
В анализе первой, технологической группы методов показано, что они основаны на совершенствование технологии и повышения качества щеточных материалов и касаются применения новых электрощёточных материалов, пропитки и микроструктуры материала щёток. Дан качественный сравнительный анализ данного типа разработанных конструкций щёток.
В анализе применения эксплуатационных методов показано, что наиболее перспективный способ снижения износа щёток является установка на коллектор дополнительной смазывающей щётки, выполненной на основе дисульфида молибдена. Аналогичным предложением является применение электропроводящих смазочных композиций.
Другим решением данной проблемы является применение комбинированных или составных электрощёток. Он заключается в установке разнополярно на одной электрической машине постоянного тока разных марок щёток, которые обладают разными сопротивлениями.
Проведен анализ конструктивных особенностей электрощёток разработанных к настоящему времени. В виду многофакторности воздействий на КЩУ электрических машин, решение проблемы повышения ресурса, долговечности и надёжности выявил разный подход для её решения. Это применение углепластиковых материалов, которые увеличивают коммутационную способность щёток, но в то же время имеют повышенный коэффициент трения.
Рис. 1. Структурная схема повышения заданного ресурса щёток
Высокие щётки имеют повышенную длину рабочей части щётки, по сравнению со стандартными, за счёт этого ресурс увеличен в трое. Особенность слоистых щёток заключается в наличии прокладок в теле, изолированных или связующих. Податливые щётки, характеризуются наличием прорезей в теле, улучшение свойств достигается уменьшением жесткости щётки, как стержня. Щётки с продольным разрезом в настоящее время являются самыми распространёнными для тяговых машин железнодорожного и городского электротранспорта. Они обладают хорошими коммутационными свойствами, а в механическом отношении более устойчивыми, по сравнению с неразрезными (монолитными). При всём разнообразии конструктивных исполнений электрощёток, как стандартных так и перечисленных выше, они все имеют существенный недостаток, не изнашиваемая часть щётки, утилизируется и не восстанавливается. Одним из решений этой проблемы предлагается введение поперечного разреза в тело щётки.
На основании приведенного аналитического исследования сделан вывод, что разработка модели с поперечным разрезом конструкции тела электрощёток является наиболее перспективным методом, что позволяет увеличить заданный ресурс по критерию износостойкости (скорости износа), в реальных условиях эксплуатации выбрать целесообразную высоту рабочей части щётки в зависимости от межремонтного пробега локомотива.
Во второй главе проводится анализ и дается оценка колебаний составных разъёмных щёток в виде классической системы с одной и двумя степенями свободы для двух- и трёхмассовой системы. При исследовании рассматривается новая конструкция щётки - составная разъёмная с замковой частью изображённой на рис.2, а.
Особенность данной конструкции заключается во введении поперечного разреза в тело щётки, что позволяет использовать верхнюю не изнашиваемую часть неоднократно.
Составная (разъёмная) щетка (рис. 2.3, а) должна выполнять те же функции что и стандартные щетки, иметь тот же типоразмер и материал. Нижняя часть, изнашиваемая, которую можно заменять на новую по мере износа. Верхняя часть соединена с нижней по скользящей посадке, которая характеризуется относительным перемещением между собой частей щётки. Это обеспечивает хороший электрический контакт и простоту замены нижней части для всех типов электрических коллекторных машин. При этом конструкция КЩУ электрической машины остаётся неизменной.
Стандартная щётка (рис. 2, б), представляет собой призму, определённого размера, с токоведущим проводом.
а) б)
Рис. 2. Конструкции электрощеток: а – составная разъёмная с замковой частью; б – серийная (неразрезная).
Тело щётки можно рассматривать как стержень, который выполнен в виде призмы из электрощёточного материала. Экспериментальные исследования показали, для устойчивого контактирования необходимо знать физико-механические свойства материала щёток и коллектора, особенно их упруго-пластические параметры.
