автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей

На правах рукописи

003454324

Качин Олег Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА УНИВЕРСАЛЬНЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05

тт№

Томск - 2008

003454324

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

Бекишев Рудольф Фридрихович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор,

Авилов Валерий Дмитриевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Данекер Валерий Аркадьевич

Ведущая организация:

ФГУП «Томский электротехнический завод»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2008 года в 10 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при Томском политехническом университете в ауд. 217 8-го учебного корпуса по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета, по адресу: 634034, ул. Белинского, 55 или на сайте: www.lib.tpu ги

Автореферат разослан ноября 2008 года

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, к.т.н, доцент

Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Из технической литературы известно, что отказ коллекторно-щеточного узла (КЩУ) универсальных коллекторных электрических машин (КЭМ) ввиду износа его элементов составляет до 48% от общего числа отказов данного типа машин. Одним из путей решения этого вопроса является совершенствование, а также разработка методов оценки состояния КЩУ и коммутационной напряженности универсальных КЭМ не только при работе уже готовой машины, но и на стадии ее проектирования.

В связи с изложенным актуальным является создание адекватной расчётной модели изнашивания электрических щеток (ЭЩ), так как именно они в подавляющем большинстве случаев ограничивают ресурс работы скользящего электрического контакта (СК) рассматриваемого класса машин. Модель должна в максимальной степени учитывать влияние фрикционной, электрокоррозионной (токовой) и электроэрозионной составляющих изнашивания щеток, а также механическое состояние коллектора и подшипников электрической машины (ЭМ).

Производителям универсальных КЭМ необходимо программное обеспечение (ПО), которое позволит проводить виртуальные эксперименты с целью отработки различных конструктивных решений ЭМ и оптимизации ряда параметров, определяющих степень искрения под щетками и ресурс их работы.

Несмотря на существенный вклад многих исследователей в изучение свойств СК, его поведение в динамике все еще недостаточно изучено ввиду сложности протекающих процессов, а также отсутствия специальных измерительных систем и методик обработки измеряемой информации. Кроме того, различные отрасли промышленности нуждаются в современных высокоточных измерительных системах для их использования на различных стадиях технологических процессов изготовления изделий, а также их последующего диагностирования в процессе эксплуатации.

Решение обозначенных проблем является актуальной задачей и представляет научный и практический интерес.

Целью диссертационной работы является разработка программных и технических средств для повышения ресурса СК универсальных КЭМ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• создание математической модели изнашивания щеток универсальных КЭМ, объединяющей в себе основные параметры, влияющие на изнашивание фрикционной, электроэрозионной и электрокоррозионной природы, а также учитывающей механическое состояние коллектора и подшипниковых узлов (ПУ), коммутационных процессов и других параметров работы СК в процессе наработки на ресурс;

• разработка программного обеспечения для проведения виртуальных экспериментов, позволяющего оценить и отработать различные конструктивные решения основных элементов электрических машин и оптимизировать ряд их параметров с целью повышения ресурса КЩУ универсальных коллекторных электрических машин;

• создание методов и средств экспериментальных исследований механического состояния КЩУ и ПУ в процессе эксплуатации ЭМ;

• разработка новых конструктивных решений для повышения ресурса КЩУ ЭМ.

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования процессов изнашивания элементов CK проведены на основе теории электрических машин, теории фрикционной усталости и теории планирования эксперимента. Основные расчетные соотношения получены на базе экспериментальных исследований на реальных электрических машинах. Виртуальные эксперименты проводились на ЭВМ с помощью специализированного ПО, разработанного при участии автора. В процессе расчетов математических зависимостей и анализа данных применялись пакеты программ MATLAB, MathCAD, Excel, регрессионный анализ выполнен с помощью программы Table Curve. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в средах AVR Studio и Visual С++.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

• разработанная математическая модель (ММ) изнашивания щеток универсальных КЭМ в процессе наработки на ресурс впервые наиболее полно учитывает основные электрофизические свойства элементов CK и условия его функционирования, а также влияние контактной жесткости, профиля коллектора и вибрационных характеристик ПУ;

• предложен оригинальный метод определения поправочных коэффициентов к составляющим изнашивания электрических щеток на основе сочетания метода планирования виртуальных экспериментов и реальных ресурсных испытаний базовой электрической машины;

• созданы методы бесконтактных измерений профилей вращающихся элементов машин, а также линейных микроперемещений и вибраций контролируемых поверхностей, обладающие мировой новизной, отличительной особенностью которых является коррекция результатов измерений на основе тестового перемещения измерительного преобразователя;

• разработаны методы диагностирования механического состояния КЩУ и ПУ на основе специальной математической обработки массива измеренных в процессе работы электрической машины профилей коллекторов;

• созданы конструкции демпфированных обмоток якоря и индуктора с анизотропией магнитных свойств, обладающие мировым уровнем новизны и отличающиеся улучшенными коммутирующими свойствами.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• разработанное программное обеспечение позволяет прогнозировать ресурс щеток в процессе проектирования и модернизации универсальных КЭМ с учетом максимального числа факторов, характеризующих работу CK (реальное состояние профиля коллектора и ПУ, технические характеристики традиционных и нетрадиционных конфигураций активной зоны и конструкций обмоток якоря);

• предложенные методы диагностирования механического состояния коллекторов и ПУ ЭМ обеспечивают снижение систематических погрешностей измерений, обусловленных различиями удельных электрических сопротивлений поверхностных слоев отдельных ламелей коллектора, разностью температур нагрева ламелей, неидентичностью расположения ламелей в корпусе коллектора, изменением скорости вращения объекта контроля, неточностью ориентации измерительного преобразователя (ИП) относительно контролируемой поверхности, а также внешними вибрационными воздействиями на объект контроля;

• разработанная методика анализа массива измеренных профилей коллекторов на основе модифицированных выражений для расчета коэффициентов ряда Фурье позволяет осуществлять раздельную оценку вибрационных воздействий коллекторов и ПУ на механическую устойчивость СК как по мгновенным, так и по усредненным значениям параметров вибраций, что позволяет вырабатывать рекомендации относительно нормируемого профиля коллектора и его стабильности в процессе наработки на ресурс, а также о целесообразности использования тех или иных конструкций коллекторов и ПУ;

• созданные конструкции активных элементов электрической машины и выработанные рекомендации относительно величины давления в СК, позволяют достичь увеличения ресурса КЩУ универсальных коллекторных электродвигателей до 40%.

Реализация результатов работы. Выполнение ряда задач диссертационной работы осуществлялось в соответствии с государственными контрактами в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы № 02.442.11.7107 от 26 октября 2005 г. «Разработка интеллектуального измерительного комплекса для дистанционного контроля микроперемещений элементов машин и механизмов, их теплового состояния и электрических свойств» и №02.442.11.7267 от 28 февраля 2006 г. «Разработка электромеханических преобразователей коллекторного типа с повышенной энергоэффективностью».

По заказу компании «LG Electronics Inc.» разработан и передан для использования вариант методики расчета ресурса работы щеток универсальных коллекторных электрических машин малой мощности.

Диагностический комплекс для бесконтактного контроля профиля вращающихся элементов машин в статических и динамических режимах их работы прошел испытания на предприятии ОАО «Бурейская ГЭС».

Использование материалов диссертационной работы предприятиями подтверждено актами о внедрении и испытании, представленными в приложении.

Результаты диссертационной работы используются при выполнении НИОКР №52/у от 10.08.2008 по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2005-2008 гг.), международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005, 2007 гг.), «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2006 г.), «Неразрушающий контроль и диагностика» (Томск, 2008 г.), всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2006 г.), всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2007 г.), научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2006 г.), научно-практической конференции «Инновации в атомной отрасли: проблемы и решения». (Северск, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах по списку ВАК, 6 патентов РФ на изобретения, 1 положительное решение по заявке на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 178 страниц, содержит 76 иллюстраций, 3 таблицы, список литературы из 123 наименований, 3 приложения на 13 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведен анализ существующего отечественного и зарубежного программного обеспечения для проектирования электрических машин, обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований.

В первой главе проведен обзор современного состояния работ в области оценки механического состояния коллекторно-щеточных и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации электрических машин.

На основании обзора существующих методик экспериментальной оценки профилей коллекторов и проведенных с участием автора исследований предложен новый метод измерения зазора между измерительным преобразователем (ИП) и контролируемой поверхностью [7]. Суть данного метода заключается в следующем:

- проводятся опорные измерения и выполняются дополнительные измерения после перемещения измерительного преобразователя на образцовую величину 5„:

Уо=а-х, Уд =а-(х+д0), (1)

где Уо, Уд - выходной параметр измерительного устройства при опорном и дополнительном измерении, м; а - коэффициент коррекции измерительного тракта прибора; х - измеряемый зазор между ИП измерительного устройства и

объектом измерения, м; 50- образцовая величина изменения зазора, определяющая заданную точность измерении, м^

- вычисляются коэффициенты коррекции измерительного тракта прибора и реальное значение зазора между ИП и контролируемой областью объекта измерений:

а=Уд1Уо1 х = Уо (2)

До а

Следует отметить, что при измерениях без применения коррекции, погрешности могут достигать нескольких десятков процентов, а с использованием предложенного метода они снижаются в десятки раз. Данный метод наиболее подходит для статических измерений, т.к. в динамических режимах величина зазора между измерительным преобразователем и одной и той же точкой контролируемой поверхности может изменяться в пределах десятков мкм, например, вследствие наличия биений вала якоря ЭМ в ПУ от оборота к обороту.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в динамических режимах зазор между ИП и контролируемой областью объекта может быть описан уравнением, которое включает сумму реального значения зазора (хрсальн) и ряда гармонических вибраций ПУ. Тогда при достаточно большом числе измерений среднее значение гармонических составляющих —> О, а среднее значение зазора хрсаль„.

