автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Исследование магнитной вибрации для диагностики тяговых электродвигателей локомотивов

На правах рукописи

¡„Олив т

I

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ВИБРАЦИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ

Специальность 05.22.07 - «Подвижнойсостав железных дорог и тяга поездов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2000

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщения

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гиоев 3. Г. Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Приходько В. М. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Феоктистов В. П. кандидат технических наук, доцент Муханов В. В.

Ведущая организация:

Ростовский электровозоремонтный завод

Защита диссертации состоится « 1Эу> демЪ/я 2000 г. в /V час зо мин на заседании диссертационного совета Д! I4.08.0l при Ростовском государственном университете путей сообщения по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Народного ополчения, 2, РГУПС, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «

Ученый секретарь диссертационного совета

Оди-М! лкшч.о

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Виброакустйческая диагностика технического состояния элементов и узлов тяговых электродвигателей (ТЭД) в условиях' эксплуатации и при диагностике качества изготовления или ремонта в заводских условиях занимает одно из приоритетных мест в ряду задач повышения надежности и безопасности электроподвижного состава. Длительные простои локомотивов в ремонте из-за неисправностей ТЭД в течение гарантийного срока после заводского ремонта, а также преждевременная постановка на ремонт с полной разборкой узлов тягового привода являются причиной повышения расхода средств на проведение технического обслуживания и' ремонтнь1х работ.

Цель работы заключается в установлении норм на уровень магнитной вибрации тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего тока как одного из факторов, влияющих нй постановку диагноза о техническом состоянии таких элементов конструкции, как подшипники якоря и магнитная система, т.е. исследовании уровня магнитной составляющей в общем уровне собственной корпусной вибрации в зависимости от износа подшипников в первом случае и исследовании параметров магнитной вибрации при ослаблении крепления главных полюсов во втором.

Научная новизна работы:

Получены формулы для расчета величины переменных электромагнитных сил и моментов, действующих на главный полюс ТЭД при нагрузке и холостом ходе с учетом неравномерности воздушного зазора.

Предложены способы расчета изменения уровня переменных электромагнитных сил и моментов в зависимости от частоты вращения якоря ТЭД (скорости электровоза) для диапазона рабочих токов.

Разработана методика расчета уровня магнитной вибрации на корпусе тягового электродвигателя постоянного (пульсирующего) тока.

Исследованы механические свойства колебательной системы «главный полюс - полюсный болт» и выведены формулы,

позволяющие определять собственные частоты колебаний системы.

Получены формулы, позволяющие оценивать параметры деформации полюсных болтов под действием тангенциальной составляющей переменной электромагнитной силы.

Практическая ценность работы заключается в использовании разработанных методов и средств решения научных и производственных задач безразборной виброакустической диагностики.

Разработан электромеханический привод для выделения магнитной

составляющей из общего уровня собственной корпусной вибрации тягового электродвигателя.

Получены линейные зависимости общего уровня собственной корпусной вибрации ТЭД типа НБ-418К6 от радиального зазора в якорных подшипниках, позволившие разработать нормы на величину магнитной вибрации и общий уровень вибрации тягового электродвигателя в зависимости от технического состояния.

Установлена зависимость параметров составляющей колебаний зубцовой частоты в зависимости от момента затяжки болтов крепления главных полюсов тягового электродвигателя, на основании чего предложена методика диагностики ослабления полюсных болтов.

Общая методика исследования. В основу теоретических исследований положены классические законы теорий электромагнитного поля, колебаний стержней и оболочек, планирования эксперимента. Обработка экспериментальных данных проведена на основании законов математической статистики и теории вероятностей. Теоретические и экспериментальные расчеты выполнены с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на реальном ТЭД типа НБ-418К6, установленном на виброизолирующем стенде.

Достоверность результатов подтверждена

экспериментальными исследованиями. Виброакустические испытания выполнялись с использованием специальной виброизмерительной аппаратуры, отвечающей требованиям стандартов.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются на Ростовском электровозоремонтном заводе при

диагностике технического состояния подшипников якоря при выпуске ТЭД из капитального ремонта.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на межотраслевой научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении" (Ростов-на-Дону, 1998 г.), 58-й научной конференции профессорско-преподавательского состава РГУПС (Ростов-на-Дону, 1999 г.)

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в восьми печатных работах, опубликованных в период с 1998 по 2000 г. в центральной печати и сборниках научных трудов вузов и научно-исследовательских организаций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 152 страницах машинописного текста, содержит 39 рисунков, 8 таблиц, 92 библиографических наименования на 8 страницах, а также приложения на 41 странице.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность научной проблемы, показана ее экономическая целесообразность.

В первой главе проанализировано современное состояние методов и средств технической диагностики объектов железнодорожного транспорта, рассмотрено состояние вопроса в области магнитного шума и вибрации машин постоянного тока.

Проблема надежности и технической диагностики электроподвижного состава включает широкий круг задач, требует глубокого и всестороннего рассмотрения. К наиболее значительным исследованиям, проведенным за последние десятилетия отечественными учеными, следует отнести труды ученых: А.И. Беляева, И.В. Бирюкова, В.И. Бочарова, З.Г. Гиоева, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаева, Ю.М.' Инькова, В.Н. Кашникова, В.И. Киселева, JI.K. Козлова, A.JI. Курочки, Н.М. Лукина, М.Д. Находкина, Б.Д. Никифорова, В.П. Парамзина, И.Ф. Пушкарева, Э.Э. Риделя, Н.А. Ротанова, B.C. Руднева, Е.К. Рыбникова, А.Н. Савоськина, В.В. Стрекопытова, Т.А. Гибилова, В.П. Феоктистова, В.А. Четвергова, В.А.Щепетильникова, В.Г. Щербакова, В.П. .Янова

и многих других.

В последние годы наблюдается активизация работ по созданию математического и программного обеспечения, отвечающего за интерпретацию результатов, поставляемых комплексами измерения виброакустической информации. На предприятиях железной дороги уже внедрены несколько систем виброакустической диагностики, предназначенных для безразборного определения технического состояния узлов и позволяющих давать заключение о целесообразности проведения ремонтных работ.

Тем не менее на достигнутом уровне не обеспечивается достаточная надежность эксплуатации локомотивов по состоянию тяговых электродвигателей, в частности, из-за разрушения якорных подшипников, а методики проведения диагностики не в полной мере учитывают взаимовлияние источников собственной корпусной вибрации ТЭД на точность измерения и достоверность его интерпретации.

Одним из информативных источников может служить магнитная вибрация ТЭД, основная частота которой пропорциональна числу зубцов и частоте вращения якоря

Л=г-пер1б0. (1)

Источником магнитной вибрации является переменное электромагнитное поле, обусловленное зубчатым строением воздушного зазора. На уровень магнитной вибрации могут оказывать влияние различные электрические и неэлектрические факторы. Вопросами расчета магнитной вибрации и шума электрических машин долгое время занимались многие отечественные ученые, среди которых наиболее значительные работы принадлежат Н.В. Астахову, Л.А. Владиславлеву, Ф.М. Детинко, Н.П. Ермолину, Н.М. Кудинову, Э.Р. Кучеру, Н.И. Муркесу, И.Д. Урусову, И.Г. Шубову и другим. Наиболее изученными в этом плане были и остаются асинхронные электродвигатели, конструкция которых позволяет использовать сравнительно простую модель колебаний, основанную на теории тонкостенного кольца. Менее отработана методика расчета магнитной вибрации машин постоянного тока малой и средней мощности, в то время как по магнитной вибрации тяговых электродвигателей известных работ практически нет.

Вторая глава посвящена вопросам, расчета магнитной вибрации на корпусе ТЭД и анализу свойств колебательной системы «главный полюс - полюсный болт». В основу расчета переменных электромагнитных сил положено уравнения Максвелла.

Закон распределения магнитной индукции В^ (х) вдоль

расточки главного полюса ТЭД находится из разложения ступенчатой кривой магнитной индукции в простой тригонометрический ряд.

Влияние нагрузки и насыщения на переменные электромагнитные силы оценивается с использованием переходной магнитной характеристики. Для учета компенсационной обмотки использован критерий степени компенсации. Учет двусторонней зубчатости воздушного зазора при расчете вибровозмущающих сил

основан на введении коэффициента , связанного с

коэффициентом воздушного зазора (Картера).

В результате получена формула для расчета равнодействующей переменной электромагнитной силы

т г„

/

1+

I

1 +

А-х

1 о в у

.ЗгЛ 2

1

Ах

О А у

» |

■]Г—эт

кЬт

Хт™

к=\к

кЬ.