Основная особенность заключается в конструкции тела щетки, куда введён поперечный разрез, который является основным упругим элементом контакта «щётка-щётка».
За критерий устойчивого механического контакта принят коэффициент стабильности и амплитуда колебаний центра масс частей КЩУ и их взаимное расхождение. При рассмотрении оценки стабильности работы щеточного контакта при различных внешних условиях (плотность тока, частота вращения), определяется падение напряжения на пару щёток, полученных в ходе эксперимента. Эксперимент проводился в соответствии с требованиями и методикой для электрических машин постоянного тока с определением коэффициента стабильности работы механического контакта. Коэффициент стабильности рассчитывался по среднеквадратическому отклонению в соответствии с выражением:
(1)
где 
– среднее значение напряжения в контакте, В;
– среднеквадратическое отклонение, В;
N – количество измерений.
На основе экспериментальных данных, с помощью специально разработанной программы получены следующие результаты, которые представлены на рис. 3 и рис.4.
а) б)
Рис. 3. Зависимости коэффициента стабильности контакта от параметров нагрузки для монолитных (а) и разъёмных (б) щеток (n = 1500 об/мин)
а) б)
Рис. 4. Зависимости коэффициента стабильности контакта от параметров нагрузки для монолитных (а) и разъёмных (б) щеток S’ = f(n) при j = 10А/см2
Как показали исследования по оценке стабильности работы щёточного контакта, составные разъёмные щетки имеют преимущества по отношению к монолитным щеткам. Это может быть объяснено изменением амплитудно-частотной характеристики самой щётки и щеточного узла (изменение массы и жесткости механической системы, введение упругого слоя «щётка-щётка»).
В третьей главе с помощью разработанной модели, проведена проверка результатов полученных аналитическим способом коэффициента стабильности, при помощи математической модели коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя ЭД-118 тепловоза серии 2ТЭ10М (рис. 5).
Рис. 5. Расчётная эквивалентная кинематическая схема КЩУ тягового электродвигателя тепловоза с учётом трения в системе
В соответствии с теоретическими положениями, составлена математическая модель, на основе которых создана программа на ЭВМ и решены следующие задачи: определены частотные характеристики щёток стандартного и составного исполнения; определены и сопоставлены величины расхождения амплитуд стандартной щётки и коллектора, нижней и верхней частей составной щётки, составной щётки и коллектора. В соответствии с расчетной эквивалентной кинематической схемой записываем баланс механических сил для каждого элемента щётки в отдельности.
В общем виде математическая модель представлена ниже:
(2)
где 
- функция неровностей коллектора, задаваемая правилами ремонта тяговых машин тепловоза.
Получена система из трех дифференциальных уравнений (ODE) второго порядка. Без начальных условий.
Начальные условия, если иного не указано, будут нулевыми, характеризующими систему в её исходном состоянии:
(3)
Для решения взят математический пакет Maple Waterloo®, как наиболее подходящий для решения сложных систем интегро-дифференциальных уравнений численными методами и аналитически.
На математической модели была получена частотная характеристика КЩУ при максимальной частоте вращения якоря электродвигателя и с учётом изменения высоты и массы щётки, представленные на рис. 6 - 9.
Рис. 6. График относительных перемещений центров масс между нижней частью составной щётки и коллектором, нижняя часть не изношена
Рис. 7. График относительных перемещений центров масс между нижней и верхней частью составной щётки, нижняя часть изношена на 80%
Рис. 8. Графики относительных перемещений центра массы стандартной щётки относительно коллектора, щётка не изношена
Рис. 9. Графики относительных перемещений центра массы стандартной щётки относительно коллектора, щётка изношена на 80%
Аналогичные результаты получены для полигармонических колебаний и максимальной выработке коллектора равной 0,2 мм, определяемые правилами ремонта электрических машин тепловозов. Анализ полученных результатов показал, что расхождение амплитуд относительных колебаний составных щёток и коллектора на порядок ниже, чем у стандартных электрических щёток. Таким образом, устойчивость механического и электрического контактирования составной разъёмной щётки выше, что подтверждает выводы сделанные при расчёте коэффициента стабильности.