На основе вышеизложенного при участии автора был разработан метод измерения зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью в динамических режимах [14]. Суть предложенного метода измерений состоит в следующем:

- проводится серия из опорных измерений зазора;

- выполняется перемещение ИП на образцовую величину 50, которая определяется по уравнению:

^(Дд+2-ДпНх + Дх)

— -гт 5 1У/

Дх

где Дд - максимальная погрешность изменения зазора на образцовую величину, м; Дп- максимальная погрешность определения у0и уд в сериях последовательных измерений, м; Дх- допустимая погрешность измерений зазора, м; х - значение измеряемого зазора, м;

- проводится серия из ЬГД дополнительных измерений зазора (измененного на образцовую величину 50);

- результаты серий опорных и дополнительных измерений зазора определяются как средние значения из Н, и Ид последовательных измерений в соответствии с выражениями:

,=М„ 1=МД

2 Уо,1 Уд,1

У0 =-*-г; , Уд=^ » (4)

- выполняется коррекция измерительного тракта прибора согласно выражению (2).

На основе данного метода измерений были разработаны другие бесконтактные способы измерения: вибраций и профиля контролируемой поверхности в динамических режимах [7].

Помимо профиля коллектора, для практики эксплуатации ЭМ представляют интерес параметры вибраций ПУ. Автором предложен метод выделения профиля коллектора и вибраций якоря в ПУ из массива последовательных измерений зазора между ИП и коллектором на работающей машине, структура которого представлена на рис. 1.

Исходный массив измерении, ув(Х|

600,0 599,5

599,0 Е 598,5 Е 598,0 ' 597,5 5970 59В,5 596,0

ШШШШщ-

1 2 3 1 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 1317 1В 19 20 21 22

Выделенный профиль коллектора ,

Патент РФ № 2331043 «Способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах»

1 1 3 4 5 6 7 6 9 10 11 12 13 14 15 16 17 16 19 Л 21 22 N ламели

Вибрации якоря в подшипниковых узлах

' Уий!.1 У1

Рис. 1. Выделение профиля коллектора и массива вибраций ПУ из массива измерений

Автором предложены оригинальные выражения для расчета коэффициентов ряда Фурье а ^ и Ь ] применительно к профилю коллектора ЭМ:

к

X У; | СОБ ¡=1

Щ, ---

J 1 2К

К

0-1)

щ,

т т . .— + —-1 2К К

Р]

ь; =

1=1

Щ; ---

1 2К

К

Т т

— + -.(¡-1) 2К К

Р'.1

(5)

(6)

где у, - ьое значение профилограммы, соответствующее 1-ой ламели; 1 = 1 -г К, К - количество коллекторных пластин; Т = 2р/щ; ] - номер гармоники; о^ - угловая частота ] - той гармоники (с^ = со^; со =2-7гпКоЛ/60 - частота первой гармоники).

Преимуществом применения предложенных выражений (5,6) для гармонического анализа по сравнению с дискретным преобразованием Фурье

(ДПФ), является существенно более точное выполнение обратного преобразования Фурье при использовании части гармоник. Применение предложенных выражений в данном случае снижает погрешность восстановления профиля при обратном преобразовании Фурье в 5-6 раз по сравнению с ДПФ.

С помощью выражений (5,6) выделенный профиль коллектора увыд разлагается на динамический профиль уД|га (состоящий из гармоник, воздействующих на движение щетки в колодце щеткодержателя) и расчетный профиль коллектора урасч (состоящий из гармоник, демпфируемых контактным слоем СК (высокочастотный спектр)):

ш N

Удин.= X-1,) + Ь3С08(щ,■ I,»; урасЧ1= 2 (а^т^-д + Ь^щ,-^)),^)

где тар- — ближаешее целое число, - диаметр коллектора,

ЬЩД

Ьщд - ширина щетки по дуге окружности коллектора; 1,=Т(Ы)/К; N - максимальное число анализируемых гармонических составляющих.

Для определения усредненных параметров работы ПУ (перемещение, скорость и ускорение внутреннего кольца подшипника) применялась разработанная автором специальная методика:

- выполняется разделение массива данных о вибрациях якоря на два массива, содержащих только возрастающие и только спадающие кривые вибраций (к возрастающим относятся кривые, у которых зазор между первой ламелью коллектора и ИП бесконтактного профилометра увеличивается от предыдущего оборота к последующему, остальные кривые вибраций якоря относятся к спадающим);

- производится усреднение массива со спадающими или возрастающими кривыми вибраций якоря и поворот усредненной кривой к оси:

Упов = У, - У1 -

где упов - повернутая к оси кривая вибраций якоря;

1 = 1 - К, К - количество коллекторных пластин;

- выполняется синтез преобразованной кривой вибраций якоря путем объединения повернутой к оси кривой и зеркальной ей:

преобр Уп

Г*

п = 1 + К;

(9)

У7 , где у^п = -УН, п = (К+1) - (2К-1).

Разработанная методика позволяет устранить эффект Гиббса и снизить погрешность определяемых значений ускорений до 30 раз.

Предложенные выше методы апробированы в ходе экспериментальных исследований механического состояния КЩУ и ПУ универсального

электродвигателя 1X3 УСЕ280Е02 в процессе наработки на ресурс в номинальном режиме работы (35000 об/мин, 1800 Вт).

Полученные в ходе экспериментальных исследований данные о динамике изменения механического состояния коллектора и ПУ в процессе наработки электродвигателя Ьв УСЕ280Е02 на ресурс представлены на рис. 2-5. Из представленных данных следует, что все рассмотренные величины за время ресурсных испытаний существенно возросли: максимальные значения перепадов между ламелями - в 7,8 раз, а средние значения перепадов вдоль окружности коллектора - в 13,5 раз; среднее значение ускорений, действующих на щетку со стороны поверхности коллектора - в 6,5 раз; амплитуда вибраций якоря электродвигателя - в 5,9 раза, а среднее значение виброускорений якоря -в 6,6 раза. Как следует из приведенных на рис. 5 данных, за время работы

б -

i::

>

3 ■ 2 •

О 100 200 300 400 500 С00 700

Врем* ч

Рис. 2. Динамика изменения максимальных

(-) и средних (---) значений перепадов

между ламелями коллектора вдоль его окружности в период ресурсных испытаний

Время ч

Рис. 4. Динамика изменения максимумов

перемещений якоря (-) и среднего

значения виброускорений якоря

электродвигателя (---) в процессе

наработки на ресурс

Врюя ч

Рис. 3. Динамика изменения среднего ускорения щетки, обусловленного воздействием со стороны рабочей поверхности коллектора в процессе

Время, ч

Рис. 5. Ускорение, развиваемое нажимной

пружиной (-), а также суммарное

среднее виброускорение коллектора и подшипниковых узлов электродвигателя (---) в процессе наработки на ресурс

электродвигателя суммарное среднее виброускорение щетки от воздействия коллектора и якоря возросло в 6,5 раз и к концу ресурсных испытаний достигло предельной величины для нормальной работы КЩУ. Для дальнейшего увеличения срока службы рассматриваемого электродвигателя необходимо обеспечить более надежное контактирование СК щетка-коллектор на конечном этапе эксплуатации электрической машины. С этой целью может быть выполнен ряд конструктивных мер, касающихся щеточного узла, коллектора или подшипников.

Полученные за время ресурсных испытаний экспериментальные данные показали, что коллектор имеет двукратный запас ресурса в сравнении с ресурсом комплекта щеток, поэтому целесообразно принимать меры для увеличения ресурса комплекта щеток, определяющего ресурс КЩУ.

Вторая глава посвящена разработке математической модели изнашивания электрических щеток. Анализ имеющихся материалов по данной тематике показал отсутствие цельной ММ для расчета изнашивания ЭЩ, объединяющей в себе основные параметры, влияющие на изнашивание фрикционной, электроэрозионной и электрокоррозионной природы. Более того, в существующих моделях не принималось во внимание механическое состояние КЩУ и ПУ, а также его изменение в процессе работы ЭМ.

На основе обобщения имеющейся в литературе информации, а также на базе экспериментальных исследований кафедр электрических машин, электропривода и электрооборудования ТПУ разработана математическая модель изнашивания щеток, представленная выражениями (10-13):

дщ=(с; • рсрщ+с;« • р;5щ+с:. w. )■ (ю>

где Дщ - износ щетки; Ptp щ - среднее давление щетки на временном интервале 8t; Сщф, С™ и Сщэ - коэффициенты, характеризующие интенсивность фрикционной, электрокоррозионной (токовой) и электроэрозионной составляющих изнашивания; W„ - средняя суммарная энергия искрения коммутационных циклов под щеткой за оборот якоря ЭМ.