51п(АХ + уг)ск

$\т\(кх + у/)с1х+

¿у.

(3)

Здесь А - линейная нагрузка; В2 И Вп- индукция в зубце и пазу соответственно; Р0А И Ров - коэффициенты, учитывающие

насыщение магнитной цепи; Ь2 - расчетная ширина зубца; Iр и Ьр

- длина и ширина полюсного наконечника; - зубцовое деление якоря; ц/ - угол, учитывающий вращение якоря.

При вращении якоря мо1уг изменяться величина,

направление действия и точка приложения равнодействующей силы Q. Изменение силы и точки приложения происходит периодически с частотой изменения магнитной проводимости воздушного зазора. Эта частота пропорциональна частоте вращения якоря, когда причиной возникновения силы служит динамический эксцентриситет, и зубцовой частоте, когда причиной является зубчатое строение воздушного зазора.

По формуле (3) определены суммарные радиальная Qr=Q' COS Ct и тангенциальная Qz = Q • sin ОС составляющие

переменной силы (рис. 1), а также момент относительно оси Оу.

На холостом ходу переменные электромагнитные силы и моменты при повороте якоря на одно зубцовое деление изменяются по гармоническому закону. С ростом тока нагрузки эта зависимость приобретает практически линейный характер. Радиальные и тангенциальные силы при холостом ходе сдвинуты во времени на угол Till, поскольку максимум или минимум значения радиальной

Рис. 1. Равнодействующая переменной электромагнитной силы и ее составляющие.

силы (равнодействующая приложена к середине полюса и направлена радиально окружности якоря) в момент прохождения зубцов якоря под полюсным наконечником соответствует нулевому значению тангенциальной составляющей.

Рассчитаны уровни максимальных переменных сил и

моментов, действующих в воздушном зазоре тягового электродвигателя при работе в реальных условиях на локомотиве. Для расчета использована электромагнитная характеристика ТЭД типа НБ-418К6. Второй путь расчета заключается в использовании электротяговой характеристики локомотива в диапазоне рабочих токов нагрузки. Режимы трогания локомотива, восстановления напряжения на зажимах ТЭД при прохождении нейтральных вставок наиболее опасны, поскольку протекание по обмоткам больших токов приводит к резкому росту вибраций электромагнитного происхождения.

Для анализа свойств станины ТЭД как колебательной системы использована теория тонкостенного кольца с учетом влияния масс дополнительных и главных полюсов. На главный полюс одновременно действуют несколько переменных сил и моментов, которые заставляют его совершать сложное перемещение. Удобно определять перемещения от каждого усилия отдельно, поскольку одинаковые усилия, но действующие по различным осям полюса вызывают различные перемещения в силу различий в жесткости корпуса по осям и неравенстве моментов инерции поворота масс полюса. Вибрация корпуса ТЭД вызывается совместным перемещением всех полюсов машины.

Отсутствие у тяговых электродвигателей скоса пазов упрощает картину возникающих деформаций расточки станины, поскольку основными типами движения полюса под действием вибровозмущающих сил являются радиальное перемещение и качание относительно линии закрепления. В картине деформаций отсутствуют изгибные колебания станины, т.е. вращающие моменты относительно осей Ох и Ог.

Под действием радиальных переменных электромагнитных сил расточка станины шестиполюсных тяговых электродвигателей в зависимости от соотношения X / 2р совершает колебания первого или третьего порядка (рис. 2). Наиболее неблагоприятным является первый порядок, поскольку с увеличением порядка амплитуда колебаний быстро снижается. Действие тангенциальных сил приводит к возникновению деформации третьего или пятого порядка. Порядок деформации, образующийся при совместном действии вынуждающих сил, в общем случае равен большему из исходных.

Амплитуда колебаний любой механической системы, на которую действует переменная вынуждающая сила, зависит не только от величины силы и значений жесткости элементов системы, но также от того, как соотносятся частоты вынуждающей силы и собственные частоты колебаний системы. При совпадении этих частот амплитуда колебаний теоретически увеличивается до бесконечности. На практике отмечается увеличение амплитуды в

Яг,

йт1

Рис. 2. Деформация станины ТЭД первого (а) и третьего (б) порядков под действием радиальных электромагнитных сил.

пять-шесть раз, что учитывается коэффициентом динамичности. Затухание колебаний в конструктивных элементах ТЭД определяется внутренним трением в металле. Коэффициент динамичности с учетом внутреннего трения в металле приближенно равен

1

, (4)

кд -

1-

ЧЛ

+

2 У

20л

V ®С у

где С0е - угловая частота вынужденных колебаний; С0с - угловая

частота собственных колебаний станины ТЭД.

Величина виброускорения на корпусе ТЭД пропорциональна квадрату угловой частоты и суммарному виброперемещению

сечений станины Лс с учетом относительных фазовых сдвигов между отдельными перемещениями

¿ = (5)

«о

где а0 = 3-Ю"4 м/с2 - условный нулевой уровень

виброускорения.

При анализе колебаний полюсов под действием переменных электромагнитных сил, действующих с зубцовой частотой, рассмотрено поведение полюса под действием тангенциальной переменной силы. В данном режиме полюсные болты работают на изгиб, что является неблагоприятным режимом при действии значительных электромагнитных и механических нагрузок в отношении прочности материала болтов. Действие переменной тангенциальной силы создает дополнительные условия для ослабления крепления полюсов.

Система «главный полюс - полюсный болт» в общем случае представляет собой защемленную балку, несущую на свободном конце массу, под действием переменной тангенциальной силы совершающую одновременно поступательное и вращательное движения. Решение задачи с помощью теоремы Бетти (рис. 3) приводит к следующим выражениям для определения собственных частот колебаний системы СОс

4 4ЕЗп. / 2 \ 2 \2iEJn.y ■ Л К--г-*-(31, + 1\м\(0 + 4 4 б- = 0, (6)

прогиба

л--^-Уф) <7'

и угла поворота касательной

где О = М//>4 - 4ЕЛб ^ + М/6 )со2 +12Е232.

В выражениях (6...8) обозначены: КЗ - жесткость болта; п6-количество полюсных болтов; /г- момент инерции полюса при повороте относительно линии закрепления; Мр - масса полюса; 1б -

длина вылета болта, £?т(1)" амплитуда первой гармоники тангенциальной силы.

Рис. 3. Модель колебаний главного полюса (а) и схема деформаций от единичной силы (б) и единичного момента (в).

В третьей главе приведено описание экспериментального исследования магнитной составляющей собственной корпусной вибрации ТЭД в зависимости от технического состояния его элементов и узлов, описывается экспериментальная установка и виброизмерительная аппаратура.

Общий уровень собственной корпусной вибрации тягового электродвигателя складывается из трех основных составляющих: механической, аэродинамической и электромагнитной:

^общ = ^мех +^аэр + ^маги' (10)

откуда магнитная вибрация может быть найдена как

^ маги = ^общ ~ мех + ^аэр ) • ^ 1)

Сумма в скобках уравнения (11) представляет собой вибрацию на корпусе отключенного от электрической сети ТЭД, якорь которого вращается от внешнего приводного устройства. Дня осуществления

данного режима разработан специальный привод, конструктивно выполненный в виде электродвигателя, жестко связанного с подшипниковым щитом и якорем ТЭД. Схема установки внешнего привода на тяговый электродвигатель представлена на рис. 4. Установлена зависимость общего уровня СКВ в различных точках на корпусе тягового электродвигателя от радиального зазора в подшипниках якоря. Разброс значений общего уровня вибрации при

1

Рис. 4. Расположение внешнего привода на тяговом электродвигателе типа НБ-418К6.1 -монтажная плита; 2 -промежуточный щит; 3 - станина привода; 4—узел крепления якоря привода к якорю ТЭД.

работе ТЭД в установившемся режиме, измеренных в трех плоскостях, составляет 3-4 дБ. В любом режиме работы двигателя наиболее интенсивно шумящим узлом является коллекторно-щеточный аппарат, уровень виброускорений которого превосходит уровни в других точках в 3-4 раза. Для остальных точек корпуса разность уровней виброускорений обычно не превышает 3 - 6 дБ

при работе от сети, и 3 - 5 дБ при вращении якоря от внешнего привода. Меньшие значения относятся к меньшей величине зазоров в подшипниках.

Спектральный анализ вибрационных сигналов с различных точек корпуса тягового двигателя позволяет утверждать, что изменение направления вращения якоря практически не сказывается на общей картине спектра и уровнях его гармонических составляющих, и данные, полученные в этих режимах практически равноценны.