В четвертой главе рассмотрено влияние поперечного разреза тела щётки на коммутационные и коллекторные характеристики электрических щёток.
Коммутационные характеристики щёток типа ЭГ61А стандартного и составного разъёмного исполнения проверялись на установке с короткозамкнутым коллектором, по методу подпитки и отпитки дополнительных полюсов (ДП), предложенному профессором В. Т. Касьяновым.
Эксперимент включал измерения и регистрацию величин плотности тока и снятие безыскровых зон щёток, по специально разработанной программе. На рис.10 приведены такие зоны. Температура коллектора составляла tк = 35 40 C, плотность тока в контакте изменялась в пределах 0 14,5А/см2, при фиксированном числе витков дополнительных полюсов машины.
а) б)
Рис. 10. Безыскровые зоны для монолитных (а) и разъёмных (б) щеток
(n = 1380 мин-1; wдп = 60 вит)
Аналогичные результаты были получены в случае изменения параметров экспериментальной установки - числа витков ДП и скорости вращения якоря.
Анализ безыскровых зон для различных вариантов конструкции щеток, показал, что данные зоны присущи щёткам электрографитированного типа и явного различия не имеют. Средняя линия разъемных щёток проходит несколько выше, чем у стандартных, что говорит о влиянии поперечного разреза в теле щётки.
Далее, согласно программе, проведены экспериментальные исследования ВАХ для монолитных и разъемных щеток при различных сочетаниях окружающих условий, а именно, температуры и скорости вращения коллектора, получена их сравнительная оценка. На рис.11 приведены ВАХ щёток, полученных в ходе эксперимента на установке с короткозамкнутым коллектором.
а) б)
Рис. 11. ВАХ щеток ЭГ61А монолитного исполнения (а) и разъемных (б) щеток
Исследования ВАХ монолитных и разъемных щеток на физической модели при определённых условиях показали, что вид ВАХ подобен электрографитированным щеткам типа ЭГ. Для аппроксимации ВАХ представленных на рис. 11, было проведено усреднение восходящей и нисходящей ветви ВАХ с помощью программного обеспечения Statistica 6.0, а также выделены зоны плотности тока, характерные для режима работы данной щётки в электрической машине. На рис. 12 показана усреднённая ВАХ щётки ЭГ61А с выделенными зонами плотности тока, соответствующие режимам работы тягового электродвигателя ЭД 118Б тепловоза 2ТЭ10М(В) при ослаблении магнитного потока главных полюсов двумя ступенями.
Рис. 12. Усредненная зависимость падения напряжения U от плотности тока j для щеток с частотой вращения n = 1500 мин-1.
Усреднённые характеристики ВАХ разъемных щёток проходят выше монолитных, что характеризует влияние поперечного разреза в теле щётки, увеличивает общее сопротивление.
Существующие традиционные способы аппроксимации ВАХ, как утверждают многие исследователи, не обеспечивают требуемую точность расчётов, что вызывает необходимость поиска других методов.
С целью повышения точности аппроксимации разработана другая методика расчёта. Для определения характерных точек на ВАХ, где происходит изменение крутизны подъёма кривой, предлагается выбирать эти точки по изменению плотности тока в щёточном контакте. Это относится к электрическим машинам постоянного тока, где применяется метод регулирования частоты вращения якоря ослаблением магнитного потока главных полюсов. Такие точки особенно характерны для ТЭД магистральных локомотивов.
Предлагаемая кусочно-степенная аппроксимация, где на каждом из выделенном участков ВАХ с достаточной степенью точности можно использовать приведенные ниже функции. Для аппроксимации ВАХ составной разъёмной щетки, приведённой на рис. 15, используются следующие уравнения:
- для аппроксимации линейной части ВАХ
(4)
- для участка ВАХ с быстро нарастающим фронтом кривой
(5)
- и для среднего участка
(6)
где j - плотность тока; А, В – коэффициенты, которые подбираются в соответствии с видом ВАХ.
