автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки технического состояния коллектора электрических машин постоянного тока

На правах рукописи

Ахунов Данил Асгатович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.01 - «Электромеханика и электрические аппараты»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013 005542972

ОМСК 2013

005542972

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))», кафедра «Электрические машины и общая электротехника».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Харламов Виктор Васильевич.

Официальные оппоненты: Бубнов Алексей Владимирович, доктор

технических наук, доцент, Омский государственный технический университет, кафедра ЭсПП, профессор.

Руппель Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент, Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия, кафедра АППиЭ, профессор.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.178.03 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050 РФ, г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «24» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу диссертационного совета ДМ 212.178.03.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Во многих областях народного хозяйства, где наряду с необходимостью плавного регулирования скорости требуются хорошие пусковые свойства и большая перегрузочная способность, на сегодняшний день незаменимыми остаются электроприводы на основе коллекторных электрических машин постоянного тока (МПТ). МПТ большой и средней мощности применяются в железнодорожном и городском электротранспорте, металлургической и бумажной промышленности, в подъемно-крановых установках различных производств и др. отраслях. Универсальные коллекторные электрические машины малой мощности нашли применение в медицине, бытовых электроприборах, ручном электроинструменте и т. д.

Основным интегральным показателем, характеризующим работу любого электромеханического преобразователя, является надежность. Надежность коллекторной электрической машины в целом зависит от технического состояния отельных наиболее ответственных элементов, входящих в её состав. Одним из таких элементов МПТ является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). Многочисленные исследования показали, что более 30 % отказов в условиях эксплуатации МПТ общепромышленного применения происходят из-за неисправностей КЩУ.

Процесс коммутации в МПТ является сложным процессом, оказывающим существенное влияние на техническое состояние КЩУ, и, следовательно, на надежность электрической машины в целом. Вопросами повышения коммутационной устойчивости занимались различные научные коллективы под руководством М. Ф. Карасева, О. Г. Вегнера, Р. Ф. Бекишева, В. Д. Авилова, А. А. Козлова, А. С. Курбасова, А. И. Скороспешкина, Г. А. Сипайлова, Э. К. Стрельбицкого, В. В. Харламова, Ш. К. Исмаилова, С. И. Качина и многих других.

Устойчивость взаимодействия щетки с коллектором является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс коммутации в МПТ. Потеря стабильности этого контакта в реальных условиях эксплуатации может быть обусловлена рядом причин, которые зачастую носят случайный характер. В результате этого коммутация в различные моменты времени будет проходить в различных условиях, что приводит к неидентичности коммутационных циклов. Многочисленные опьггы, а также эксплуатация МПТ, показали, что если неидентичность коммутационных циклов, вызванная электромагнитными факторами более или менее стабильна, то неидентичность, обусловленная причинами механической природы, не только неравномерна по коллектору, но и значи-

тельно изменяется во времени. Это может привести к значительному износу КЩУ и, как следствие, отказу МПТ.

Таким образом, совершенствование методов контроля основных механических факторов, определяющих работу скользящего контакта коллекторных электрических машин, является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Повышение качества и экономичности работы электромеханических преобразователей и устройств. Разработка методов исследования и средств диагностирования и контроля» ГБЗ 116 № ГР 01.9.60000796.

Цель работы - совершенствование методов и средств оценки технического состояния коллектора для обеспечения работоспособности электрических машин постоянного тока.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих методов и средств контроля профиля коллектора МПТ, обосновать преимущества и выявить недостатки известных методов;

- провести теоретические и экспериментальные исследования влияния профиля коллектора на стабильность контакта «щетка-коллектор» и выявить диагностические параметры для оценки состояния профиля коллектора электрических машин;

— определить диагностическую ценность параметров, характеризующих состояние профиля коллектора, и сформировать эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать влияние профиля коллектора на процесс коммутации;

— определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на результат измерения параметров профиля коллектора, и получить уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора электрических машин;

— разработать алгоритм обработки данных, позволяющий повысить достоверность и помехоустойчивость контроля профиля коллектора электрических машин;

- предложить аппаратно-программный комплекс для оценки технического состояния КЩУ МПТ, определить его технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены уравнения регрессии для диагностических параметров профиля коллектора, характеризующих его техническое состояние, позволяющие оценить влияние диагностических параметров на стабильность контакта в КЩУ.

2. Определено эффективное множество диагностических параметров, обладающих наибольшей диагностической ценностью, для оценки воздействия профиля коллектора на состояние коммутации МПТ.

3. Разработан алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.

4. Получено уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом, позволяющее при известных параметрах коллектора исследуемой МПТ определять величину требуемого зазора между датчиком и поверхностью коллектора для достижения заданной точности результатов измерений.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенное множество диагностических параметров позволяет повысить достоверность оценки профиля коллектора МПТ.

2. Сформированная методика оценки состояния рабочей поверхности коллектора, основанная на непрерывном аналогово-цифровом преобразовании данных, полученных от измерительной схемы прибора контроля профиля коллектора, позволяет оценивать профиль в широком диапазоне частот вращения якоря МПТ.

3. Предложенная методика определения величины методической погрешности вихретокового способа контроля профиля коллектора на основе регрессионной модели позволяет учитывать параметры и режимы работы МПТ при диагностировании технического состояния коллектора.

