автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Использование электромеханического процесса пуска тягового электродвигателя электровоза для контроля положения щеток двигателя относительно его нейтрали

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ПОСЛЕРЕМОНТНЫХ

ИСПЫТАНИЙ ТЭД И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор существующих методов диагностирования электрических машин постоянного тока.

1.2 Общая характеристика системы послеремонтных испытаний тяговых электродвигателей электровозов.

1.3 Анализ существующих методов контроля положения щеток тягового электродвигателя относительно нейтрали и их характеристика.

1.3.1 Исследование точности установки щеток тягового электродвигателя на нейтрали при использовании индукционного метода.

1.4 Анализ существующих условий в разработке методов технического диагностирования двигателей постоянного тока.

1.5 Цели и задачи исследования.

Глава 2. ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ - КАК ОБЪЕКТ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОЦЕССА ПУСКА

2.1 Формирование множества диагностических параметров тягового электродвигателя.

2.2 Схема причинно - следственных связей дефектов тягового электродвигателя и признаков их проявления.

2.3 Варианты построения систем диагностирования.

Глава 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЯГОВОГО

ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ СМЕЩЕНИЯ ЩЕТОК С НЕЙТРАЛИ

3.1 Постановка задачи.

3.2 Общая характеристика процессов при пуске двигателя.

3.3 Влияние сдвига щеток с нейтрали на электромагнитные процессы в двигателе постоянного тока.

3.4 Определение э.д обмоток двигателя.

3.5 Переходные процессы в магнитопроводе двигателя.

3.6 Математическая модель двигателя независимого возбуждения с учетом смещении щеток с нейтрали.

3.7 Экспериментальное исследование пуска двигателя и оценка адекватности математической модели.

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЩЕТОК ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНО НЕЙТРАЛИ. 4.1 Влияние сдвига щеток двигателя с нейтрали на основные характеристики электромеханического переходного процесса пуска и выбор диагностического параметра определения наличия сдвига щеток.

4.2 Определение величины смещения щеток с нейтрали методом параметрической идентификации модели пуска тягового электродвигателя

4.3 Алгоритм определения величины смещения щеток двигателя с нейтрали на основе идентификации модели пуска.

4.4 Экспериментальная проверка определения величины смещения щеток при использовании разработанного метода.

Глава 5 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННОГО СПОСОБА КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ЩЕТОК ДВИГАТЕЛЯ НА НЕЙТРАЛИ

5.1 Алгоритм реализации разработанного способа контроля положения щеток относительно нейтрали.

5.2 Разработка программно-технического комплекса для реализации разработанного способа контроля положения щеток на нейтрали.

5.2.1 Функциональная организация комплекса.

5.2.2 Силовая схема комплекса.

5.2.3 Измерительно - управляющая часть комплекса.

5.3 Ожидаемые технико-экономические результаты от использования разработанного способа контроля положения щеток тягового двигателя относительно нейтрали.

Электроподвижной состав железных дорог (ЭПС) является важнейшей составной частью железнодорожного транспорта страны. Эффективность работы ЭПС во многом определяет и эффективность всей системы железнодорожного транспорта. Одним из показателей эффективности ЭПС является его надежность. Как следует из статистических данных МПС РФ, повреждаемость ЭПС все еще остается на достаточно высоком уровне. Число порч и неисправностей ЭПС на протяжении последних лет находится на уровне 1-2 случая на 1 млн. км пробега.

Важнейшим элементом ЭПС являются его тяговые электродвигатели (ТЭД). Как следует из многочисленных исследований различных авторов, ТЭД является одним из элементов конструкции ЭПС, ограничивающих эксплуатационную надежность последнего. И в настоящее время, на протяжении последних шести лет, число порч и неисправностей ТЭД устойчиво находится на уровне (22 - 24)% от общего числа повреждений ЭПС. Поэтому, задача повышения надежности ТЭД, во многом определяющей надежность ЭПС, и в настоящее время является актуальной.

Высокая повреждаемость ТЭД в эксплуатации порождается действием различных факторов. Основным же из них является низкое качество ремонта двигателей в локомотивных депо и на локомотиворемонтных заводах. Повреждаемость ТЭД, вызванная действием именно этого фактора, превышает 50% от общего количества отказов ТЭД.