В указанных уравнениях (4) – (6) можно, подбирая коэффициенты, с достаточной точностью описать любые ВАХ с какими угодно подъемами в области малых плотностей тока и наклонами кривой.
На рис. 13 представлены существующие аппроксимации ВАХ щеточного контакта с помощью известных методов.
Рис. 13. Аппроксимации вольтамперной характеристики щетки различными способами
Рис. 14. Аппроксимации ВАХ разъёмной щётки ЭГ61А различными функциями.
Как видно из рис. 13, существующие методы аппроксимации ВАХ дают определённую погрешность.
На рис. 14 показана реальная ВАХ составной разъёмной щётки ЭГ61А и ее аппроксимация с помощью трёх уравнений (4), (5), (6), в зависимости от плотности тока в щёточном контакте, соответствующие режимам работы тяговых электродвигателей тепловоза, полученной в ходе эксперимента.
Как видно из рис.14 функции аппроксимации практически совпадают с реальной ВАХ ЭГ-61А, полученной путем усреднения экспериментальных ВАХ. Как показали исследования применение трёх функций для аппроксимации ВАХ, даёт хорошую практическую сходимость с исходной функцией полученной в ходе эксперимента
Коллекторные характеристики щёток типа ЭГ61А стандартного и составного разъёмного исполнения проверялись на установке с короткозамкнутым коллектором КЗК-95 завода «Электроугли».
Эксперимент включал измерения и регистрацию величины общего падения напряжения на пару щёток 2U, падение напряжения в разрезе тела щётки, при фиксированной величине тока по методике, определяемой ГОСТ Р51667 – 2000.
Получены данные общего падения напряжения на пару щёток 2U, образцов щёток ЭГ61, ЭГ14, ЭГ74 и ЭГ841 стандартной и составной разъёмной конструкции, представленные на рис. 15.
а) б)
Рис. 15. Результаты испытаний серийной и составной разъёмной щётки: а – серийная (неразрезная); б – составная разъёмная
Обработка полученных экспериментальных данных, проводилась с помощью программы Statistica 6.0.
На рис. 16. представлены графики плотности распределения вероятности падения напряжения щёток ЭГ841 и ЭГ61А, подобные результаты получены для других типов щёток ЭГ-14, ЭГ-74.
Рис. 16. Плотность распределения вероятности падения напряжения для щеток ЭГ841 и ЭГ61А
После обработки полученных статистических данных было установлено, что увеличение общего падения напряжения на пару 2U составной разъёмной щетки не выходит за пределы общего падения напряжения стандартной согласно техническим условиям и составляет 0,2 – 0,4В.
В пятой главе проведена проверка основных полученных экспериментальных данных на физической модели в эксплуатации. В соответствии с теоретическими положениями, составлена программа испытаний ресурса электрощёток и решены следующие задачи: изготовлены образцы экспериментальных щёток и установлены на тяговые машины тепловоза, в количестве ЭГ14 – 36, ЭГ61А – 48шт. Эксперименты включали измерение и регистрацию высоты электрощёток в зависимости от межремонтного пробега тепловоза.
В результате обработки, полученных экспериментальных данных, были построены плотности распределения вероятности остаточного ресурса щеток для тягового электродвигателя ЭД118Б тепловоза 2ТЭ10М на текущем ремонте ТР3, графики которых показаны на рис. 17.
Рис. 17. Распределение контролируемых параметров по высоте остаточного ресурса щёток тепловоза серии 2ТЭ10М депо Юдино Горьковской ж.д.
По результатам экспериментальных исследований было установлено, что остаточный ресурс щёток является случайной величиной и подчиняется нормальному закону распределения.