Спектральный состав вибраций в различных точках на корпусе ТЭД неоднороден, отличаясь для точек, расположенных на разных подшипниковых щитах, и лежащих в пересекающихся плоскостях. При работе двигателя от сети в установившемся режиме спектры вибрации при нормальном зазоре в подшипниках (0,2 мм) характеризуются незначительным отклонением уровня гармоник от среднего значения, что можно объяснить наложением колебаний от всех источников вибрации машины, образующих относительно однородное поле, распределенное по узлам конструкции тягового двигателя. При вращении якоря от внешнего привода источники вибрации (подшипники) разделены станиной и подшипниковыми щитами, что обусловливает неодинаковое затухание колебаний и неоднородность в форме колебаний отдельных узлов машины. При установке подшипников с предельным значением радиального зазора в обоих режимах отмечается большая неоднородность спектров вибраций в контрольных точках на поверхности машины, хотя форма огибающей спектров мощности для близко расположенных точек (одной плоскости) практически неизменна.

Однотретьоктавный анализ является достаточно надежным средством при выделении магнитной составляющей вибрации зубцовой частоты, составляющей в данных условиях величину порядка сотен герц. Сравнение спектров вибрации ТЭД, работающего от сети и вращаемого от внешнего привода, позволяет выделить частотные диапазоны, на которых происходит значительное повышение энергии колебаний при протекании тока по обмоткам ТЭД. Уровень вибраций на зубцовой частоте практически всегда совпадает с уровнем высокочастотных колебаний, создающихся коллекторно-щеточным аппаратом, или превосходит его. Изменение радиального зазора в подшипниках приводит к росту уровня СКВ на подшипниковых щитах. Растет

доля магнитной составляющей, что обнаруживается сравнением амплитудно-частотных спектров вибрации в области зубцовой частоты, особенно в контрольных точках на головках полюсных болтов, т.е. в области источника магнитной вибрации.

При номинальной частоте вращения якоря зависимость уровня СКВ от зазора в подшипниках носит явно выраженный характер, в большей степени проявляющийся при вращении якоря ТЭД от внешнего привода (рис. 5), При частотах, равных 2/3, 1/2 от номинальной и ниже, разброс значений общего уровня СКВ при различных зазорах не позволяет вывести линейной зависимости с достаточной точностью. Для определения технического состояния

Рис. 5. Спектры мощности вибрации при изменении радиального зазора в подшипниках якоря (якорь вращается от внешнего привода, 890 об/мин, контрольная точка № 14).

подшипников якоря предложено использовать результаты измерений, проведенных на номинальной частоте вращения. Экспериментально определены наиболее информативные контрольные точки, позволяющие наиболее точно оценивать влияние радиального зазора в подшипниках якоря на параметры магнитной вибрации тягового электродвигателя.

Ослабление крепления полюсов равносильно появлению дополнительной степени свободы при колебаниях главного полюса

и снижению общей жесткости системы. При частотах вращения якоря до 250...300 об/мин это проявляется в резком увеличении амплитуды вынужденных колебаний на зубцовой частоте. Различие между амплитудами зубцовой частоты при изменении момента затяжки полюсных болтов в пределах 0,035...0,2 кН составляет

я£

Ширина спектра: 800

_ 90

Гц

Разрешение: 1600 линий 70

Вибропреобразователь: АР-53

а)

Ш Гц

Рис. 6. Изменение спектров мощности вибрации при изменении момента затяжки полюсных болтов от Мз = 0,035 кН-м (а) до Мз = 0,2 кН-м (б).

10... 11 дБ (рис. 6). На полюсах с номинальными параметрами затяжки рост зубцовой частоты не наблюдается, что объясняется

быстрым затуханием высокочастотных колебаний вблизи источника. С увеличением частоты вращения якоря различие амплитуд колебаний зубцовой частоты незначительно и нелинейно связано с моментом затяжки полюсного болта. По значительному отличию уровней зубцовой частоты в определенном диапазоне частот вращения якоря удается диагностировать ослабление крепления главного полюса.

Четвертая глава посвящена методике обработки экспериментальных данных и получения норм на вибрацию ТЭД при изменении технического состояния элементов и узлов. Как показали результаты экспериментальных данных исследований, вибрационные характеристики ТЭД имеют сложную пространственно-временную структуру. Общие уровни СКВ, измеренные в различных точках на корпусе, имеют разные уровни с определенным разбросом, обусловленным различной удаленностью от источников вибрации, а разброс общих уровней в одинаковых точках ТЭД одного типа объясняется случайными технологическими отклонениями при ремонте и сборке. Кроме того, по мере износа деталей ТЭД НБ-418К6 (якорных подшипников, подшипниковых щитов и т.д.) и увеличения воздушных зазоров происходит непрерывное увеличение уровней СКВ. Составляющую монотонного изменения уровня СКВ можно определить построением уровня линейной регрессии. Таким образом, можно сделать вывод о том, что общие уровни СКВ тягового двигателя зависят от технического состояния подшипников качения, от величины небаланса якоря, от натяга при установке подшипниковых щитов в горловинах остова, от количества и качества смазки и, как следствие, повышения динамических сил в коллекторно-щеточном аппарате и росте электромагнитных сил. Результаты также показали, что уровни СКВ не повторяются и при неизменном техническом состоянии двигателя, что связано с колебаниями его режима работы. Причиной этого является непостоянство величины питающего напряжения, что ведет к изменению частоты вращения якоря. 'Колебания питающего напряжения вызывают фпуктуационные колебания амплитуды и частоты СКВ на основных теоретических частотах, в результате чего появляются дополнительные пульсирующие моменты в тяговом двигателе, что, как правило, приводит к приращению, или уменьшению параметров СКВ на

соответствующих'частотах. Наконец, на результаты диагностики могут повлиять метрологические ошибки, связанные с измерением уровня СКВ различной аппаратурой и разными операторами, отличием в способе установки вибродат,чиков на объект и отклонениями в классе чистоты контактных поверхностей, количеством смазки и электромагнитными помехами. Неизбежные метрологические погрешности повышают нестабильность результатов измерения параметров СКВ тягового двигателя, а единичные измерения не дают достаточно информации для постановки диагноза. Для того, чтобы исключить флуктуации в измерении общего уровня СКВ, необходимо проводить несколько измерений и усреднять их значение. При этом число последовательных измерений, необходимых для вычисления усредненного значения уровня СКВ, которое характеризует техническое состояние элементов тягового двигателя, буде; определяться величиной результатов единичных измерений при диагностике по выражению

'«Р))1

П>

■а2.

V £* )

где £ * - точность оценки измерения; О - среднеквадратичное отклонение; t(P) - коэффициент Стьюдента; Р - заданная надежность.

При виброакустической диагностике тягового двигателя для определенной контрольной точки, ось установки вибропреобразователя в которой совпадает с осевой линией

машины, при <ТД = 3,2 дБ, £* = 3 % и Р = 0,95 число измерений

составляет п = 4-ИО. На практике достаточным бывает проведение 5 измерений.

При виброакустической диагностике технического состояние подшипников тягового двигателя производится эксперимент пс исследованию зависимости физической величины I - уровш виброускорений на корпусе от 5 - радиального зазора е подшипниках. Априорно известно, что Ь и 8 связаны зависимость« вида

1 = <р(3,с ,ск),

где (р - известная функция, а С, ,С2,...,Ск- неизвестные параметры.

Наиболее простым видом функциональной зависимости является линейная

1 = с,<5Чс2. (13)

Если координаты 32, ... ,8п известны с пренебрежимо малыми погрешностями, а погрешности измерений ординат Ь{,Ь2,...,Ьп распределены по нормальному закону с нулевым

математическим ожиданием и одним и тем же среднеквадратическим отклонением, то наиболее вероятные значения С, ,С2Ск можно найти по методу наименьших квадратов из системы уравнений

/я ^ О ф

/=1

¿[А-^.СрСз,...,<*)]

/=1 -

эу

кдс2),

= 0;

= 0;

с ъ \

О (р

= 0,

(14)

где

/я N О (р

значение частной производной функции <р по

параметру Ск в точке д1.