Низкое качество ремонта ТЭД может быть связано как с несовершенством технологий ремонта, так и с нарушениями технологической дисциплины при производстве работ. Однако, в любом случае, число случаев выдачи на линию ТЭД с не выявленными дефектами должно быть сведено к минимуму. Эту задачу решает система послеремонтных испытаний ТЭД. Поэтому, высокий процент отказов ТЭД на линии, по причине низкого качества ремонта, однозначно свидетельствует о неэффективности существующей системы послеремонтного контроля технического состояния ТЭД.

Тяговые электродвигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и дефектов. Одной из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является нарушение нормальной коммутации и возникновение «кругового огня по коллектору». Как известно, среди различных причин, способных привести к данному повреждению двигателя во время эксплуатации, одной, из наиболее мощных причин возникновения «круговых огней» является неточная установка щеток тягового двигателя на нейтрали.

Помимо ухудшения условий коммутации, сдвиг щеток с нейтрали вызывает расхождение электромеханических характеристик отдельных тяговых электродвигателей электровоза. Это приводит к неравномерной токовой нагрузке отдельных двигателей, что, в конечном итоге, снижает тяговые возможности электровоза. Кроме этого, токовая перегрузка тягового двигателя является еще одним провоцирующим фактором возникновения «круговых огней». Неравномерное распределение токов тяговых электродвигателей способно, так же, вызывать неверную работу современных автоматических систем управления ЭПС.

В связи с перечисленными выше отрицательными явлениями, возникающими от сдвига щеток с нейтрали, к точности установки щеток тягового двигателя на нейтрали предъявляются повышенные требования.

Одним из направлений в повышении эффективности послеремонтного контроля ТЭД, включающего и обязательный контроль положения щеток, является внедрение в систему послеремонтных испытаний ТЭД как существующих, так и разработка новых эффективных методов и средств технического диагностирования.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что разработка новых методов контроля точности установки щеток двигателя на нейтрали, обеспечивающих, по сравнению с существующими методами, повышение точности контроля является актуальной задачей.

Работы в области разработки методов и средств диагностирования тяговых электродвигателей выполнялись учеными и специалистами ВНИИЖТ и различных учебных ВУЗов железнодорожного транспорта, силами специалистов локомотиворемонтных заводов и депо. Существуют различные направления в разработке методов диагностики тяговых электродвигателей, что объясняется разнообразием возможных неисправностей и дефектов ТЭД.

Двигатели постоянного тока используются в различных отраслях промышленности и транспорта. Однако, наибольшее число работ по разработке методов и средств диагностирования машин постоянного тока, проведено именно в различных отраслях транспорта и, прежде всего - в области железнодорожного транспорта. Это объясняется особой значимостью надежности двигателей, которые на транспорте используются главным образом в качестве тяговых двигателей.

В области железнодорожного транспорта разработками вопросов диагностирования ТЭД занимались: Исаев И.П., Глущенко М.Д., Феоктистов В.П., Попов Д.А., Козлов Л.Г., Матвеичев А.П., Скворцов А.В., Дурандин Г.Б., Курба-сов А.С., Курбасов Б.А., Волков В.К., Суворов А.Г., Сенкевич И.В., Протасов А.И., Осяев А.Т., Некрасов О.Н., Титов Н.А., и многие другие. В области других видов транспорта, известны исследования в разработке методов и средств диагностирования электрических машин постоянного тока таких авторов как Потапов В.Н., Васильев В.И., Шашков Д.И., Николаев Д.С., Веклич В.Ф., Буковец-кий А.И., Калошкин A.M. и др.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования является переходной электромеханический процесс пуска тягового электродвигателя на холостом ходу при пониженном напряжении, предположительно порождающий большой объем исходной диагностической информации о техническом состоянии двигателя, которую можно использовать для постановки его диагноза.

Предметом исследования является оценка возможности использования электромеханического процесса пуска двигателя для определения положения щеток относительно нейтрали.

Цель работы

Теоретическое и экспериментальное исследование электромеханического переходного процесса пуска тягового электродвигателя электровоза для разработки метода определения положения щеток относительно геометрической нейтрали двигателя.