На рис. 18 показана зависимость ресурса щётки ЭГ61А, от пробега локомотива, данные приведены для усредненных значений износа и пробега локомотивов, согласно нормативных документов ОАО «РЖД», регламентирующим межремонтные пробеги локомотивов.
Анализ зависимостей рис. 18 показывает, что щётка ЭГ61А при использовании на разных типах локомотивов или недорабатывает свой ресурс до момента замены щеток, или щетка выходит их строя по причине износа до означенного пробега. Так, при эксплуатации электровозов ВЛ-60, ВЛ-80, щетки вырабатывают свой ресурс до планового ремонта ТР2. Полная разборка электродвигателей предусмотрена только на ТР3, когда представляется возможность произвести полную замену щеток с минимальными затратами. Смена же щёток на ТО3, ТР1 и ТР2 будет вызывать завышенный простой локомотива на ремонте, что экономически не оправдано.
Рис. 18. Зависимость пробега локомотивов от ресурса щёток ЭГ61А усреднённые данные
Рис. 19. График случайного процесса скорости износа щёток локомотивного депо Юдино
Стандартные щётки, выпускаемые производителями, имеют сравнительно небольшой диапазон радиальных размеров для тяговых двигателей, что не позволяет выбрать среди имеющихся щеток высоту с заданным размером. На рис. 19 показано зависимость заданной наработки hзад составных разъёмных щёток для максимального пробега тепловоза 220•103км локомотивного депо Юдино. Предложенная конструкция составной разъёмной щётки позволяет подбирать рабочую высоту нижней части и при заданном межремонтном пробеге локомотива (рис.20), она должна полностью вырабатывать свой заданный ресурс с учетом отклонений по пробегу локомотива до ТР3.
Рис. 20. Распределение назначенного ресурса щётки стандартной и заданного ресурса составной разъёмной с замковой частью, в зависимости от пробега локомотива.
Следовательно, подбирая высоту щётки, можно задавать любой назначенный ресурс щетки для любого типа локомотива.
Заключение. Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:
1. Осуществлён анализ существующих методов повышения назначенного ресурса электрических щеток и показано, что стандартные щетки не в полной мере решают поставленные задачи, в частности, не вырабатывают заложенный ресурс и преждевременно утилизируются. Внедрение поперечного разреза в тело стандартной щётки устраняет этот существенный недостаток и позволяет использовать верхнюю часть разъёмной щётки неоднократно.
2. Дана сравнительная оценка работоспособности предложенной разъемной щетки и стандартной по основным критериям, коэффициенту стабильности и скорости износа, которые непосредственно характеризуют устойчивую работу коллекторно-щеточного узла. Показано, что разработанная составная щетка по всем показателям соответствует техническим условиям и не уступает штатным изделиям, а по отдельным показателям превосходит их.
3. Разработаны и апробирована модель сложного щёткодержателя и составной разъёмной щётки с нажимным курком и пружиной и выполнено математическое описание предложенной модели.
4. На основании исследования характеристик, предложена более совершенная методика аппроксимации вольт-амперной характеристики щеток, учитывающая плотность протекания тока в коллекторно-щеточном устройстве, что соответствует различным ступеням регулирования скорости локомотива при ослаблении магнитного потока главных полюсов.
5. На основе теоретических и экспериментальных исследований полученных в работе, разработаны рекомендации по применению составных разъёмных щёток для тяговых электродвигателей постоянного тока и внедрены на производстве в трамвайном депо № 1 и троллейбусном депо № 2 г. Казани.
6. В соответствии с межремонтными пробегами локомотивов определены размеры нижней сменной части составной разъемной щетки, которая должна вырабатывать свой ресурс по окончании заданного межремонтного пробега.
7. Внедрение составных разъёмных щёток в систему КЩУ машин постоянного тока позволяет уменьшить стоимость комплекта щёток для одной электромашины на 30-35%, а также уменьшить трудозатраты при смене комплекта щеток на 55-60% в расчете на одну машину.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Степанов Е.Л. Исследование ресурса электрощёток тяговых электрических машин [Текст] / Ю.А. Рылов, Е.Л. Степанов, О.А. Филина // – Новосибирск: Науч. пробл. транспорта Сибири и Дальнего Востока: Научный журнал. – Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2010. -№1. –С. 320 - 323.