С использованием (14) рассчитаны линейные зависимости Ь (8, ) для всех контрольных точек в трех плоскостях на корпус :

тягового электродвигателя. Определены наиболее информативш режимы работы ТЭД и места установки датчиков, диапазон

Таблица 1

Нормы на общий уровень собственной корпусной вибрации ТЭД типа НБ-418К6 при работе от сети

№ к.т. Общий уровень собственной корпусной вибрации, м/с"1 (дБ)

5, = 0,15 мм б; = 0,2 мм 8/ = 0,25 мм 5, = 0,3 мм

3 3,43 (81,2) 4,33 (83,2) 5,22 (84,8) 6,12(86,2)

7 4,21 (82,9) 4,90 (84,3) 5,58 (85,4) 6,27 (86,4)

7 2,59 (78,7) 3,40(81,1) 4,20 (82,9) 5,01 (84,4)

8 2,91 (79,7) 3,96 (82,4) 5,01 (84,5) 6,07(86,1)

11 1,45 (73,7) 3,70 (81,8) 5,94 (85,9) 8,18(88,7)

12 2,05 (76,7) 2,61(78,8) 3,17(80,5) 3,73 (81,9)

14 1,26(72,5) 1,45 (73,7) 1,65 (74,8) 1,85 (75,8)

15 1,77(75,4) 2,01 (76,5) 2,25 (77,5) 2,49(78,4)

17 9,99 (90,5) 13,29 (92,9) 16,59(94,9) 19,88 (96,4)

18 0,59 (65,9) 1,41 (73,4) 2,22 (77,4) 3,03 (80,1)

Таблица 2 Нормы на общий уровень собственной корпусной вибрации ТЭД типа НБ-418К6 при вращении якоря от внешнего привода

№ к.т. Общий уровень собственной корпусной вибрации, м/с7 (дБ)

8] = 0,15 мм 8¡ = 0,2 мм S¡ = 0,25 мм 8) = 0,3 мм

3 4,78 (84,0) 4,95 (84,3) 5,12(84,6) 5,28 (84,2)

7' 0,31 (60,3) 1,38 (73,2) 2,44 (78,2) 3,51 (81,4)

8 2,55 (78,6) 3,20 (80,6) 3,85 (82,2) 4,49 (83,5)

12 2,29 (77,6) 3,10(80,3) 3,91 (82,3) 4,72 (83,90

14 1,58(74,4) 1,89 (76,0) 2,20 (77,3) 2,51 (78,4)

17 0,11(51,3) 6,58 (86,8) 14,05 (93,4) 21,52 (97,1)

18 0,24 (57,9) 0.28 (59.41 п "зо ссл ¿л

изменения измеряемых параметров вибрации в которых наибольший. Разработаны нормы на общий уровень собственной корпусной вибрации в контрольных точках на корпусе ТЭД для случаев работы от сети и вращения якоря от внешнего привода (табл. 1 и 2).

В пятой главе по типовой методике проведен расчет технико-экономической эффективности от использования виброакустической диагностики при проведении испытаний тяговых электродвигателей после заводского ремонта. Годовой экономический эффект от снижения числа отказов ТЭД по причине выхода из строя подшипников якоря в период первых месяцев эксплуатации может составить более 60 тыс. руб.

Выводы

1. Получены формулы для расчета величины переменных электромагнитных сил и моментов, действующих на главный полюс ТЭД при нагрузке и холостом ходе;

2. Получены зависимости изменения уровня переменных электромагнитных сил и моментов от частоты вращения якоря ТЭД (скорости электровоза) для диапазона рабочих токов;

3. Для определения уровня магнитной вибрации на корпусе ТЭД предложена методика расчета перемещений сечений станины в отдельный момент времени;

4. Произведен теоретический анализ колебательных свойств системы «главный полюс - полюсный болт» и выведены формулы, позволяющие определять частоты собственных колебаний системы, а также оценивать деформацию полюсных болтов под действием тангенциальной составляющей переменной электромагнитной силы;

5. Спроектирован и изготовлен специальный привод для оценки уровня магнитной составляющей в общем уровне СКВ ТЭД;

6. На основании полученных зависимостей между общим уровнем СКВ и радиальным зазором в- подшипниках якоря для случаев работы ТЭД от электросети и принудительного вращения якоря ТЭД при помощи специального привода предлагается оценивать техническое состояние подшипников;

7. Экспериментально исследована связь между амплитудой колебаний зубцовой частоты в спектре вибрации ТЭД и

моментом затяжки полюсных болтов;

8. Предложены нормы на величину общего уровня СКВ тягового электродвигателя в зависимости от радиального зазора в подшипниках якоря;

9. По изменению амплитуды колебаний зубцовой частоты в спектре вибрации ТЭД предлагается диагностировать ослабление крепления главных полюсов;

10. Обоснована экономическая эффективность использования результатов исследования на примере капитального ремонта тяговых электродвигателей типа НБ-418К6 на Ростовском электровозоремонтном заводе.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Гиоев З.Г., Роде JI.O., Верховых H.A., Попов В.И., Курочка

A.A., Жуков В.Н., Минаенко А.И. Виброакустическая диагностика тягового привода локомотива// Электровозостроение: сб. науч. тр. Т.39. - Новочеркасск: ВЭлНИИ, 1999.

2. Гиоев З.Г., Роде Л.О., Верховых А.Н., Захаров А.П., Жуков

B.Н., Путинцев C.B., Приходько В.М., Минаенко А.И. О некоторых задачах статики и динамики ротора в неидеальных подшипниках// Материалы отраслевой научн. - практ. конф. /Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1998.

3. Гиоев З.Г., Роде Л.О., Верховых А.Н., Захаров А.П., Жуков В.Н., Поздняков Н.М., Минаенко А.И. О состоянии вопроса в области магнитного шума и корпусной вибрации тяговых электрических машин постоянного тока// Материалы науч. конф./ Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1998.

4. Минаенко А.И. О некоторых задачах виброакустической диагностики тяговых агрегатов локомотивов// Материалы науч. конф./ Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1998.

5. Минаенко А.И. Магнитодиэлектрические клинья для снижения магнитной вибрации тяговых двигателей локомотивов// Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 2000 г. №6, б/о, с.51.

6. Гиоев З.Г., Минаенко А.И. К определению собственных частот колебаний полюса машины постоянного тока// Электровозостроение: сб. науч. тр. Т.41. - Новочеркасск: ВЭлНИИ, 2000.

7. Гиоев З.Г., Жуков В.Н., Минаенко А.И., Роде Л.О., Захаров А.П., Верховых А.Н., Белоущенко П.Л. Опыт виброакустической диагностики тяговых приводов локомотивов//Юбил. междунар. межвуз. сб. науч. тр.; Рост, гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1999.

8. Гиоев З.Г., Жуков В.Н., Минаенко А.И., Роде Л.О., Захаров А.П., Верховых А.Н., Белоущенко П.Л. Методы и средства диагностирования технического состояния тяговой передачи локомотива// Юбил. междунар. межвуз. сб. науч. тр.; Рост. гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 1999.

1. Акт проведения натурных исследований магнитной вибрации тягового электродвигателя типа НБ-418К6 на вибростенде с использованием специального привода// СЮКД, Ростовский электровозоремонтный завод;

2. Внедрение привода для виброакустической диагностики подшипников якоря тягового электродвигателя типа НБ-418Кб// Ростовский электровозоремонтный завод;

3. Грант-99 МПС РФ. // Постановление коллегии МПС РФ. 1999 г.

Акты испытаний, внедрения, гранты

ВВЕДЕНИЕ.

1. ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И МАГНИТНАЯ ВИБРАЦИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

1.1. Методы и средства виброакустической диагностики ТЭД в современных условиях.

1.2. Состояние вопроса в области магнитной вибрации ТЭД.

1.3. Выводы.

2. МАГНИТНЫЙ ШУМ И ВИБРАЦИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

2.1. Магнитное поле в воздушном зазоре.;.

2.2. Влияние нагрузки и насыщения на электромагнитные силы.

2.3. Магнитная проводимость воздушного зазора.

2.4. Переменные электромагнитные силы и моменты.

2.4.1. Радиальная сила.

2.4.2. Тангенциальная сила.

2.4.3. Переменные электромагнитные моменты.

2.5. Виды пространственной деформации станины ТЭД под действием электромагнитных нагрузок.

2.5.1. Виды пространственных деформаций под действием радиальных электромагнитных сил.

2.5.2. Виды пространственных деформаций под действием тангенциальных электромагнитных сил.

2.6. Перемещение сечений станины под действием переменных сил и моментов.

2.7. Собственные частоты колебаний станины ТЭД.

2.8. Коэффициенты динамичности.

2.9. Электромагнитные вибрации.

2.10. Прочность и колебания болтов крепления главных полюсов

2.10.1. Условия работы полюсных болтов.

2.10.2. Собственные частоты колебаний полюса.

2.10.3. Деформация болта главного полюса.

2.11. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОЙ ВИБРАЦИИ ТЭД В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ.