В свою очередь, коэффициенты фрикционной, токовой и эрозионной составляющих изнашивания находятся в соответствии с выражениями:

С;=10-7.м-у„л-Кф/Н1ц; (11)

с;=ю-3 -м-V- -с1;2 .(1,/рГ -кдн- .(кя -сщ tJ'4); (12) СГ = Ю-3 • пкол - с, • К,/(б0• ид • Ь^ • 1щ • (кщ • С„, • гщ)"2), (13)

где ц - коэффициент трения; vK01 - линейная скорость рабочей поверхности коллектора; Кф - поправочный коэффициент к фрикционной составляющей изнашивания; Нщ - твердость поверхности материала щетки; ру - удельное сопротивление материала щетки; 1а - ток якоря; р - число пар полюсов; К] - поправочный коэффициент к электрокоррозионной составляющей изнашивания; Кщ - коэффициент теплопроводности материала щетки; Сщ - удельная теплоемкость материала щетки; ущ - плотность материала щетки; Пкол - частота вращения коллектора; Кэ - поправочный коэффициент к эрозионной составляющей изнашивания; 1_ГД - среднее напряжение горения дуги; Ьщд - ширина щетки по дуге дорожки скольжения; 1Щ - длина щетки.

Для приближенных оценок целесообразности применения тех или иных конструктивных решений в ЭМ при помощи разработанной ММ можно воспользоваться поправочными коэффициентами Кф, К[ и Кэ для аналогичных по техническим характеристикам ЭМ (в случае, если уже имеется наработанная в ходе предыдущих исследований база данных поправочных коэффициентов). Если необходима более достоверная информация, то поправочные

коэффициенты Кф, К1 и Кэ определяют на основе предложенного автором метода, подробнее описанного в третьей главе.

Как следует из выражения (10), величина контактного давления является важным параметром модели и влияет на все составляющие изнашивания ЭЩ, в том числе и на электроэрозионную через изменение контактного сопротивления (КС) и энергии коммутационного искрения. Величина КС постоянно изменяется вследствие уменьшения нажатия пружины на щетку по мере ее изнашивания, а также изменения геометрии коллектора и вибраций ПУ в процессе наработки ЭМ на ресурс, поэтому учет изменения контактного давления от механического состояния КЩУ представляется наиболее сложной задачей. С целью упрощения расчетов коммутационных процессов с учетом влияния механики СК, целесообразно оперировать эквивалентным нажатием на щетку, при котором достигается такой же уровень коммутационного искрения, что и при реальном изменении давления под щеткой на рассматриваемом временном интервале.

Для нахождения средней энергии искрения коммутационных циклов под щеткой за оборот (\Уср) необходимо определить среднюю величину энергии коммутационного искрения при изменении усилия в скользящем контакте от Рщ]п до Ртах вследствие вибрационных воздействий коллектора и ПУ. Для расчета коммутационных процессов применялась разработанная ранее на кафедре ЭПЭО ТПУ программа, позволяющая рассчитывать процессы коммутации в коллекторных ЭМ малой мощности. Вычислив величину \¥ср, определяем соответствующее ей эквивалентное нажатие на щетку Рэ на кривой распределения энергии коммутационного искрения \УИ от Б (рис. 6).

Рис. 6. Нахождение эквивалентного нажатия на щетку В,, при котором достигается такой же уровень коммутационного искрения, что и при реальном изменении усилия в СК от Рт,„ до Рта» на рассматриваемом временном интервале.

Величины Бшл и Ртах определяются согласно следующим выражениям:

кн

р = 'щи

Р -а

* иЯЖ "

ср тщр

-т

щр '8

1 +м-н- 1 +2

Дк

Б =

Рнаж+аср-тщр+тщр-ё 1 - М-Н-1 1+2-4.

(14)

где

расчетная сила нажатия пружины с учетом текущего износа щетки,

Н; аср - суммарное среднее виброускорение щетки от воздействия коллектора и подшипниковых узлов, м/с2; тщр - расчетная масса щетки для ее текущего износа, кг; g - ускорение свободного падения, м/с2; ц - коэффициент трения скольжения для пары щетка-коллектор; V - коэффициент трения щетки о щеткодержатель; Ак - зазор между колодцем щеткодержателя и коллектором; г - длина части щетки, расположенной в щеткодержателе.

ичЮ4-

1 ОчШ4 -

4 8 0x104 -

в

X

* 6{М0'-

£

а

и 40x10' -

£

л

2 0x10' -

00-с

-Ь ш = 37 мм

----Ьш = 21,9 мм

---Ьш = 11,7 мм

Ьш = 8 ММ

Саш шькашя ми 11 и' | кл, н

Вычислительные эксперименты, проведенные с использованием разработанного ПО, показали, что сама кривая зависимости \¥и от Р меняется в процессе наработки электрической машины на ресурс (рис. 7), поэтому

целесообразно выбирать периодичность пересчета эквивалентного нажатия на щетку Е) в зависимости от требуемой точности расчетов.

Рис. 7. Зависимость энергии искрения коммутируемых секций паза от силы нажатия на щетку для различных радиальных размеров щетки электродвигателя ЬО УСЕ280Е02

Как уже было отмечено выше, величина контактного сопротивления определяет уровень энергии коммутационного искрения, поэтому от точности ее расчета зависит достоверность вычисления электроэрозионной составляющей изнашивания электрических щеток. Ввиду того, что точный расчет контактных сопротивлений во время коммутационного цикла с малым шагом требует проведения значительного объема вычислений при моделировании ресурсных испытаний, в разработанном ранее ПО применялся метод экспоненциальной аппроксимации временной зависимости КС по двум точкам (в начале и конце коммутационного цикла), позволяющий существенно сократить время вычислений. Однако для контактной пары медь М1 - щетка ЭГ74 аппроксимированные по этому методу величины КС отличаются от реальных значений в среднем на 196%.

Автором предложена методика ускоренного расчета КС, включающая в себя точный расчет КС в начале (гСб(нач)), середине (гсб(ср)) и конце (гсб(К0„)) коммутационного цикла и последующую экспоненциальную аппроксимацию зависимости КС по найденным трем точкам. Выражение для приближенного вычисления КС сбегающего края щетки в этом случае имеет следующий вид:

(ТИ)

Фгсб

'сб

= Асб+Всб.

(15)

где Геб - контактное сопротивление сбегающего края щетки, Ом;

А ТЭ ТЭ 1ГСб(ср) ~Гсб(КОн),| _ _ Асб = Гсб(кон) - Всб ' 0м; Всб = --Г--—-' °м; Тк - вРемЯ КОМ-

Гсб(нач) + Гсб(кон) " ^ ' гсб(ср)

мутационного цикла, с; I - текущее время (изменяется от 0 до Тк), с;

ь_

т =_Л]____

Гсб (. _ +-в—

1п

сб(нач) " гсб(кон) рсб

В

'сб

,С.

По аналогии формируется выражение для набегающего края щетки.

Величины КС, аппроксимированные по предложенному методу, отличаются от реальных значений для рассмотренного ранее случая в среднем на 33%, что в 5,9 раза меньше, чем с используемой ранее аппроксимацией.

В третьей главе рассмотрены предложенный алгоритм расчета изнашивания ЭЩ коллекторных электрических машин малой мощности, а также ПО, реализующее данный алгоритм.

Так как расчет изнашивания щеток с постоянным пересчетом коммутационных процессов на ЭВМ занимает много машинного времени и малопригоден для практического использования, автором был разработан алгоритм ускоренного расчета изнашивания ЭЩ на базе разработанной ММ, свободный от указанного недостатка.

Предлагаемый алгоритм расчета изнашивания щеток состоит из ряда больших и малых циклов расчета. Начальными условиями для каждого большого цикла расчета изнашивания щеток являются текущее механическое состояние коллекторно-щеточного узла и подшипников электрической машины, а также текущий радиальный размер щетки и величина нажатия пружины на щетку. В алгоритме принято допущение о линейном характере износа в течение большого цикла расчета, так как результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о близком к линейному характере изнашивания щеток на ограниченном временном интервале, что подтверждают и многочисленные данные других авторов. Краткое описание большого цикла алгоритма:

1. Задание начальных условий: механического состояния КЩУ и ПУ ЭМ, радиального размера щетки и силы нажатия на щетку.

2. Определение эквивалентного нажатия на щетку Бэ, и среднего контактного давления РсрЩ1.

3. Первый малый цикл расчета:

— подсчет суммарной энергии искровых разрядов, выделяемой под щеткой за время малого цикла (с учетом конструктивных особенностей индуктора и якорных обмоток):

Wr=i£|w I, (16)

j=Ig=l

где j - номер ламели; К - число ламелей в коллекторе; g - номер коммутационного цикла; S - количество оборотов в малом цикле расчета; у -номер малого цикла расчета изнашивания;

— предварительный расчет изнашивания щетки Д'"ок, за время большого цикла расчета изнашивания 5t:

flL, = (Сщф- РсрЩ, + Сщг Рсрщ, о-5 + Сщэ. £ i |w , l/S). 5t; (17)

j=ig=i' 1

— предварительный пересчет текущего радиального размера щетки:

^щтек ~ ^щтек " Длок 1 * ОЮ

Новое значение размера щетки в радиальном направлении является начальным условием для второго малого цикла расчета.