Вклад: Получение экспериментальных результатов исследования.
2. Степанов Е.Л. Исследование работы коллеторно-щёточног узла на математических моделях локомотива [Текст] / Н.И. Щуров, Е.Л. Степанов, М.Е. Вильбергер, С.В. Мятеж, Б.В. Малозёмов // – Новосибирск: Науч. пробл. транспорта Сибири и Дальнего Востока: Научный журнал. – Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2010. -№1. –С. 326 - 329.
Вклад: Участие в разработке программы математической модели коллекторно-щёточного узла.
3. Степанов Е.Л. Вольт-амперные характеристики составных электрощёток с поперечным разрезом [Текст] / Н.И. Щуров, М.Е. Вильбергер, Е.Л. Степанов, О.А. Филина // Сб. науч. Тр. НГТУ. – 2010. -№3(61).
Вклад: получение экспериментальных результатов исследования и их анализ.
4. Степанов Е.Л. Анализ износа электрощёток локомотива [Текст] / Н.И. Щуров, М.Е. Вильбергер, Б.В. Малозёмов, Е.Л. Степанов // Сб. науч. Тр. НГТУ. – 2010. -№3(61).
Вклад: Получение экспериментальных результатов исследования на физической модели и их анализ.
5.Степанов Е.Л. Вольт-амперные характеристики щёточного контакта электрощёток с повышенным ресурсом [Текст] / Е.Л. Степанов, Р.Г. Идиятуллин, Ю.А. Рылов. // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты: XII Международная конференция: труды, 29 сентября - 4 октября 2008г. КРЫМ, АЛУШТА: МКЭЭЭ-2008. - М.: б. и., 2008. - с.45.
6. Степанов Е. Л. Определение частот собственных колебаний элементов коллекторно-щёточного узла. [Текст] / Е.Л. Степанов, О.В. Наумова, Ю.А. Рылов // Материалы докладов III молодежной Международной научной конференции "Тинчуринские чтения" посвящённая 40-летию КГЭУ / Под общ. ред. д-ра физ-мат. Наук проф. Ю.Я.Петрушенко. 24-25 апреля 2008г. В 4 т.; Т. 3. -Казань: Казан, гос. энерг ун-т, 2008 –93с.
7. Степанов Е. Л. О повышении ресурса электрощеток тяговых электродвигателей ЭПС. Доклад на секции «Электротехнические комплексы и электрический транспорт» на третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика, электротехнологии» (ЭЭЭ-2007) 24-25 октября 2007 года. – Новосибирск: НГТУ, 2007.
8. Степанов Е.Л. Аппроксимация вольт-амперной характеристики щёточного контакта составной щётки с повышенным ресурсом [Текст] / Е.Л. Степанов; науч. рук. Р.Г. Идиятуллин //РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА. В 3т. т.2: материалы Шестнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов 25 - 26 февраля 2010 г., МОСКВА. - Москва : Изд-во МЭИ, 2010.- С.219.
9. Пат. 2365005 RU, МПК C2 H01R39/18. Составная разъёмная щётка с замковой частью [Текст] / Степанов Е. Л., Рылов Ю.А. ; патентообладатель Е. Л Степанов. – № 2007143694/09 ; заявл. 16.11.2007 ; опубл. 20.08.2009, Бюл. № 23. – 3 с. : ил.
Вклад: в работах 5, 6, 7, 8 соискателю принадлежит постановка задач, технические решения и выводы. В работе 9 соискатель является патентообладателем, принадлежит постановка задачи и техническое решение.
Подписано в печать формат 84x60x1/16
бумага офсетная. Тираж экз. Печ. л. 1,25
Заказ №
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