3.1. Исследование вибрации ТЭД в зависимости от радиального зазора якорных подшипников.

3.1.1 Описание эксперимента.

3.1.2. Описание экспериментальной установки.

3.1.3. Анализ результатов эксперимента.

3.2. Исследование магнитной вибрации ТЭД в зависимости от величины затяжки болтов крепления главных полюсов.

3.3. Выводы.

4. МЕТОДИКА ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО МАГНИТНОЙ ВИБРАЦИИ.

4.1. Основные положения.

4.2. Методика обработки экспериментальных данных.

4.3. Установление норм на уровни СКВ в контрольных точках

ТЭД НБ-418к6.

4.4. Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ВИБРО АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ.

Настоящая работа посвящена исследованию магнитной вибрации компенсированных тяговых электрических двигателей (ТЭД) локомотивов в целях виброакустической диагностики их технического состояния.

Виброакустическая диагностика технического состояния элементов и узлов тяговых двигателей в условиях эксплуатации и при диагностике качества изготовления или ремонта в заводских условиях занимает одно из приоритетных мест в ряду задач повышения надежности и безопасности электроподвижного состава. Внедрение виброакустических систем диагностики технического состояния механической части локомотивов с использованием методов и средств спектрального анализа в последние годы стало одной из важнейших задач совершенствования эксплуатационных показателей подвижного состава на пути перехода к ТО и ТР локомотивов по их фактическому состоянию, при сохранении общей планово-предупредительной системы ремонта.

Виброакустическая диагностика как наука является самостоятельным направлением технической диагностики, которая возникла на стыке акустической динамики машин с теорией сигналов и теории распознавания образов |26|. Предметом изучения в виброакустической диагностике являются закономерности изменения процессов образования колебаний в узлах объекта диагностирования при появлении неисправностей. Основной задачей виброакустической диагностики является разработка метода определения параметров технического состояния объекта по косвенным признакам, а также принципов построения и организации использования средств виброакустического диагностирования. Требования обеспечения комплексной безразборной оценки технического состояния локомотивов выдвигают на передний план именно методы виброакустической диагностики, как наиболее чувствительные к различным отклонениям параметров текущего технического состояния от нормального. Параметры собственной корпусной вибрации (СКВ) тягового электродвигателя отражают техническое состояние практически всех ее элементов. Так, с учетом неоднозначного соответствия между состояниями и диагностическими сигналами, в изменении параметров тока электрической машины отражается приблизительно 16 % всех дефектов, температуры перегрева - 20 %, вибрации - 80 % | 4 |. Таким образом, параметры вибрации являются основными при технической диагностике тяговых электродвигателей. Эффективность метода виброакустической диагностики обусловлена не только органической связью используемой измерительной информации, содержащейся в виброакустических сигналах, с динамическими процессами возбуждения и распространения колебаний в конструктивных элементах машин и механизмов, но и возможностью автоматизации процессов съема и обработки многомерной высокочастотной измерительной информации с помощью современной микропроцессорной техники и организации процедур диагностирования на основе использования математического аппарата теории распознавания образов. Ориентация на методы виброакустической диагностики, предполагающие безразборность, оперативность и универсальность, позволяет успешно решать поставленные задачи благодаря огромной информационной емкости виброакустических сигналов, сопровождающих функционирование машин и механизмов. Методы виброакустической диагностики позволяют не только выявить уже развившуюся неисправность и предотвратить катастрофические разрушения, но и обнаружить дефект на самой ранней стадии развития, что дает возможность прогнозировать аварийную ситуацию, и обоснованно принимать надлежащие меры по предотвращению развития дефекта, планируя сроки и объемы ремонта объекта диагностики | 9 |.

Вопросы прогнозирования технического состояния ТЭД на всех этапах его жизненного цикла имеют очень большое значение при интенсивной эксплуатации локомотивов. Как показывает практика, проведение диагностических исследований необходимо начинать со стадии проектирования и изготовления двигателя, а заканчивать только в период изъятия его из эксплуатации, или в момент постановки на капитальный ремонт. Методы и средства диагностики, используемые на этих стадиях, в значительной мере отличаются между собой вследствие различия видов дефектов и генерируемых ими сигналов, а также условий и конечных целей диагностирования.

Применение виброакустической диагностики на подвижном составе дает наиболее эффективные результаты в следующих областях:

1. Заводская диагностика качества изготовления готовой продукции и ее аттестация;

2. Диагностика качества отремонтированных агрегатов привода в депо и на заводах;

3. Определение потребности в техническом ремонте и обслуживании агрегатов тягового привода, находящихся в эксплуатации.

Длительные простои локомотивов в ремонте из-за неисправностей, а также преждевременная постановка на ремонт с полной разборкой узлов механической части является причиной повышения расхода средств на проведение технического обслуживания и ремонтных работ. Применение методов виброакустической диагностики в целях обеспечения бездемонтажного контроля технического состояния элементов и узлов ТЭД способствует упрощению технологии ремонта, дает экономию рабочего времени при проведении ТР и ТО в рамках планово-предупредительной системы ремонта за счет устранения работ, связанных с визуальным контролем технического состояния. В условиях ремонтного предприятия применение методов виброакустической диагностики позволяет достоверно оценить степень износа узлов механизма, вид и место появления дефекта, целесообразность и объем ремонтных работ, остаточный ресурс отдельных « узлов и всего агрегата в целом, а также проверить качество ремонтных работ.

Применяющееся в настоящее время планово-предупредительное обслуживание локомотива заключается в том, что независимо от текущего технического состояния через заранее определенный интервал проводится полная или частичная разборка оборудования с целью технического обслуживания (ТО-1, ТО-2, ТО-3, ТО-4), технического ремонта (ТР-1, ТР-2, ТР-3) или капитального ремонта (КР-1, КР-2). Данные процедуры значительно снижают вероятность внезапного отказа, но не гарантируют отсутствие неожиданных повреждений в межремонтный период. Опыт эксплуатации показывает, что, во-первых, случайные поломки в период безопасного интервала времени между планово-предупредительными работами все же происходят, а во-вторых, зачастую время безаварийной эксплуатации агрегата без разборок превышает период времени между техническими ремонтами. Экономически более выгодно проведение предупредительных работ не через регулярные, заранее запланированные интервалы наработки, а по мере необходимости, в соответствии с техническим состоянием. Переход на техническое обслуживание по фактическому состоянию позволяет отказаться от проведения ненужных переборок, устранить необоснованные простои оборудования, сократить сроки и объемы работ, получить экономию запчастей и расходных материалов, повысить точность технологического цикла и качество выпускаемого двигателя. Использование методов виброакустической диагностики в эксплуатационный период жизни тягового электродвигателя способствует обеспечению эксплуатации локомотивного парка не по заранее назначенному ресурсу, а по фактическому техническому состоянию. Замена последовательных операций параллельным съемом диагностической информации способствует сокращению затрат времени на конструкторскую доработку агрегатов. В силу сказанного, применение методов виброакустической диагностики технического состояния деталей и узлов локомотивов эффективно даже в рамках существующей плановопредупредительной системы ремонта, что подтверждается высоким экономическим эффектом от использования методов виброакустической диагностики, полученным на ряде ремонтных заводов и депо МПС РФ. Например, в депо Белово Кемеровской железной дороги экономический эффект от внедрения методики и средств виброакустической диагностики ТЭД типа ТЛ-2К составил в 1995-1997 гг. 651 млн. рублей (в ценах до 1998 г.) | 28 а ожидаемый экономический эффект от внедрения комплексного виброакустического способа автоматизированного диагностирования узлов механической части локомотивов на ст. Тайга Западно-Сибирской железной дороги составляет цифру порядка 500 тыс. рублей (в ценах 1999 г.) | 86 |.

Следовательно, теоретические и экспериментальные исследования, направленные на изучение источников возникновения вибраций в элементах и узлах ТЭД и разработку методов , бездемонтажной диагностики технического состояния на всех этапах жизненного цикла являются, без сомнения, актуальными и дают большой народно-хозяйственный эффект, поскольку на основе полученных закономерностей изменения параметров собственной корпусной вибрации от технического состояния дают возможность получить вибрационные нормы и построить номограммы.