4. Второй малый цикл расчета:

— подсчет суммарной энергии искрения, выделяемой под щеткой за время 2-го малого цикла по выражению (!6) и вычисление скорости и ускорения электроэрозионного изнашивания:

Г=СЩЭ-пщ= (Сщэ ■ I I Сщэ • I I >8|)/51. (19)

е=1 ]=1е=1 е=1

5. Расчет скорости фрикционного, электрокоррозионного и электроэрозионного изнашивания ЭЩ на большом цикле расчета:

(^Дф/¿0 = СЩф- Рсрщ ь (ёД^'/ск) = Сш,- Рсрщ 1°'5; (с1Д^7с11) = Г + п1ц-51. Вычисление суммарного износа щетки Дщ за время большого цикла 51:

Дщ = [(ёД^/Л) + (ёД™/с!1) + (ДОЛ)] • 51. (20)

6. Возврат к первоначальному (для текущего большого цикла расчета) радиальному размеру щетки ЭМ (Ьщтек = Ьщтск + Д^0К]) и реальный пересчет текущего радиального размера электрической щетки:

Ьщтек Ьщтек ~Д •

Большие циклы расчета с обновленными начальными условиями (радиальный размер щетки, механическое состояние КЩУ и ПУ ЭМ) повторяются до тех пор, пока радиальный размер щетки не достигнет минимального уровня, установленного заводом-изготовителем. После этого расчет изнашивания щетки считается завершенным, а сумма периодов больших циклов расчета изнашивания (51) и будет равна искомому времени наработки электрической щетки.

В данном разделе предложен метод определения поправочных коэффициентов к фрикционной, электрокоррозионной и электроэрозионной составляющим изнашивания ЭЩ для различных типоразмеров коллекторных ЭМ при помощи сочетания метода планирования виртуальных экспериментов и реальных ресурсных испытаний базовой ЭМ.

Линейная модель изнашивания ЭЩ учитывает взаимодействие трех факторов: коэффициентов фрикционной Кф, электрокоррозионной К1 и электроэрозионной Кэ составляющих изнашивания ЭЩ:

Урасчк = Ьк0+Ьк1х1+Ьк2х2+Ькзхз+Ьк12х1х2+Ьк1зх1хз+Ьк23х2х3+Ьк12зх1х2хз (22) где урасч к - расчетная величина суммарного изнашивания щетки электрической машины для заданного времени ^ Ьц, - коэффициенты полинома; Х| -кодированное значение коэффициента Кф; х2 - кодированное значение коэффициента Кь хз - кодированное значение коэффициента Кэ.

Для того, чтобы определить кодированные значения коэффициентов хь х2 и хз, необходимо составить и решить систему из трех уравнений (23). В данной системе на каждом из трех различных временных отрезков (в начале (1нач), середине (Ц) и конце (1кон) временного интервала) соответствующая расчетная величина изнашивания щетки ЭМ приравнивается к ее фактическому износу:

Унач = Ь10+Ь11Х]+Ь12Х2+Ь1зХз+Ь112Х1Х2+Ь11зХ1Хз+Ь12зХ2Хз+Ь112зХ|Х2Хз (23)

-< Уср = ',20+Ь21Х1+Ь22Х2+Ь2зХз+Ь212Х1Х2+ЬизХ1Хз+Ь22зХ2Хз+Ь212зХ1Х2Хз

„ Укон = Ьзо+Ьз1Х1+Ьз2Х2+ЬззХз+Ьз12Х1Х2+Ьз1зХ1Хз+Ьз23Х2Хз+Ьз12зХ1Х2Хз

Для вычисления коэффициентов полинома Ьц, каждого из трех уравнений по матрице планирования полного факторного эксперимента выполняются 8 виртуальных экспериментов. Для проведения всех виртуальных экспериментов использовалась предложенная автором ММ изнашивания ЭЩ и созданное на ее основе ПО. По результатам проведенных вычислений были определены следующие значения поправочных коэффициентов для ММ изнашивания щеток электродвигателя УСЕ280Е02: Кф = 1,6607, К, = 0,1624, Кэ = 0,6778. Среднее отклонение расчетных величин изнашивания щетки с учетом вычисленных коэффициентов (Кф, К1 и К,) от реальных значений за время ресурсных испытаний рассматриваемой ЭМ не превысило 2%, что подтверждает адекватность предложенной ММ изнашивания ЭЩ и правомерность предложенных методик для прогнозирования ресурсных характеристик щеток при модернизации ЭМ.

Для учета изменения механического состояния профиля коллектора или ПУ во времени, необходимо иметь возможность прогнозировать значения коэффициентов ряда Фурье а} и в любой момент времени в процессе

наработки на ресурс. С этой целью автором было предложено осуществлять регрессию данных, полученных экспериментальным путем для исследуемого класса ЭМ.

Таким образом, подготовка данных о механическом состоянии профиля коллектора и вибрациях якоря в ПУ для загрузки в программу выглядит следующим образом:

1. формирование коэффициентов ряда Фурье а^ для И-гармоник на основе экспериментальных данных;

2. получение путем регрессии непрерывных функций а^), Ь^);

3. сохранение коэффициентов уравнения регрессии функций а^) и Ь^).

На основе разработанной ММ изнашивания ЭЩ создано ПО для расчета ресурсных характеристик щеток ЭМ малой мощности. В качестве базовой была взята разработанная на кафедре ЭПЭО ТПУ программа, позволяющая рассчитывать процессы коммутации в коллекторных ЭМ малой мощности, в том числе и в машинах с нетрадиционными конструкциями активной зоны.

Автором в программу были внесены следующие изменения:

- разработана математическая модель изнашивания щеток с учетом электромагнитной архитектуры машины и ее коммутационной напряженности, характеристик материала щеток и нажимного устройства, жесткости контактного слоя щетка-коллектор, механического состояния КЩУ и ПУ с учетом его изменения в процессе эксплуатации ЭМ;

- реализован уточненный расчет КС в процессе коммутации;

- разработан блок ввода информации об исходном механическом состоянии КЩУ (профиль коллектора, вибрации со стороны коллектора и ПУ);

- разработан модуль, позволяющий учитывать изменения механического состояния КЩУ и ПУ в процессе эксплуатации ЭМ при расчете коммутации.

Данный программный продукт позволяет выполнять следующие виды расчетов: распределение магнитной индукции в воздушном зазоре с учетом реакции якоря и сдвига щеток с нейтрали; величины коммутирующей ЭДС в процессе коммутации; токи разрыва и энергии искрения коммутируемых секций; величин деформаций контактного слоя; электросопротивлений набегающего и сбегающего краев щетки в процессе коммутации с учетом механики КЩУ и жесткости контактного слоя щетка-коллектор; величины

изнашивания щеток (рис. 8).

Рис. 8. Расчетная величина изнашивания щетки (по оси ОХ - время, ч; по оси ОУ - величина изнашивания щетки, м)

С использованием разработанного ПО были проведены исследования характеристик изнашивания щеток высокоскоростного коллекторного электродвигателя IX? УСЕ280Е02, результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1

Интервал времени, ч Фрикционная составляющая изнашивания, мм Интенсивность изнашивания, мкм/ч (X ГО т X О 5 ^ 5 О (т ац" й- Я I 2 ТО ° с § В- и § С та ™ ь та 2 о I 5 О го СО о 5 Интенсивность изнашивания, мкм/ч Электроэрозионная составляющая изнашивания, мм Интенсивность изнашивания, мкм/ч Суммарная величина изнашивания, мм Суммарная интенсивность изнашиЕ>ания, мкм/ч

0-140 0,76 5,43 3,53 25,21 1,77 12,65 6,06 43,30

140-280 0,70 4,98 3,38 24,13 1,13 8,08 5,21 37,19

280-420 0,64 4,55 3,23 23,08 1,21 8,63 5,08 36,27

420-560 0,55 3,96 3,01 21,53 1,51 10,78 5,08 36,27

560-700 0,50 3,55 2,85 20,37 2,26 16,12 5,61 40,04

Из таблицы 1 следует, что за время виртуальных ресурсных испытаний интенсивность фрикционной и электрокоррозионной составляющих изнашивания щеток снизилась на 34,6%, и 19,2% соответственно. Интенсивность электроэрозионной составляющей изнашивания ЭЩ на начальном этапе несколько уменьшилась (приработка элементов КЩУ), но затем возросла (ухудшение геометрии коллектора и ПУ ЭМ, о чем свидетельствуют результаты экспериментальных исследований, описанные в первой главе) и в конце виртуальных испытаний превысила первоначальное значение на 27,4%.

Следует отметить, что в среднем суммарная расчетная величина изнашивания щетки (с учетом найденных коэффициентов Кф, ^ и К,) отличается от фактических значений, полученных во время ресурсных испытаний рассматриваемой ЭМ, не более чем на 2%, что подтверждает

адекватность предложенной ММ изнашивания ЭЩ и правильность определения ее коэффициентов.

В четвертой главе предложены пути увеличения ресурса СК универсальных электрических машин. На основании исследований, проведенных с использованием разработанного ПО, были предложены конструкции демпфирующих обмоток якоря, позволяющих снизить энергию искрения секций паза якоря (а следовательно и ресурса щеток) путем уменьшения индуктивностей секций, увеличения взаимных магнитных связей между соседними секциями [8, 9], и индуктора, имеющего в средних частях основных полюсов сужения нормальных продольных сечений для увеличения магнитного сопротивления поперек основных полюсов, что обеспечивает снижение поперечного магнитного потока приблизительно в два раза [13].

Разработанные ММ и ПО позволили автору провести виртуальные исследования влияния величины контактного давления (для нажимной пружины с постоянным нажатием) из интервала от 2 до 3,5 Н (удельное давление 300-525 г/см2) на ресурсные характеристики универсального коллекторного электродвигателя с учетом изменения механического состояния КЩУ, результаты которых представлены на рис. 9.