Для достижения поставленной цели, в диссертации решены следующие задачи:

- проведен анализ организации существующей системы послеремонтного контроля технического состояния тяговых электродвигателей, технических средств, используемых для производства испытаний;

- проведен обзор существующих методов диагностирования электрических машин постоянного тока;

- рассмотрены возможные варианты построения систем диагностирования;

- построена математическая модель пуска тягового двигателя, учитывающая наличие сдвига щеток с нейтрали;

- исследовано влияние сдвига щеток с нейтрали на основные характеристики переходного процесса пуска и сформирован диагностический признак наличия смещения щеток с нейтрали двигателя;

- разработана функциональная схема двигателя для построения идентифицируемой по результатам опыта пуска математической модели двигателя на основе чего разработан метод определения величины сдвига щеток с нейтрали;

- сделаны предложения по возможному варианту реализации разработанного способа выявления наличия сдвига щеток с нейтрали и определения величины сдвига.

Источники использованных материалов

При выполнении работы были использованы материалы классических учебников по курсам электрических машин, материалы литературных источников по исследованию переходных процессов в электрических машинах постоянного тока, материалы диссертационных исследований в области диагностирования электрических машин, используемых в различных областях транспорта, материалы периодических научных и профессиональных журналов, материалы научных межвузовских трудов, а, так же, был проведен патентный поиск в области диагностирования электрических машин.

Методы исследования

• теоретическое исследование влияния сдвига щеток на электромагнитные процессы в ТЭД при его пуске;

• математическое моделирование процесса пуска ТЭД путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные и электромеханические процессы в двигателе;

• экспериментальные исследования процесса пуска ТЭД с использованием для производства измерений и регистрации результатов измерений средств вычислительной и микропроцессорной техники

• экспериментальные исследования точности контроля определения положения щеток двигателя на нейтрали применительно к существующему и разработанному способу контроля;

• математические методы теории вероятности и регрессионного анализа для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы

1. Определены численные характеристики точности установки щеток ТЭД на геометрической нейтрали при использовании существующего индукционного метода контроля.

2. Разработан новый метод определения наличия сдвига щеток ТЭД с геометрической нейтрали, использующий для этой цели электромеханический переходной процесс пуска двигателя.

3. Впервые, применительно к ТЭД, разработан метод контроля его технического состояния на основе использования параметрической идентификации модели объекта.

4. Разработан метод определения численного значения величины смещения щеток с нейтрали.

5. Разработана функциональная схема идентифицируемой модели ТЭД, используемая для определения величины сдвига щеток с нейтрали.

Практическая полезность

Проведенные исследования позволили разработать:

- способ определения наличия сдвига щеток тягового электродвигателя с нейтрали;

- способ определения величины сдвига щеток с нейтрали двигателя;

- комплекс технических средств для реализации разработанного способа контроля положения щеток относительно геометрической нейтрали двигателя.

Реализация результатов работы

- новый, более точный способ контроля положения щеток относительно нейтрали;

- автором получен Патент РФ №2074479. Способ определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали / соавтор Власьевский С.В. на изобретение

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и одобрены:

- на 40-й Всероссийской научно-практической конференции кафедр Дальневосточного государственного университета путей сообщения с участием представителей железных дорог, научных организаций и предприятий транспортного строительства и железнодорожных вузов, Хабаровск: ДВГУПС, 1997 г.;

- на второй международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», Владивосток: ДВО АТР, 1-3 октября 1997 года;

- на международной научно-практической конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте», Хабаровск: ДВГУПС, 18-19 июня 1998 г.;

- на юбилейной Всероссийской научно-практической конференции учёных транспортных вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, посвящённой 100-летию завершения строительства Транссибирской магистрали и 150-летию открытия движения по магистрали Санкт-Петербург -Москва, Хабаровск - Владивосток 18-21 октября 2001 г.

Публикации

По теме работы опубликовано 7 научных работ, получен 1 Патент на изобретение.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по результатам работы, списка используемой литературы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Используемый в настоящее время индукционный метод контроля положения щеток ТЭД относительно нейтрали имеет принципиально неустранимые недостатки, обусловленные тем, что контроль производится при неподвижном якоре двигателя. Неподвижность якоря приводит к тому, что величина наведенной в обмотке якоря э.д.с. оказывается зависимой не только от величины смещения щеток с нейтрали, но и от взаимного расположения зубьев якоря и зубьев полюсных наконечников главных полюсов.

2. Точная установка щеток на нейтрали при использовании индукционного метода контроля возможна только при проведении многократных опытах установки с различными положениями якоря и вычислением наиболее вероятного положения нейтрали, что в условиях локомотивного депо практически нереализуемо.