Эксплуатация ТЭД связана с непрерывными процессами износа подвижных частей и ослабления первоначальных значений натягов и посадок соединяемых деталей, и соответственным изменением величины действующих сил - источников вибрации. Экспериментально установлено, что возникновение и развитие дефектов в любом из указанных элементов изменяет параметры вибрационного сигнала, снимаемого с корпуса машины. Перед исследователем стоит задача выявить закономерности изменения выходного сигнала в зависимости от изменения структурных, внутренних параметров диагностируемого объекта, и при этом связать характерные компоненты выходного сигнала с конкретным возбуждающим параметром. Тем не менее, при диагностике дефектов, появляющихся в процессе эксплуатации тягового двигателя, и дефектов изготовления и монтажа есть существенные методологические отличия. Зарождающиеся эксплуатационные дефекты обладают крайне незначительной колебательной мощностью, диагностировать их удается лишь при обращении к высокочастотным акустическим колебаниям в резонансных зонах механической системы в диапазоне частот от 1 до 20 кГц, или в зарезонансной области от 20 до 500 кГц на собственной частоте жестко установленного вибропреобразователя | 26 |. В диагностике зарождающихся дефектов предпочтение отдается методам анализа нестационарной компоненты колебательного процесса, а также методам, базирующимся на учете нелинейных свойств колебательной системы. Это направление требует разработки сложных многофакторных моделей диагностируемого объекта с учетом взаимного влияния узлов друг на друга и на диагностическую картину системы в целом, применения сложного математического аппарата и быстродействующей микропроцессорной техники, способной реализовать сложные алгоритмы диагностики. Поиск информативных диагностических признаков развития неисправностей относится здесь к наиболее трудно формализуемой операции. Несмотря на очевидные достижения в развитии теории и практики распознавания образов, проблема оптимизации распознающих диагностических систем не рассмотрена и не решена, за исключением частного случая распознавания двух нормально распределенных классов с общей известной ковариационной матрицей | 84 |.

Диагностика дефектов производства и ремонта отличается значительно более простыми методологическими и техническими средствами, поскольку может быть проведена на основании анализа характеристик колебаний на вынужденных частотах, например, частотах вращения ротора, тел качения в подшипниках, пульсации магнитного поля в воздушном зазоре и т.д. Исследуемый частотный диапазон обычно находится в пределах от 0 до 1^2 кГц, т.е. условно может быть отнесен к низко- и среднечастотной областям.

Динамическая модель тягового двигателя в области низкочастотных колебаний может быть представлена как комбинация сосредоточенных масс с упругими безынерционными связями и детерминированными возбуждающими воздействиями, исследование которой может вестись методами прикладной теории колебаний. Наиболее вероятными причинами низкочастотных колебаний являются неуравновешенность вращающихся масс, нарушение геометрии узлов, периодические силы, создаваемые в рабочем процессе | 79, 80 |.

Параметры магнитной вибрации ТЭД пульсирующего тока находятся в прямой зависимости от состояния ряда конструктивных элементов тягового двигателя, прежде всего участков на пути основного магнитного потока, таких, как главные полюса, воздушные зазоры и зубцовый слой якоря. Производственные отклонения, допуски на геометрические параметры, разброс значений посадок и зазоров в сопряжениях данных элементов магнитной цепи, магнитная и электрическая несимметрия, нестабильность питающего напряжения и климатических условий и т.д. оказывают влияние на величину действующих электромагнитных сил, и, следовательно, на магнитную составляющую собственной корпусной вибрации тягового двигателя. В картине вибрации ТЭД одной серии, имеющих одинаковое техническое состояние (например, вышедших из ремонта) неизбежно будут иметься различия, обусловленные в том числе и магнитной вибрацией. Повышение точности диагноза напрямую зависит от того, насколько характеристики каждого двигателя будут близки к усредненным характеристикам серии. Поэтому устранение влияния магнитной составляющей на общий уровень вибрации позволяет снизить разброс параметров вибросигнала и повысить точность диагноза.

Дефекты, возникающие в магнитной системе ТЭД при его изготовлении или ремонте, влияют, прежде всего на электромагнитное поле в воздушном зазоре машины, переменные составляющие которого создают колебательные силы и моменты, которые в свою очередь возбуждают вибрацию якоря, и, через подшипники качения, колебания станины. Обнаруживаются эти дефекты как по переменным составляющим тока в обмотках или магнитного поля, так и по возбуждаемой ими вибрации. Те виды дефектов, которые изменяют переменные составляющие тока в обмотках, возбуждают, прежде всего, пульсирующие моменты. Если дефекты приводят к изменению формы магнитного поля в воздушном зазоре, то могут возникать как радиальные силы, так и пульсирующие моменты. Эти возбуждающие воздействия имеют определенную периодичность, поэтому оптимальным методом исследования возбуждаемой вибрации является ее спектральный анализ.

Цель настоящей работы заключается в установлении норм на уровень магнитной вибрации ТЭД как одного из факторов, влияющих на постановку диагноза о техническом состоянии таких элементов конструкции, как подшипники ¿коря и магнитная система, т.е. исследовании уровня магнитной составляющей в общем уровне СКВ в зависимости от износа подшипников в первом случае, и исследовании параметров собственно магнитной вибрации при ослаблении крепления главных полюсов во втором. Для этого в работе приходится решать следующие задачи:

1. Исследовать магнитное поле в воздушном зазоре для определения закона распределения магнитной индукции переменных электромагнитных полей под наконечником главных полюсов и расчета действующих вибровозмущающих сил;

2. Исследовать пространственные формы деформации станины тягового двигателя под действием переменных радиальных и тангенциальных сил и крутящих моментов;

3. Рассчитывать перемещения сечений станины под действием переменных электромагнитных сил и крутящих моментов для оценки уровня виброускорений на корпусе ТЭД;

13

4. Анализировать свойства колебательной системы «главный полюс -полюсный болт» для определения собственных частот колебаний и резонансных областей;

5. Оценивать величину деформации полюсных болтов ТЭД под действием переменных электромагнитных сил и моментов.

Исследованием вибрации тяговых электрических машин и колесно-моторных блоков много лет занимаются в Ростовском государственном университете путей сообщения (РИИЖТ-РГУПС). Несмотря на достигнутые определенные успехи, ряд вопросов остается еще нерешенным или недостаточно освещенным. С этой точки зрения работа по исследованию магнитной вибрации ТЭД и использованию ее параметров для виброакустической диагностики технического состояния элементов и узлов является необходимым дополнением и продолжением проводящихся в этой области исследований.

4.4. Выводы

1. Виброакустический сигнал тягового двигателя имеет сложную пространственную структуру;

2. Наибольшей информативностью о техническом состоянии элементов и узлов ТЭД обладают параметры виброакустического сигнала, полученного с определенных точек на корпусе машины (контрольных точек), определяемых экспериментальным путем;

138

3. Изменение радиального зазора в подшипниках якоря приводит к изменению величины и равномерности воздушного зазора ТЭД, что влияет на величину переменных электромагнитных сил, действующих в воздушном зазоре машины;

4. Использование описанной в работе экспериментальной установки не позволяет произвести оценку уровня электромагнитных вибраций в общем уровне СКВ из-за ограничения по наиболее низкой возможной частоте вращения, но позволяет более достоверно соотносить параметры СКВ с величиной радиальных зазоров в подшипниках ТЭД.

5. Наиболее информативным при определении состояния крепления главных полюсов ТЭД является диапазон частот вращения якоря от 100 до 300 об/мин.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Ремонт тяговых электродвигателей следует рассматривать как деятельность, связанную с заботой о его техническом состоянии, и осуществлять ее периодически, в зависимости от параметров, определяющих время нахождения ТЭД в эксплуатации. В настоящее время отсутствие исчерпывающего описания технического состояния ТЭД после проведения ремонтных работ в заводских условиях приводит к повышению расходов на внеплановые ремонты, связанные с непредвиденными отказами ТЭД в первые месяцы эксплуатации локомотива. Это свидетельствует о необходимости повышения качества испытаний и контроля основных параметров тяговых электродвигателей при выпуске из заводского или деповского ремонта.

Ремонт ТЭД должен осуществляться по мере необходимости, в зависимости от текущих параметров технического состояния и степени их отличия от номинальных. Этому способствуют:

1. Совершенствование автоматизации трудоемких процессов, а также систем управления ремонтом агрегатов локомотива;

2. Повышение качества ремонта и эксплуатационной надежности агрегатов тягового привода;

3. Повышение профессиональной квалификации инженерно-технических работников и рабочих;

4. Создание методик и пунктов технической диагностики.

Для решения данной проблемы могут использоваться методы виброакустической диагностики. При оценке эффективности виброакустической диагностики необходимо рассчитывать два пункта:

1. Величина экономического эффекта от дополнительного капиталовложения в производство;

2. Затраты, обеспечивающие достижение данного экономического эффекта.