°г

« Сг

5 3

-10 --15-

Сила нажатия на щетку, Н

Рис. 9. Изменение ресурса КЩУ электродвигателя 1X5 УСЕ280Е02 в зависимости от величины нажатия на щетку с учетом изменения механического состояния КЩУ

Из гистограммы, представленной на рис. 9, можно сделать вывод, что выбрав силу нажатия на щетку из интервала 2,8 - 3,3 Н (удельное давление 420495 г/см2), можно добиться увеличения ресурса КЩУ рассмотренного типа ЭМ до 10,8% с учетом изменений механического состояния КЩУ в процессе эксплуатации. Одновременно с этим, представленные данные наглядно демонстрируют важность правильного подбора характеристик нажимного устройства: разница в силе нажатия всего в 0,6 Н (90 г/см2) при снижении силы нажатия с 2,6 до 2 Н может привести к сокращению ресурса КЩУ на 22%. Кроме этого, были проведены виртуальные исследования разработанных конструкций обмоток и индуктора, результаты которых представлены в таблице 2. Из представленных данных можно сделать вывод, что наиболее предпочтительными способами увеличения ресурса КЩУ рассмотренной ЭМ являются варианты 5-7, позволяющие достичь увеличения ресурса скользящего контакта более чем на 40%.

к и 14» Изменения в конструкции электродвигателя [.в УСЕ280Е02 Увеличение ресурса КЩУ, %

1 Постоянное нажатие (3,1 Н) 10,79

2 Демпфированные обмотки якоря 9,54

3 Демпфированные обмотки якоря + Постоянное нажатие 26,98

4 Анизотропный индуктор 26,35

5 Анизотропный индуктор + Постоянное нажатие 37,61

6 Анизотропный индуктор + Демпфированные обмотки якоря 36,08

7 Анизотропный индуктор + Демпфированные обмотки якоря + Постоянное нажатие 41,59

Следует отметить, что разработанная ММ и ПО позволили выполнить виртуальные эксперименты и дать оценку эффективности предложенных технических решений минуя дорогостоящие стадии изготовления опытных образцов и проведения длительных ресурсных испытаний.

Заключение

В работе получены следующие основные результаты:

1. Создана математическая модель изнашивания щеток универсальных КЭМ, учитывающая основные факторы, характеризующие работу СК, в том числе состояние профиля коллектора и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации, которая позволяет прогнозировать ресурс щеток на стадиях проектирования ЭМ и создания различных модификаций серийных изделий.

2. Предложена методика прогнозирования динамики механического состояния профиля коллектора и подшипниковых узлов в процессе наработки ЭМ на ресурс, позволяющая определять профиль коллектора и параметры вибраций якоря в ПУ, для любого момента времени в процессе виртуальных ресурсных испытаний ЭМ.

3. Разработан метод определения поправочных коэффициентов к фрикционной, электрокоррозионной и электроэрозионной составляющим изнашивания щеток для различных модификаций базовой ЭМ, позволяющий снизить погрешности расчетов изнашивания электрических щеток до 2-4%.

4. Созданы алгоритмы определения постоянного эквивалентного усилия в СК на заданном временном интервале, приближенного расчета КС на основе экспоненциальной аппроксимации исходной зависимости по трем точкам, а также оценки динамики электроэрозионной составляющей изнашивания щеток на заданном временном интервале, которые позволяют многократно сократить время виртуальных испытаний ЭМ на ресурс.

5. Разработаны конструкции демпфированных обмоток якоря и индуктора с анизотропией магнитных свойств, а также выработаны рекомендации относительно характеристики нажимного устройства щеткодержателя, позволяющие увеличить ресурс работы щеток ЭМ. Серия проведенных виртуальных ресурсных испытаний электродвигателя Ьй УСЕ280Е02 показала возможность повышения ресурса щеток у данной ЭМ до 40 % при использовании предложенных технических решений.

6. Разработаны методы бесконтактных измерений профилей вращающихся элементов машин и математической обработки результатов измерений,

включающие процедуру коррекции результатов измерений, а также сепарацию массивов результатов измерений в динамических режимах на профиль и вибрации контролируемого объекта с последующим определением виброускорений, воздействующих на щетки, позволяющие повысить точность измерений (погрешности измерений снижаются на десятки процентов) и расширить функциональных возможности измерительных систем. 7. На основе более 11000 измерений профиля коллектора, выполненных в процессе ресурсных испытаний электродвигателя LG VCE280E02, и их последующей математической обработки выявлено, что вибрационные воздействия якоря на щетки в среднем в 1,6 раза превышают аналогичные воздействия профиля коллектора, а средние значения ускорений, действующих на щетку как со стороны поверхности коллектора, так и со стороны якоря, возрастают более чем в 6 раз к концу ресурсных испытаний ЭМ и достигают критических величин, приводящих к потере контакта щеток с большинством коллекторных пластин. Полученные результаты экспериментальных исследований механического состояния CK являются базовой информацией для разработки конструктивных мер по улучшению работы CK подобных ЭМ.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Качин, С. И. Коммутирующие свойства обмоток якорей коллекторных машин электроприводов на начальном этапе коммутации / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Известия Томского политехнического университета. -2005. - Т. 308. - № 5. - С. 136-140.

2. Качин, С. И. Анализ коммутирующих свойств обмоток якорей электроприводов на завершающей стадии процесса коммутации / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, В.Ю. Саблуков, E.H. Клыжко // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т. 308. - № 7. - С. 41-44.

3. Качин, С. И. Основные направления совершенствования универсальных коллекторных двигателей электроприводов на основе оптимизации их электромагнитной структуры / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, В.Ю. Саблуков, E.H. Клыжко // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 2. - С. 195-200.

4. Качин, С. И Повышение ресурсных характеристик скользящего контакта коллекторных машин электроприводов / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин // Изв. Вузов. Электромеханика. - 2006. - №3 - С. 8-13.

5. Качин, О. С. Диагностирование механического состояния коллекторно-щеточно-го узла высокоскоростной электрической машины в процессе ресурсных испытаний // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т.311.-№ 4.-С. 118-122.

6. Качин, О. С. Методика определения вибрационных параметров работы подшипниковых узлов для бесконтактных измерительных систем // Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 2. - С. 349-352.

Патенты и свидетельства о регистрации:

7. Пат. 2234054 РФ, МПК7 G01B 7/14. Способ измерения зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью (варианты) / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, М.А. Нечаев. Заявлено 17.07.2003; Опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22. - 13 е.: ил.

8. Пат. 2269192 РФ, МПК Н02К 3/12. Якорь коллекторной электрической машины / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин. Заявлено 05.05.2004: Опубл. 27.01.2006, Бюл. № 03.-8 е.: ил.

9. Пат. 2277282 РФ, МПК Н02К 3/12. Обмотка якоря электрической машины / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин. Заявлено 16.03.2005; Опубл. 27.05.2006, Бюл. № 15.-10 е.: ил.

10. Программа расчета мгновенных давлений в скользящем контакте щетка-коллектор / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006610773 от 26.02.2006.

11. Программа расчета коммутирующих электродвижущих сил электри-ческой машины малой мощности / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610892 от 22.02.2007.

12. Программа расчета магнитного поля электрической машины / С.И. Качин, Ю.С. Боровиков, О.С. Качин, E.H. Клыжко // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610891 от 22.02.2007.

13. Пат. 2313879 РФ, МПК Н02К 1/14. Сердечник статора коллекторной электрической машины / С.И. Качин, О.С. Качин, E.H. Клыжко. Заявлено 29.08.2006; Опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36. - 15 е.: ил.

14. Пат. 2327104 РФ, МПК G01B 7/14. Способ измерения зазора между измерительным преобразователем и контролируемой поверхностью в динамических режимах / С.И. Качин, О.С. Качин. Заявлено 09.01.2007; Опубл 20.06 2008, Бюл. № 17. - 12 е.: ил.

15. Пат. 2331043 РФ, МПК G01B 7/34. Способ бесконтактного измерения профиля контролируемой поверхности в динамических режимах / С.И. Качин, О.С. Качин Заявлено 26.03.2007; Опубл. 10.08.2008, Бюл. № 22. - 10 е.: ил.

16. Положительное решение по заявке на изобретение №2007117290/28. Способ бесконтактного измерения вибраций контролируемой поверхности» / С.И. Качин, О.С. Качин. Заявлено 08.05.2007.

Публикации в других изданиях:

17. Качин, О. С. Прогнозирование ресурса щеток коллекторных электрических машин // Тезисы докладов XVII науч.-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП НПЦ «Полюс». - Томск, 2006.-С. 158-160.

18. Качин, О. С. Экспериментальные исследования механического состояния кол-лекторно-щеточного узла высокоскоростной электрической машины в процессе ресурсных испытаний // Труды XIII международной науч.-практ. конф. «Современные Техника и Технологии». - Томск, 2007. - Т. 1. - С. 430-432.

Личный вклад автора. Четыре работы написаны автором единолично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: выражения для расчета энергии коммутационного искрения и коэффициента демпфирования [1, 2]; выражение для оценки ресурса работы комплекта щеток [3]; оптимизация нажатия на щетку [4]; определение величины базового перемещения ИП [7, 1416]; размещение обмотки в пазах якоря [8, 9]; разработка части алгоритмов [1012]; предложения по конфигурации индуктора [13].

Подписано к печати 18 11 2008 Формат 60*84/16 Бумага-Классика» Печать XEROX Уел печ л 1,22 Уч -изд л 1,10 _Заказ 1085 Тираж 100 экз_

Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001 2000

изытедмтвЗт^лу 634050, г Томск, пр Ленина, 30

ISO 9001

lllNIMjn

ВВЕДЕНИЕ.

1. Разработка методов и средств экспериментальных исследований механического состояния коллекторно-щеточных и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации электрических машин.