3. Путем моделирования процесса пуска ТЭД на математической модели и экспериментальным путем установлено, что сдвиг щеток с нейтрали оказывает влияние на ряд характеристик электромеханического переходного процесса пуска двигателя. Наиболее информативной характеристикой является постоянная времени процесса нарастания угловой скорости вращения якоря.

4. Факт наличия сдвига щеток с нейтрали может быть установлен с использованием предложенного диагностического параметра Кт.

5. Использование Кт для определения величины сдвига щеток с нейтрали является затруднительным в силу того, что постоянные времени процесса увеличения угловой скорости вращения якоря в значительной степени зависит от параметров источника питания цепи якоря двигателя.

6. Разработана математическая модель пуска двигателя, на основе которой создана идентифицируемая модель двигателя для определения величины смещения щеток исходя из результатов опыта пуска.

7. Определение величины смещения щеток двигателя с нейтрали возможно выполнить путем параметрической идентификации математической модели опытов пуска тягового двигателя.

8. Сравнительные испытания двух способов контроля положения щеток относительно нейтрали показали повышение вероятности установки щеток в границах окрестности (±1мм) от наиболее вероятного положения нейтрали с 0,723 до 0,847 (или на 14% в относительной величине) при использовании разработанного способа контроля.

9. Для реализации разработанного способа определения наличия сдвига щеток с нейтрали и способа определения величины такого сдвига, разработан вариант программно - технического комплекса.

1. Анализ технического состояния электровозного парка по сети ж. д. РФ. -М.: МПС., 1998-2001.

2. Бахвалов Н.С. Численные методы. -М.: Наука, 1975.

3. Буковецкий А.И. Исследование и разработка системы диагностики многосекционных обмоток электрических машин автомобилей и тракторов в процессе производства и ремонта: Дис. канд. техн. наук / МЭИ -М: 1976.

4. Васильев В.И. Автоматический контроль и диагностика систем управления силовыми установками летательных аппаратов / В.И. Васильев, Ю.М. Гусев -М.: Машиностроение, 1989.

5. Васильков Ю.В. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании: Учеб. пособие / Ю.В. Васильков, Н.Н. Василькова. -М.: Финансы и статистика, 2002.

6. Веклич В.Ф. Диагностирование технического состояния троллейбусов. -М.: Транспорт, 1990.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учеб.для вузов,- 6-е изд. стер. -М.: Высш. шк., 1999.

8. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования /

9. A.А. Александров, А.В. Барков, Н.А. Баркова, В.А.Шафранский. -Л.: Судостроение, 1986.

10. Винокуров В.А. Электрические машины железнодорожного транспорта /

11. B.А. Винокуров, Д.А.Попов,.М.: Транспорт, 1986.

12. Ю.Волков В.К. Об испытаниях тяговых двигателей // Локомотив. -1993. -№ 3. П.Волков В.К. Устройство для контроля установки щеток коллекторных электродвигателей на нейтраль: а. с. 1161905 СССР.

13. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. -Л.: Энергия, 1975.

14. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1989.

15. Г0СТ 26656-85 Техническая диагностика. Контролепригодность. Общие требования. -М.: Изд-во стандартов, 1985.

16. Грановский В. А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В.А. Грановский, Т.Н. Сирая -Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.

17. Гуревич Н. Освой самостоятельно Visual Basic 5: Пер. с англ. / Под ред. В. Тимофеева-М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 1998.

18. Диагностирование электронных систем / А.В Мозгалевский, В.П. Калявин, Г.Г. Костанди //Под ред. А.В. Мозгалевского. -Д.: Судостроение, 1984.

19. Должиков С.Н. Совершенствование системы контроля и испытаний тяговых электродвигателей локомотивов: Дис. канд. тех. наук / ОмИИТ. -Омск: 1984.

20. Дубинин А.Е. Устройство измеряет нажатие щеток // ЭТТ. -1985. -№6.

21. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке БЕЙСИК для персональных ЭВМ. -М.: Наука, 1987.

22. Ермолин Н.П. Переходные процессы в машинах постоянного тока. -М.: Госэнергоиздат, 1951.

23. Жиц М.З. Переходные процессы в машинах постоянного тока. -М.: Энергия, 1974.23.3ахарченко Д. Д. Тяговые электрические машины / Д. Д. Захарченко, Н.А.Ротанов. -М.: Транспорт, 1991.

24. Иванов Смоленский А.В. Электрические машины: Учеб. -М.: Энергия, 1980.