Первостепенное значение имеет такое капиталовложение, которое позволит получить заданный экономический эффект при наименьших капитальных затратах и максимальном снижении себестоимости. Виброакустическая диагностика благодаря возможности прогнозирования и определения текущего технического состояния позволит производить ремонт ТЭД через удлиненные пробеги, что даст возможность повысить коэффициент использования локомотива, снизить число внезапных отказов в начальный период эксплуатации и, следовательно, снизить простои при внеплановых ремонтах. Кроме того, использование виброакустических характеристик ТЭД для диагностики может обеспечивать продление срока службы изоляции, коллекторно-щеточного узла, подшипников, что снижает потребность в запасных частях.

Расчет технико-экономического эффекта от внедрения метода определения технического состояния ТЭД по магнитной вибрации выполнен на основании «Методики определения годового экономического эффекта, получаемого в результате внедрения новой техники» по выражению

Э = [{Сх+ЕнКх)-{С2+ЕнК2)\В, (5-1) где Э - годовой экономический эффект, руб; Ен - коэффициент изменения срока службы нового средства труда по сравнению с базовым; К\ и К2 - сопутствующие капиталовложения потребителя (капиталовложения без учета стоимости рассматриваемых средств труда при использовании нового и базового средств труда в расчете на объем продукции, производимой на новом оборудовании; В - годовой объем производства продукции с использованием новой техники.

С целью определения экономии от снижения числа отказов подшипниковых узлов ТЭД преобразуем выражение (5-1) к виду

Э = С ^ рем Lпер Lтр j

В-АК, (5-2) где Срем - стоимость проведения ремонта ТЭД, руб; Ь - среднегодовая наработка, тыс. км.; Ь - наработка до первой плановой разборки, тыс. км.;

Ь - средний технический ресурс, тыс. км.; В - объем выпуска ТЭД из ремонта; АК - ежегодные затраты на проведение НИР по виброакустической диагностике и стоимость виброакустического комплекса. Экономическая эффективность

I,

Ьтр2

АК= 97 500 руб;

Э = Срем-^-В-АК, (5-3)

1год =300 000/130 000 = 2,31.

LTp2

Общая сумма заработной платы за проведение работ по замене якорных подшипников тягового электродвигателя НБ-418К6 и расценки по данным Ростовского электровозоремонтного завода сведены в табл. 5-1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе выполнено исследование магнитной вибрации тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего тока. В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:

1. Рассчитаны уровни переменных электромагнитных сил и моментов, действующих на главный полюс ТЭД при нагрузке;

2. Получены зависимости изменения уровня переменных сил и моментов от частоты вращения якоря ТЭД (скорости электровоза);

3. Исследованы колебательные свойства станины тягового двигателя под действием радиальных и тангенциальных переменных сил и моментов, и качественно определены формы колебаний станины для шестиполюсных ТЭД в режиме холостого хода;

4. Для определения величины виброускорения на корпусе ТЭД предложен метод расчета перемещений сечений станины на основании теории тонкостенного кольца;

5. Произведен анализ колебательных свойств системы «главный полюс - полюсный болт» и выведены формулы, позволяющие определять частоты собственных колебаний системы, а также оценивать деформацию полюсных болтов под действием тангенциальной составляющей переменной электромагнитной силы;

6. При помощи специально спроектированной и изготовленной установки экспериментально исследована магнитная составляющая вибрации в величине общего уровня СКВ тягового электродвигателя.

7. Получены зависимости между общим уровнем СКВ и радиальным зазором в подшипниках якоря для случаев работы тягового двигателя от сети и принудительного приведения во вращение якоря ТЭД при помощи спроектированного привода;

8. Экспериментально исследована связь между амплитудой колебаний зубцовой частоты в спектре вибрации ТЭД и моментом затяжки полюсных болтов;

9. На основании обработки экспериментальных данных предложены нормы на величину общего уровня СКВ тягового электродвигателя в зависимости от технического состояния подшипников якоря (величины радиального зазора).

10. По амплитуде колебаний зубцовой частоты в спектре вибрации ТЭД предлагается диагностировать ослабление крепления главных полюсов ТЭД.

1. ГОСТ 20911 -75. Техническая диагностика. Основные термины и определения.

2. ГОСТ 27.302 86. Надежность в технике. Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин.

3. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава. М.: Транспорт, 1992.

4. Александров A.A., Барков A.B., Баркова H.A. и др. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Л.: Судостроение, 1986. -276 с.

5. Астахов Н. В. Магнитный шум однофазных коллекторных микродвигателей. Электричество, 1959, №1.

6. Астахов Н.В., Малышев B.C., Овчаренко Н.Я. Магнитные вибрации асинхронных электродвигателей. Кишинев: Штиинца, 1985. - 123 с.

7. Астахов Н.В., Малышев B.C., Медведев В.Т., Полухин В.Ф. Проектирование электрических машин с пониженными уровнями вибрации. Машины постоянного тока. М.: Моск. энерг. ин-т, 1985. - 76 с.

8. Ахиезер Н.И. Элементы теории эллиптических функций. М.: Наука, 1970. -304с.

9. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г. и др. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. М.: Наука, 1984. -.119 с.

10. Ю.Беляев Н. М. Сопротивление материалов М.: Наука, 1976.-608 с.

11. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. - 239 с.

12. Биргер И.А. Стержни, пластинки, оболочки. М.: Физматлит, 1992. - 392 с.

13. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

14. М.Бочаров В.И., Захаров В.И., Коломейцев Л.Ф. и др. Тяговые электродвигатели электровозов / Под ред. В.Г. Щербакова. Новочеркасск.: Агентство Наутилус, 1998. - 612 с.

15. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. - 176 с.

16. Ваганов М.А. и др. Влияние реакции якоря на магнитный шум малых двигателей постоянного тока. М.: Наука, 1971.

17. Вайну Я.Я.-Ф. Корреляция рядов динамики. М.: Статистика, 1977. - 119с.

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 576 с.

19. Верзаков Г.Ф., Киншт Н.В., Рабинович В.И., Тимонен Л.С. Введение в техническую диагностику. М.: Энергия, 1968. - 224с.

20. Вершинин В.И., Цыпкин М.П. Исследование вибраций электродвигателей постоянного тока, регулируемых широтно-импульсными преобразователями// Сб. науч. тр./ Моск. энерг. ин-т, 1989. №196. - С. 123128.

21. Волчок И.П. Сопротивление разрушению стали и чугуна. М.: Металлургия, 1993. - 192 с.

22. Вольдек А.И. Влияние неравномерности воздушного зазора на магнитное поле асинхронной машины. Электричество, 1951 г., №12.

23. Волынский В.А., Бухман В.Е. Модели для решения краевых задач. М.: Физматгиз, 1960. - 452 с.

24. Воронкин В.А., Михайлов В.И., Павлов К.А. Оценка технического состояния подшипниковых узлов электрических машин методами высокочастотной диагностики//Вибротехника (Вильнюс). 1987. - №4/57. - С. 17-22.

25. Генкин М.Д., Елезов В.Г., Яблонский В.В. Методы управления виброзащиты машин. М.: Информэлектро, 1987. - 49 с.

26. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

27. Геча В.Я., Зубренков Н.В. Расчет вынужденных колебаний статоров машин постоянного тока. Электротехника, 1986. №11. С. 47-51.

28. Гиоев З.Г. Основы виброакустической диагностики тяговых приводов локомотивов//Автореф. дис. на соиск. уч. степени докт. техн. наук. Ростов-н/Д: РГУПС, 1998.

29. Гиоев З.Г.-, Косенко Г.Д., Приходько В.М., Колиух Б.А., Чукарин М.Т. Выбор диагностических параметров тяговых машин// Электрическая и тепловозная тяга, 1989 г., №5. С.31 32.

30. Гиоев З.Г. Некоторые элементы теории колебаний и диагностики тяговых электрических машин локомотивов /Учеб. пособие. Ростов-на-Дону: РГУПС, 2000. 52 с.

31. Гиоев З.Г.; Колиух Б.А., Золотарев Б.Д. и др. Статистическая обработка аналоговой информации при виброакустической диагностике тяговых электрических машин и агрегатов локомотивов //Межвуз. сб. науч. тр. Ростов н/Д: РГУПС, 1996. 4.1. С.45-55.

32. Гиоев З.Г., Приходько В.М., Косенко Г.Д. Анализ источников вибрации для диагностики технического состояния тяговых электрических машин локомотивов. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 165. - Ростов-на-Дону.: РИИЖТ, 1982. С. 60-65.

33. Гиоев З.Г., Роде Л.О., Косенко Г.Д. Диагностика технического состояния силовых агрегатов локомотивов на основании анализа собственной корпусной вибрации //Тез. докл. Всесоюзной научн.-техн. конф. Омск, 1989. С. 92-93.

34. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. М.: Высш. шк., 1984. - 431 с.

35. Гончарский A.B., Кочиков И.В., Матвиенко А.И. Реконструктивная обработка и анализ изображений в задачах вычислительной диагностики.-М.: Изд-во МГУ, 1993. 139 с.

36. Грибанов Ю.И., Мальков B.J1. Выборочные оценки спектральных характеристик стационарных случайных процессов. М.:Энергия, 1978. -152с.

37. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник/ З.М. Дубровский,

38. B.И. Попов, Б.А. Тушканов. М.:Транспорт, 1991.-471 с.

39. Грюнер А.И. Анализ вибровозмущающих сил высших гармонических электромагнитного поля в асинхронных электродвигателях. Сб. науч. тр. №202. М.: Моск. энерг. ин-т, 1989. С. 71-77.

40. Дашевский P.A., Яковлев А.И. О путях улучшения виброшумовых параметров электрических машин. Сб. науч. тр. №212. М.: Моск. энерг. ин-т, 1989. С. 8-13.

41. Ден-Гартог Дж. П. Механические колебания М.: Физматгиз, I960 - 580 с.

42. Детинко Ф.М., Загородная Г.А., Фастовский В.М. Прочность и колебания электрических машин. JL: Энергия, 1969 г. - 440 с.

43. Евдокимов Ю.А., Гудима В.В., Щербаков A.B. Основы теории инженерного эксперимента. 4.1. Методы математического планирования эксперимента: Учебное пособие/Ростов-н/Д: РГУПС, 1994. 83 с.

44. Егоров A.A., Полухин В.Ф. Влияние реакции якоря на вибрацию машин постоянного тока. Сб. науч. тр. №202. М.: Моск. энерг. ин-т, 1989. С. 99-104.

45. Ермолин И.П. Магнитный шум машин постоянного тока. Известия Ленинградского электротехнического института, вып. 28. Л.: ЛЭТИ, 1955 г.1. C. 11-27.

46. Жуловян В.В., Комаров A.B., Майник И.Ф. К расчету магнитной проводимости воздушного зазора при односторонней и двусторонней зубчатости. Электричество, 1988 г., №1. С. 50 57.46.3ахарченко Д.Д., Ротанов H.A. Тяговые электрические машины. М.:

47. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. JI.: Судостроение, 1971. - 416 с.

48. Ковалев Б.Ф., Самойлов В.Б. Влияние полюсных наконечников на шум и вибрацию асинхронного явнополюсного электродвигателя//Сб. науч. тр./ Моск. энерг. ин-т. 1988. - № 155. - С. 80-85.

49. Кононенка Е. В., Сипайлов Г.А., Хорьков КА. Электрические машины (спец. курс). М.: Высшая школа, 1975. - 279 с.

50. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 360 с.

51. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: ЮНИТИ, 2000. - 543 с.

52. Кучер Э.Р. К вопросу о магнитном шуме машины постоянного тока// Вестник электропромышленности, 1967. №9.

53. Лазароиу Д.Ф., Бикир Н. Шум электрических машин и трансформаторов. -М.: Энергия, 1973.-271 с.

54. Магистральные электровозы: Технологические основы производства/ В.И. Бочаров, А.И. Каргин, К.В. Колоколов и др.; Под общ. ред. В.И. Бочарова, A.A. Суровикова. М.: Машиностроение, 1992. - 256 с.

55. Малоземов H.A., Бондаренко В.М., Косенко Г.Д., Гиоев З.Г. Техническая диагностика локомотива// Электрическая и тепловозная тяга, 1980. №10. -С.42-43.

56. Макаров Ф.К. Электрические машины переменного тока с магнитными клиньями. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 96 с.

57. Малышев B.C., Чебышева О.В. Определение магнитной проводимости неравномерного воздушного зазора. В кн.: Межведомств, сб. тр. №25. М.: Моск. энерг. ин-т, 1984. С. 13-21.

58. Малышев B.C., Манюков М.Ф., Титюхин Н.Ф. Виброактивностьасинхронного двигателя при динамических режимах работы на низких частотах//Сб. науч. тр./ Моск. энерг. ин-т. 1985. - №73. - С. 131-135.

59. Малышев B.C., Чебышева O.B. Выбор числа пазов асинхронного двигателя с учетом снижения виброактивности// Электротехника. 1988. - №10. - С. 2224.

60. Медведев В.Т., Титюхин Н.Ф. Вибрации электрических машин// Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Сер. Электрические машины и трансформаторы. -1990.- 148 с.

61. Медведев В.Т., Юргенсон Т.С. Магнитные вибровозмущающие силы электрических машин//Сб.науч.тр./ Моск. энерг. ин-т, 1989. - №196. -С.100-116.

62. Медведева И.И. О коррелируемости уровня шума и вибрации асинхронного двигателя с потерями энергии. Электротехника, 1991 г., №4.

63. Михлин В.М. Прогнозирование технического состояния машин. М.: Колос, 1976.-287 с.

64. Находкин М.Д., Василенко Г.В., Козорезов М.А. и др. Проектирование тяговых электрических машин. М.¡Транспорт, 1967. - 536с.67.0снович Л.Д. Метод расчета магнитных проводимостей воздушных зазоров. Электричество, 1967 г., №3.

65. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1971.-222 с.

66. Печерица С.П. Расчет магнитных полей в АД с учетом зубчатого строения статора и ротора. Электричество, 1965 г., №3.

67. Полухин В.Ф., Ильина H.H. Двигатель постоянного тока с низким уровнем магнитных вибраций. В кн.: Межведомств, сб. тр. №25. М.: Моск. энерг. инт, 1984. С. 22-27.

68. Павленко A.M. Исследование виброакустических характеристик автомобиля //Виброакустические поля сложных объектов и их диагностика / ИПФ АН СССР. Горький, 1989. С. 204-213.

69. Попков В.И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. J1.: Судостроение, 1974. - 218 с.

70. Рабинович И.Н., Шубов И.Г. Проектирование машин постоянного тока. -Л.: Энергия, 1967 г. 504с.

71. Рагульскис K.M., Ионушас P.A., Бакшис А.К. Вибрации роторных систем. -Вильнюс.: Мокслас, 1976. 232 с.

72. Рагульскис K.M., Юркаускас А.Ю. Вибрация подшипников/ Под. ред. Рагульскиса K.M. JI.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985. - 119 с.

73. Самсаев Ю.А. Вибрации приборов с опорами качения. -М. Машиностроение, 1980. 200 с.

74. Скуев В.Б., Руднев B.C. Средства диагностики и контроля// Электрическая и тепловозная тяга, 1986 г., №11.

75. Ставинский A.A., Золотухин А.И., Янченко A.B. Снижение вибрации от электромагнитных источников колебаний в двухпакетных асинхронных двигателях. Электротехника, 1991 г., №8.

76. Технические средства диагностирования: Справочник/ В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др.; Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

77. Техническая акустика транспортных машин: Справочник/ Под. ред. Иванова Н.И. С-П6-: Политехника, 1992. - 364 с.

78. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Наука, 1975.-704 с.

79. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле/Под. ред. Григолюка Э.И. М.: Машиностроение, 1985. - 472 с.

80. Токарев Б.Ф. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 624 с.

81. Фомин Я.А., Савич A.B. Оптимизация распознающих систем. М.: Машиностроение, 1993. - 287 с.

82. Харкевич A.A. Спектры и анализ. М.: Изд-во техн.-теор. лит-ры, 1953. -215 с.

83. Хренов В.В. Комплексный способ автоматизированного диагностирования узлов механической части локомотива //Автореф. дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Омск: ОмГУПС, 1999 г.152

84. Шимберев В.Б. Исследование влияния технологических параметров болтового крепления полюсов на резонансные свойства статоров машин постоянного тока. Сб. науч. тр. №202. М.: Моск. энерг. ин-т, 1989. С. 114118.

85. Шкаликов B.C., Пеллинец B.C., Исакович Е.Г., Цыган Н.Я. Измерение параметров вибрации и удара. М.: Издательство стандартов, 1980. - 280 с.

86. Шубов И.Г. Определение уровня шума машины постоянного тока методом электромеханической аналогии. Электричество, 1958 г., №4.

87. Шубов И.Г. Шумы и вибрации электрических машин. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. 206 с.

88. Юферов Ф.М. Аналитическое выражение проводимости воздушных зазоров электрических машин. Электричество, 1965 г., №12.

89. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983.-239 с.154