1.1. Разработка бесконтактных методов измерений профилей вращающихся элементов машин и регистрации линейных микроперемещений повышенной точности.

1.2. Метод определения профиля коллектора в динамических режимах и анализ его воздействия на коллекторно-щеточный узел.

1.3. Методика определения параметров вибраций подшипниковых узлов (перемещение, скорость, ускорение).

1.4. Экспериментальные исследования коллекторно-щеточного и подшипниковых узлов электрической машины в процессе ресурсных испытаний.

1.4.1. Цель, объект и методика испытаний.

1.4.2. Описание аппаратной части бесконтактного измерительного комплекса.

1.4.3. Полученные в результате ресурсных испытаний данные.

2. Разработка математической модели изнашивания щеток универсальных коллекторных электрических машин.

2.1. Моделирование фрикционной, электрокоррозионной (токовой) и электроэрозионной составляющих изнашивания щеток универсальных коллекторных электродвигателей.

2.2. Влияние профиля коллектора и вибраций подшипниковых узлов на процесс коммутации.

2.3. Методика расчета контактных сопротивлений в процессе коммутации.

3. Разработка программного продукта для оценки ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей.

3.1. Алгоритм расчета изнашивания щеток электрических машин.

3.2. Метод определения поправочных коэффициентов математической модели изнашивания щеток для различных конструкций универсальных коллекторных электродвигателей

3.3. Методика определения динамики механического состояния профиля коллектора и подшипниковых узлов в процессе наработки электрической машины на ресурс.

3.4. Программное обеспечение для расчета ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электрических машин.

3.5. Исследование характеристик изнашивания высокоскоростного коллекторного электродвигателя с помощью разработанного программного обеспечения.

4. Пути увеличения ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей.

4.1. Исследование влияния нажатия на щетку на ресурсные характеристики универсального коллекторного электродвигателя.

4.2. Исследование влияния конструкций обмоток якоря на ресурсные характеристики универсального коллекторного электродвигателя.

4.3. Исследование влияния анизотропии индуктора на ресурсные характеристики универсального коллекторного электродвигателя.

В настоящее время универсальные коллекторные электрические машины малой мощности, обладающие хорошими энергетическими показателями и регулировочными характеристиками, находят все более широкое применение в различных сферах современной человеческой жизнедеятельности. В этих условиях все большее значение приобретают вопросы снижения массогабаритных показателей, повышения коэффициента полезного действия, увеличения ресурса и улучшения функциональных характеристик данного класса электрических машин.

Ключевым вопросом, в значительной мере определяющим основные эксплуатационные характеристики электромеханических преобразователей коллекторного типа на современном техническом уровне, остается проблема повышения их ресурсных характеристик и коммутационной надежности, которая зачастую является основным тормозом, препятствующим их совершенствованию.

Анализ отказов универсальных коллекторных машин, проведенный различными авторами, позволил установить, что отказ коллекторно-щеточного узла (КЩУ) составляет до 48% общего числа отказов машин, а основной причиной его выхода из строя является износ элементов КЩУ [26, 35, 36]. Одним из путей решения этого вопроса является совершенствование коллекторно-щеточных узлов, а также разработка методов оценки их состояния и коммутационной напряженности коллекторных электрических машин не только при работе уже готовой машины, но и на стадии ее проектирования.

Проблема увеличения ресурса коллекторных машин связана с обеспечением высокой износостойкости элементов скользящего контакта (СК). Однако для теоретического обоснования повышенной износостойкости и понимания процесса изнашивания элементов СК электрических машин, необходимо исследовать механизм изнашивания и разработать методы оценки износостойкости элементов КЩУ, поэтому изучение закономерностей трения и изнашивания элементов СК электрических машин и определение практических рекомендаций по повышению ресурса КЩУ являются актуальными.

Естественно, что достижение намеченной цели невозможно без проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований, охватывающих весь комплекс вопросов, связанных с усовершенствованием как электрической машины в целом, так и отдельных ее элементов.

Из практики изготовления и эксплуатации коллекторных электрических машин известно, что часто при неудовлетворительной коммутации машины особое внимание следует уделить работе КЩУ и выбору соответствующей марки щеток. Во многих случаях именно правильный выбор марки щеток определяет удовлетворительное протекание коммутационного процесса, что можно объяснить изменением электрических и механических свойств подобранной пары. Поэтому не случайно, что большинство исследователей связывают работу электрической машины в целом со свойствами СК.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что начало изучению свойств скользящего электрического контакта было положено К.И. Шенфером, И. Нейкирхеном. Дальнейшее развитие этот вопрос получил' в работах О.Г. Вегнера, М.Ф. Карасева, Б.Ф. Токарева, В.И. Толкунова, А.И. Скороспешкина, В.В. Фетисова, Г.А. Сипайлова, В.Д. Авилова, Р.Ф. Бекишева и ряда других авторов [1, 2, 17, 18, 23, 24, 30, 31, 40-44, 79, 9496, 100-102, 121]. Однако, из-за сложности взаимосвязей и многообразия явлений, сопровождающих прохождение тока в скользящем контакте в момент коммутации секций, проблема обеспечения высокой коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин до сих пор полностью не решена.

Повышение коммутационной устойчивости и ресурса коллекторных' электрических машин является приоритетной задачей для их разработчиков и изготовителей. Задача повышения ресурса КЩУ осуществляется по ряду основных направлений:

- путем разработки новых конструкций активных элементов электрических машин (индуктора и якоря), позволяющих оптимизировать их электромагнитную структуру;

- улучшение эксплуатационных свойств КЩУ за счет применения более совершенных материалов и конструктивных решений;

- правильный выбор большого числа параметров электромагнитной, электрофизической и механической природы, определяющих основные процессы преобразования энергии в электрических машинах, в том числе коммутационные и явления изнашивания CK.

В данной диссертационной работе в той или иной степени рассмотрены указанные выше способы улучшения коммутации коллекторных электрических машин и увеличения ресурса КЩУ.

Наиболее перспективным методом улучшения параметров электрических машин является их проектирование на основе в максимальной степени адекватных математических моделей с использованием современной вычислительной техники и специального программного обеспечения [13, 14, 21, 39, 51, 64, 67, 114]. Это позволяет еще на стадии проектирования выбирать значения основных конструктивных параметров электрической машины, оценивать ее коммутационные и ресурсные характеристики и, тем самым, избежать дорогостоящего изготовления и испытаний промежуточных конструктивных вариантов электрической машины.

Автором был проведен анализ существующего отечественного и зарубежного программного обеспечения для проектирования электрических машин (ANSYS, ELCUT, Motor-CAD, Spark, RMxprt и другие). Подавляющее большинство программ реализуют в себе только проектирование обмоток якоря, индуктора и решение полевых задач методом конечных элементов. Данные программы больше подходят для проектирования асинхронных, синхронных и бесколлекторных типов электрических машин, так как они совсем не учитывают такие параметры КЩУ, как профиль коллектора, мгновенное значение контактного давления, жесткость CK, влияние вибрационных воздействий на щетку со стороны подшипниковых узлов. Как показывают исследования различных авторов, в том числе и исследования автора, проведенные в ходе выполнения данной работы, механическое состояние КЩУ за время ресурса электродвигателя постоянно изменяется, оказывая влияние на коммутационные циклы электрической машины, поэтому представляется важным максимально полно учитывать механическое состояние КЩУ в конкретные моменты времени для точного расчета коммутации. В ряду вышеуказанных программ исключение составляет программа Spark производства компании LG Electronics. Данная программа содержит в себе модуль расчета коммутации, учитывающий такие параметры КЩУ, как мгновенное значение контактного давления и жесткость СК (алгоритм для данного модуля был разработан в ТПУ). Но данная программа не учитывает изменение механики КЩУ в период работы электрической машины, более того, данная программа все еще находится в разработке и недоступна широкому кругу пользователей. Таким образом, на сегодняшний день нет специализированного программного продукта для проектирования коллекторных машин, максимально учитывающего указанные выше параметры работы КЩУ.