25. Интерфейсы систем обработки данных. / А.А. Мячев, В.Н. Степанов, В.К. Щербо: Справочник. -М.: Радио и связь, 1989.

26. Как измерить индуктивность на электровозах / А.Ф. Тиунов, A.M. Шелест. // ЭТТ.-1981.-№12.

27. Калошкин A.M. Исследование наджности тяговых электродвигателей постоянного тока большегрузных автомобилей: Дис. канд. техн. наук. / МЭИ -М, 1982.

28. Камаев В.А. Математическое моделирование изделий и технологий: Учеб. пособие. -Волгоград. Изд-во ВПИ, 1986.

29. Киселев В.И. Разработка методов расчета на ЦВМ и исследование установившихся и переходных режимов машин постоянного тока: Дис. канд. техн. наук. -М.: 1978.

30. Коварский Е.М. Испытание электрических машин. / Е.М.Коварский, Ю.И.Янко. -М.: Энергоатомиздат, 1990.

31. Контроль динамических систем / В.А. Дятлов, А.Н. Кабанов, JI.T. Милов -Л.: Энергия, 1978.

32. Костылев А.А. Статистическая обработка результатов экспериментов на микро-ЭВМ и программируемых калькуляторах / А.А. Костылев, П.В. Миляев. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1991.

33. Курбасов Б.А. Исследование и разработка методов контроля состояния тяговых электродвигателей вагонов метрополитена при ремонте: Автореф. дис. канд. техн. наук / МИИТ. -М.:, 1983.

34. Мозгалевский А.В. Системы диагностирования судового оборудования. / А.В. Мозгалевский, В.П. Калявин. -Л.: Судостроение, 1982.

35. Надежность судовых электроэнергетических установок и электрического движения: Сб. научн. тр./ Под ред. В.В. Тихонова. -Л.: Изд-во ЛИВТ, 1979.

36. Некрасов О.Н. Испытание тяговых электрических двигателей по методу исскуственной толчковой нагрузки: Дис. канд. техн. наук. / МЭИ. -М., 1948.

37. Никитенко А.Г. Математическое моделирование динамики электровозов. -М.: Высшая школа, 1998.

38. C.В. Власьевский // Интеграция теоретической, практической и методической подготовки специалистов железнодорожного транспорта: Межвуз. сб. науч. тр.-Чита: ЗабИЖТ, 1996.

39. Патент РФ № 2074479. Способ определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали / С.В. Власьевский, С.З. Овсейчик, Заявл. 11.10.94. Опубл. 27.02.97, Бюл. №6.

40. Пархоменко П.П. Основы технической диагностики / Пархоменко П.П., Е.С. Согомонян -М.: Энергия, 1881.

41. Петруцос Э. Visual Basic 6 и VBA:/ Пер. с англ. -СПб.: Изд-во "Питер", 2000.

42. Попов Д.А. Методы и средства оценки коммутационной устойчивости тяговых электродвигателей локомотивов: Дис. канд. техн. наук / МИИТ -М.: 1984.

43. Потапов В.Н. Диагностирование авиационных электрических машин. -М: Транспорт, 1989 г.

44. Потапов В.Н. Исследование и разработка методов диагностирования авиационных электродвигателей постоянного тока.: Дис. канд. техн. наук / РИИГА, Рига, 1986.

45. Правила ремонта тяговыхи вспомогательных электрических машин электроподвижного состава. ЦТ/2931/ МПС СССР. -М.: Транспорт, 1972.

46. Проектирование тяговых электрических машин / Под ред. М.Д. Находкина. -М.: Транспорт, 1976.

47. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. / В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. -М.: Энергоатомиздат, 1990.

48. Ремонт электровозов и электропоездов: Учеб. для техникумов ж.-д. трансп. / Под ред. В.М. Находкина 2е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1981.

49. Самарский А.А. Введение в численные методы. -М.: Наука, 1982.

50. Сенкевич И.В. Исследование методов оценки качества коммутации коллекторных электрических машин: Автореф. дис. канд. техн. наук / ОмИИТ. -Омск:, 1972.

51. Сечин В.И. Теоретическое исследование коммутации на основе математической аппроксимации вольтамперных характеристик щеточного контакта: Дис. канд. тех. наук / ОмИИТ. -Омск, 1968.

52. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕН ^ БЙБЛЙ01ЯК>'/- ^ «ь