Актуальной также является проблема исследования механического состояния КЩУ и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации коллекторных машин. Для диагностирования подшипниковых узлов широкое распространение получили методы вибрационной диагностики [11, 27, 29, 71, 99, 120], но они достаточно дороги в реализации и не лишены недостатков. Диагностирование же КЩУ, особенно в динамических режимах, развито слабо. Поэтому работы, проводимые на кафедре ЭПЭО ТПУ в области бесконтактного диагностирования профилей коллекторов и вибраций якорей в рабочих режимах, представляют научный и практический интерес.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка программных и технических средств для повышения ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электрических машин.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: создание математической модели изнашивания щеток универсальных коллекторных электрических машин, объединяющей в себе основные параметры, влияющие на изнашивание фрикционной, электроэрозионной и электрокоррозионной природы, а также учитывающей механическое состояние коллектора и подшипниковых узлов (ПУ), коммутационных процессов и других параметров работы СК в процессе наработки на ресурс; разработка программного обеспечения (ПО) для проведения виртуальных экспериментов, позволяющего оценить и отработать различные конструктивные решения основных элементов ЭМ и оптимизировать ряд параметров для повышения ресурса КЩУ универсальных электродвигателей; разработка методов и средств экспериментальных исследований механического состояния коллекторов и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации электрических машин; предложение путей по увеличению ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические и экспериментальные исследования процессов изнашивания элементов СК проведены на основе теории электрических машин,. теории фрикционной усталости и теории планирования эксперимента. Основные расчетные соотношения получены на базе экспериментальных исследований на реальных электрических машинах. Виртуальные эксперименты проводились на ЭВМ с помощью специализированного ПО, разработанного при участии автора. В процессе расчетов математических зависимостей и анализа данных применялись пакеты программ MATLAB, MathCAD, Excel, регрессионный анализ выполнен с помощью программы Table Curve. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в средах AVR Studio и Visual С++.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов диссертационной работы заключается в следующем: разработанная математическая модель (ММ) изнашивания щеток универсальных КЭМ в процессе наработки на ресурс впервые наиболее полно учитывает основные электрофизические свойства элементов CK и условия его функционирования, а также влияние контактной жесткости, профиля коллектора и вибрационных характеристик ПУ; предложен оригинальный метод определения поправочных коэффициентов к составляющим изнашивания электрических щеток на основе сочетания метода планирования виртуальных экспериментов и реальных ресурсных испытаний базовой электрической машины; созданы методы бесконтактных измерений профилей вращающихся элементов машин, а также линейных микроперемещений и вибраций контролируемых поверхностей, обладающие мировой новизной, отличительной особенностью которых является коррекция результатов измерений на основе тестового перемещения измерительного преобразователя; разработаны методы диагностирования механического состояния КЩУ и ПУ на основе специальной математической обработки массива измеренных в процессе работы электрической машины профилей коллекторов; созданы конструкции демпфированных обмоток якоря и индуктора с анизотропией магнитных свойств, обладающие мировым уровнем новизны и отличающиеся улучшенными коммутирующими свойствами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем: разработанное программное обеспечение (ПО) позволяет прогнозировать ресурс щеток в процессе проектирования и модернизации универсальных КЭМ с учетом максимального числа факторов, характеризующих работу СК (реальное состояние профиля коллектора и ПУ, технические характеристики традиционных и нетрадиционных конфигураций активной зоны и конструкций обмоток якоря); предложенные методы диагностирования механического состояния коллекторов и ПУ ЭМ обеспечивают снижение систематических погрешностей измерений, обусловленных различиями удельных электрических сопротивлений поверхностных слоев отдельных ламелей коллектора, разностью температур нагрева ламелей, неидентичностью расположения ламелей в корпусе коллектора, изменением скорости вращения объекта контроля, неточностью ориентации измерительного преобразователя (ИП) относительно контролируемой поверхности, а также внешними вибрационными воздействиями на объект контроля; разработанная методика анализа массива измеренных в процессе вращения профилей коллекторов на основе модифицированных выражений для расчета коэффициентов ряда Фурье позволяет осуществлять раздельную оценку вибрационных воздействий коллекторов и ПУ на механическую устойчивость СК как по мгновенным, так и по усредненным значениям параметров вибраций, что позволяет вырабатывать рекомендации относительно нормируемого профиля коллектора и его стабильности в процессе наработки на ресурс, а также о целесообразности использования тех или иных конструкций коллекторов и подшипниковых узлов; разработанные конструкции активных элементов электрической машины и выработанные рекомендации относительно величины давления в скользящем контакте щетка-коллектор позволяют достичь увеличения ресурса КЩУ универсальных электродвигателей до 40%.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии» (Томск, 2005-2008 гг.), международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии» (Томск, 2005,2007 гг.), «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2006 г.), «Неразрушающий контроль и диагностика» (Томск, 2008 г.), всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2006 г.), всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2007 г.), научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2006 г.), научно-практической конференции «Инновации в атомной отрасли: проблемы и решения» (Северск, 2007 г.), а также на научно-технических семинарах кафедр Электрических машин и Электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликована 31 печатная работа, в том числе 6 статей в журналах по списку ВАК, 6 патентов РФ на изобретения, 1 положительное решение по заявке на изобретение, 3 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 178 страниц, содержит 76 иллюстраций, 3 таблицы, список литературы из 123 наименования, 3 приложения на 13 страницах.

Выводы

1. Проведенные виртуальные ресурсные испытания электродвигателя Ьв УСЕ280Е02 с учетом изменения механического состояния КЩУ в процессе наработки на ресурс показали, что применение нажимного устройства с постоянной характеристикой нажатия на щетку и правильно подобранной его величиной обеспечивает увеличение ресурса щеток электродвигателя более чем на 10% в сравнении со штатным нажимным устройством со спадающей характеристикой нажатия. Это обеспечивается благодаря уменьшению величины электроэрозионного изнашивания щеток вследствие лучших условий контактирования щетки с коллектором в условиях прогрессирующего ухудшения механического состояния коллектора и ПУ.

2. Расчеты показывают, что предложенные конструкции демпфированных обмоток якоря позволяют снизить суммарную энергию искрения под щеткой электродвигателя ЬО УСЕ280Е02 (ип=1) на 41%, что обеспечивает увеличение ресурса щеток более чем на 9% .

3. Проведенные вычислительные исследования с использованием разработанного ПО показали, что применение предложенных конструкций демпфированных обмоток якоря особенно эффективно для ЭМ с ип>1, так как в данном случае происходит выравнивание коммутирующих ЭДС секций паза якоря, что уменьшает энергию, выделяемую под щеткой в виде искрения. Примером этому может служить анализ результатов, полученных при виртуальных исследованиях электродвигателя ПК 58.03-01 (ип=2) с предложенной конструкцией демпфированной обмотки якоря, позволившей снизить суммарную энергию искрения под щеткой на 91%.

4. Проведенные виртуальные исследования электрической машины ЬО УСЕ280Е02 показали, что предложенная конструкция индуктора с увеличенным магнитным сопротивлением в поперечном направлении позволяет добиться увеличения ресурса щеток рассмотренного электродвигателя более чем на 26% вследствие улучшенных условий коммутации секций якоря.

5. Проведенные виртуальные исследования по наработке электродвигателя Ьв УСЕ280Е02 на ресурс показали, что при совместном использовании предложенных технических решений (анизотропный индуктор, демпфированные обмотки якоря и нажимное устройство с постоянным нажатием величиной 3,1 Н) возможно увеличение ресурса щеток данного электродвигателя более чем на 40%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Создана математическая модель изнашивания щеток универсальных коллекторных электрических машин, учитывающая электрофизические параметры контактных материалов, основные факторы, характеризующие работу СК, коммутационную напряженность СК, определяемую электромагнитными параметрами коммутируемых секций якоря, а также состояние профиля коллектора и подшипниковых узлов в процессе эксплуатации, которая позволяет прогнозировать ресурс щеток на стадиях проектирования электрических машин и создания различных модификаций серийных изделий.

2. Предложена методика прогнозирования динамики механического состояния профиля коллектора и подшипниковых узлов в процессе наработки электрической машины на ресурс, основанная на регрессии результатов гармонического анализа полученных экспериментальных данных полиномом, позволяющая определять профиль коллектора и параметры вибраций якоря в подшипниках, для любого момента времени в процессе виртуальных ресурсных испытаний ЭМ.

3. Разработан метод определения поправочных коэффициентов к фрикционной, электрокоррозионной и электроэрозионной составляющим изнашивания щеток для различных модификаций базовой ЭМ на основе сочетания метода планирования виртуальных экспериментов и реальных ресурсных испытаний базовой ЭМ, позволяющий снизить погрешности расчетов изнашивания электрических щеток до 2-4%.

4. Созданы алгоритмы определения постоянного эквивалентного усилия в СК на заданном временном интервале, приближенного расчета КС на основе экспоненциальной аппроксимации исходной зависимости по трем точкам, а также оценки динамики электроэрозионной составляющей изнашивания щеток на заданном временном интервале, которые позволяют многократно сократить время виртуальных испытаний ЭМ на ресурс.

5. Разработаны конструкции демпфированных обмоток якоря и индуктора с анизотропией магнитных свойств, а также выработаны рекомендации относительно характеристики нажимного устройства щеткодержателя, позволяющие увеличить ресурс работы щеток ЭМ. Серия проведенных виртуальных ресурсных испытаний электродвигателя ЬО УСЕ280Е02 показала возможность повышения ресурса щеток у данной ЭМ до 40 % при использовании предложенных технических решений.

6. Разработаны методы бесконтактных измерений профилей вращающихся элементов машин и математической обработки результатов измерений, включающие процедуру коррекции результатов измерений, а также сепарацию массивов результатов измерений в динамических режимах на профиль и вибрации контролируемого объекта с последующим определением виброускорений, воздействующих на щетки, позволяющие повысить точность измерений (погрешности измерений снижаются на десятки процентов) и расширить функциональных возможности измерительных систем.

7. На основе более 11000 измерений профиля коллектора, выполненных в процессе ресурсных испытаний электродвигателя Ьй УСЕ280Е02, и их последующей математической обработки выявлено, что вибрационные воздействия якоря на щетки в среднем в 1,6 раза превышают аналогичные воздействия профиля коллектора, а средние значения ускорений, действующих на щетку как со стороны поверхности коллектора, так и со стороны якоря, возрастают более чем в 6 раз к концу ресурсных испытаний

ЭМ и достигают критических величин, приводящих к потере контакта щеток с большинством коллекторных пластин. Полученные результаты экспериментальных исследований механического состояния СК являются базовой информацией для разработки конструктивных мер по улучшению работы скользящего контакта подобных электрических машин.

1. Авилов, В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин постоянного тока / В. Д. Авилов. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 237 с.

2. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976.-278 с.

3. Адлер, Ю. П. Введение в планирование эксперимента. — М.: Металлургия, 1969. — 155 с.

4. Арсентьев, О. В. Оптимизация работы скользящего контакта коллекторной электрической машины / О. В. Арсентьев, С. И. Качин //

5. Тезисы докладов краев. научно-технической конференции

6. Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов электропотребления". — Красноярск, 1988, с. 94-95.

7. Арсентьев, О. В. Расчет сопротивлений коллекторно-щеточного узла с учетом упругих свойств скользящего контакта / О. В. Арсентьев, С. И. Качин // Рукопись представлена Томск, политехи, ин-том. Деп. в Информэлектро 9 июля 1986, № 405-эт. 13 с.

8. A.C. 1228174 (СССР). Способ измерения износа коллекторов и контактных колец электрических машин./ Бекишев Р.Ф., Данекер В.А., Качин С.И. Опуб. в Б.И. № 16, 1986.

9. Барков, А. В. Диагностика и прогнозирование технического состояния подшипников качения по их виброакустическим характеристикам / А.

10. B. Барков // Судостроение. 1985. - № 3. - С. 21-23.

11. Бекишев, Р. Ф. Демпфированные обмотки коллекторных электрических машин с повышенными коммутирующими свойствами / Р. Ф. Бекишев,

12. C. И. Качин, В. Г. Кошкин // Тезисы докладов научно-технической (подотраслевой) конференции "Проблемы электромашиностроения". JL:

13. ВНИИэлектромаш, 1991, с. 172.

14. Бекишев, Р. Ф. Исследование физических свойств скользящего контакта коллекторных электрических машин. Дис. на соиск. учен, степени канд.техн.наук. Томск, ТПИ, 1969. 197 с.

15. Бекишев, Р. Ф., Качин, С. И. Электрические свойства скользящего контакта из углеродных материалов и их влияние на коммутацию. — В сб. Исследование специальных электрических машин и машинно-вентильных систем. Томск, 1984, с. 109-114.

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

17. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурсов машин и конструкций / В. В. Болотин. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

18. Бромберг, Э. М. Тестовые методы повышения точности измерений / Э. М. Бромберг, К. JI. Куликовский. М.: Энергия, 1978, 176 с.

19. Вегнер, О. Г. Теория и практика машин постоянного тока / О. Г. Вегнер. -М.: Госэнергоиздат, 1961. 272 с.

20. Вегнер, О. Г. Расчет процесса коммутации машин постоянного тока при помощи ЭЦВМ // Изв. вузов. Электромеханика, 1966, № 4, с. 400-409.

21. Герасимов, В. Г. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий / В. Г. Герасимов. М.: Энергия, 1983. - 272 с.

22. Гемке, Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. JL:1. Энергия, 1969.-272 с.

23. Гольдин, А. С. Вибрация роторных машин / А. С. Гольдин. — М.: Машиностроение, 2000. — 344 с.

24. Григорьев, А. В. Диагностика в технике. Понятия, цели, задачи / А. В. Григорьев, В. Н. Осотов // Электротехника. 2003. - № 4. — С. 46-51.

25. Дайерд, Стюарт Р. Обнаружение повреждений подшипников качения путем статистического анализа вибраций : Конструирование и технология машиностроения / Пер. с англ. М.: Мир, 1978, — Т. 100. -№2.-С. 23-31.

26. Данекер, В. А. Коммутирующие свойства контакта и коммутационная напряженность электрических машин малой мощности с углеродными коллекторами. Дисс. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Томск, 1981 (ТЛИ). — 218 л. : ил.

27. Данекер, В. А. Высокотехнологичные токопроводящие композиционные материалы в электромашиностроении / В. А. Данекер, С. И. Качин // Тезисы докладов первой Международной конференции по электромеханике и электротехнологии. Суздаль, 1994, с. 15.

28. Денисов, В. А. Устройства для контроля механических факторов коммутации коллекторных электрических машин / В. А. Денисов, В. Е. Шатерников // Электротехника. 1971. - № 5. — С. 29-32.

29. Дридзо, М. Л. Исследование радиальных механических колебании щеток электрических машин / М. Л. Дридзо, И. Ю. Глебова // Электротехника. 1984. - № 8. - С. 11-13.

30. Дридзо, М. Л. Исследование трения при радиальных колебаниях щеток электрических машин / М. Л. Дридзо, О. С. Темиш, И. Ю. Глебова // Трение и Износ.- 1983.-№ 1.-С. 164-166.

31. Ермолин, Н. П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1975. 296 с.

32. Ермолин, Н. П. Надежность электрических машин / Н. П. Ермолин, И. П. Жерихин. Л.: Энергия, 1976. - 248 с.

33. Зиннер, Л. Я. Исследование влияния механических факторов на коммутацию коллекторных электрических машин / Л. я. Зиннер, А. И. Ско-роспешкин, Э. К. Дамм // Известия ТПИ. 1968. - Т. 190. - С. 247-256.

34. Изоботенко, Б. А. Планирование эксперимента в электромеханике / Б. А. Изоботенко, Н. Ф. Ильинский, И. П. Копылов. — М.: Энергия, 1975. 184 с.

35. Калинин, М. С. Расчет и наладка коммутации машин постоянного тока на основе новых инструментальных средств моделирования и управления: Автореф. дис. канд. техн. наук. Воронеж, гос. техн. ун-т, Воронеж, 2004. 18 с.

36. Карасев, М. Ф. Основная причина искрения щеток машин постоянного тока / М. Ф. Карасев, В. Н. Козлов, В. И. Тимошина // Коммутация машин постоянного тока: Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1970. Т. 112. Выпуск 1. С. 5-12.

37. Карасев, М. Ф. Влияние щеточного контакта на процесс коммутации в машинах постоянного тока / М. Ф. Карасев, Н. Ф. Коцарев // Материалы V всесоюзной конференции по коммутации электрических машин / Омский ин-т инж. ж.д. трансп. Омск, 1976г. С. 5-8.

38. Карасев, М. Ф. К вопросу об искрении на набегающем крае щеток / М. Ф. Карасев, Н. Ф. Коцарев, А. М. Трушков // Коммутация коллекторных электрических машин (теория и практика): Науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1972. Т. 133. С. 123-127.

39. Карасев, М. Ф. Влияние температуры на величину падения напряжения в щеточном контакте и на условия коммутации / М.Ф. Карасев, В.А. Серегин, Б.М. Туркин // Научные труды ОмНИИТа. Т.88. Омск, 1968, вып.2, с.54-64.

40. Копылов, И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. М.: Логос, 2000. 607 с.

41. Костенко, М. П. Электрические машины: Т. 1 / М. П. Костенко, Л. М. Пиотровский. — Л.: Энергия, 1972. 544 с.

42. Качин, О. С. Диагностирование механического состояния коллекторнощеточного узла высокоскоростной электрической машины в процессе ресурсных испытаний / О. С. Качин // Известия Томского политехнического университета. — 2007. — Т. 311. — № 4. С. 118-122.

43. Качин, О. С. Методика определения вибрационных параметров работы подшипниковых узлов для бесконтактных измерительных систем / О. С. Качин // Известия Томского политехнического университета. 2008. — Т. 312,-№2.-С. 349-352.

44. Качин, О. С. Методика определения профиля коллектора в динамических режимах работы электрических машин / О. С. Качин // Материалы науч.-практ. конф. «Инновации в атомной отрасли: проблемы и решения». — Северск, 2007. — С. 33.

45. Качин, О. С. Прогнозирование ресурса щеток коллекторных электрических машин / О. С. Качин // Тезисы докладов XVII науч.-техн. конф. «Электронные и электромеханические системы и устройства», ФГУП НПЦ «Полюс». Томск, 2006. - С. 158-160.

46. Качин, О. С. Комплекс дистанционного контроля механического состояния формы и размеров ответственных элементов машин имеханизмов / О. С. Качин, Ю. С. Боровиков, В. Ю. Саблуков // Оборудование. Регион. -2005. -№ 2 (10). С. 16-17.

47. Качин, О. С. Микропроцессорная система управления коллекторным двигателем / О. С. Качин, М. А. Нечаев // Труды VI Всероссийской науч.-практ. конф. «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве». Новокузнецк: СибГИУ, 2007. - С. 228 - 229.

48. Качин, С. И., Боровиков Ю.С., Качин О.С. Повышение ресурсных характеристик скользящего контакта коллекторных машин электроприводов / С. И. Качин, Ю. С. Боровиков, О. С. Качин // Изв. Вузов. Электромеханика. 2006. - №3 - С. 8-13.

49. Качин, С. И. Анализ коммутирующих свойств обмоток якорей электроприводов на завершающей стадии процесса коммутации / С. И. Качин, Ю. С. Боровиков, О. С. Качин, В. Ю. Саблуков, Е. Н. Клыжко //

50. Известия Томского политехнического университета. — 2005. —Т.308. — № 7. —С.41-44.

51. Качин, С. И. Расчет изнашивания щеток коллекторных электрических машин / С. И. Качин, О. С. Качин // Материалы международной науч.-техн. конф. «Электромеханические преобразователи энергии». — Томск, 2005.-С. 74-77.

52. Кончиц, В. В. Триботехника электрических контактов / В. В. Кончиц, В. В. Мешков, Н. К. Мышкин. Минск: Наука и техника, 1986. - 256 с.

53. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин : учебник / И. П. Копылов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 2001. — 327 с.

54. Крагельский, И. В. Трение и износ. -М.¡Машиностроение, 1968. 480с.

55. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977.-526 с.

56. Крагельский, И. В. Площадь касания шероховатых поверхностей. В кн.:71