4. Разработанный аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенную методику и алгоритм исследования профиля коллектора, позволяет определять диагностические параметры для оценки технического состояния коллектора при наличии внешних помех от источников с тиристорными преобразователями.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия щетки и коллектора в МПТ проведены на основе теории электрических машин, теории информации, теории планирования эксперимента, а также статистических методов проверок гипотез. В процессе расчета математических зависимостей и анализа данных применялись математическая программа MathCAD, электронные таблицы Excel. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в среде Borland С++ Builder. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной модельной установке, действующих лабораторных установках кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного уни-

верситета путей сообщения, а также на действующем испытательном стенде локомотивного ремонтного депо.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние диагностических параметров, характеризующих техническое состояние профиля коллектора, на стабильность контакта в КЩУ.

2. Эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать возможность нарушения контакта «щетка-коллектор».

2. Регрессионная модель для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом.

3. Алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора электрических МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.

Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы обеспечивается корректным использованием основных положений теории электрических машин, обоснованным применением методов математического моделирования и подтверждается экспериментальной проверкой, сходимостью результатов автора с данными экспериментов других исследователей. При статистической проверке гипотез принят пятипроцентный уровень значимости.

Реализация результатов работы. Метод оценки состояния рабочей поверхности коллектора МПТ, программное обеспечение, реализующее анализ профиля коллектора предложенным методом, а также разработанная методика определения величины методической погрешности при контроле профиля коллектора вихретоковым методом используются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа. Аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенные методики, внедрен в ООО «РМЗ «Газпромнефть-ОНПЗ» и используется в цехе по ремонту электрооборудования при проведении приемо-сдаточных испытаний МПТ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XVI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2010); на научно-практической конференции с международным участием «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); на международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт —2012» (Ростов-на-Дону, 2012); на всероссийской научно-технической конференции с международным участием

«Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 16 научных работах, в том числе четырех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, одном патенте РФ на полезную модель, трех свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 102 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая 16 таблиц и 67 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описывается состояние проблемы, обосновывается актуальность проводимых исследований, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе проведен анализ существующих методов контроля профиля поверхностей и известных способов контроля профиля коллектора в динамике.

Анализ существующих методов и средств контроля профиля поверхности показал, что благодаря высокой стабильности результатов измерения, высокой точности, а также простоте реализации для контроля профиля коллектора МПТ наиболее приемлемым является вихретоковый метод контроля. Существующие способы динамического контроля профиля коллектора МПТ позволяют регистрировать истинный профиль с малой степенью достоверности, поэтому для каждого конкретного случая необходимо использовать способ, обеспечивающий наименьшие искажения профиля.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи диссертационного исследования.

Во втором разделе проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния профиля коллектора на стабильность контакта «щетка-коллектор» и определены диагностические параметры для оценки состояния профиля коллектора электрических машин.

Для анализа влияния профиля коллектора на стабильность механического контакта в КЩУ МПТ составлена расчетная схема механической системы, подобной КЩУ МПТ (рис. 1). Система описывается дифференциальным уравнением:

где тщ — масса щетки; 2(1) - обобщенная координата; Щ1) — сила действия рычага на щетку; Р~упрка„т - упругая сила в контакте

щетки и коллекторной пластины; Fmp{t)- сила трения между щеткой и коллекторной пластиной; /} - коэффициент вязкого сопротивления в контакте щетки и окна щеткодержателя.

Воздействие неровностей поверхности коллектора на стабильность контакта рассмотрено на примере реальных профилей коллекторов тяговых электродвигателей (ТЭД) ТЛ-2К1. Профилограмма коллектора с номером якоря 517, представленная на рис. 2, получена при проведении приемосдаточных испытаний тягового электродвигателя после ремонта в локомотивном депо.

Рис. 1. Расчетная схема КЩУ

Рис. 2. Профиль коллектора ТЭД ТЛ-2К1 №517

Произведено разложение функции профиля коллектора ¡¡О), заданной на

кТ

промежутке 0<1<Т в дискретной системе точек Гк =— (к=0,1.....N-1), в виде

N

тригонометрического многочлена:

% Т)

, ■ V* а„ (2л га

+ Ь БШ 2Л- +—С05 -

I т) 2 V Т

(2)

2 л

где Т =--время одного оборота якоря ТЭД; N — число коллекторных пластин; V — порядок гармоники восстановленного сигнала.

Представление профиля в виде полигармонического многочлена позволяет исследовать влияние отдельных гармонических составляющих на характер взаимодействия щетки и коллектора.

кальность измерительного преобразователя прибора не вносит существенной погрешности. Результирующая погрешность определена как разность относительных высот ламелей, измеренных при минимальном зазоре и частоте вращения ПД.

В результате обработки полученных экспериментальных данных получено следующее уравнение регрессии:

у = 13,503 - 8,705х, + 18,806х3 - 14,331х,х3 + 9,618x1 (6)

Адекватность полученной модели оценивалась при помощи /-критерия

Стьюдента и /-"-критерия Фишера (Рр = 3,397; Гт = 4,74; Рр < Рт). Поверхность отклика представлена на рис. 9.

Переходя от кодированных хь х3 значений факторов к натуральным Ь, <5, получена зависимость погрешности при определении профиля коллектора от ширины ламелей и величины зазора между датчиком и поверхностью коллектора:

А = -59.889 + 17.880 ■ Ь + 1,133 • й - 0.409 ■ Ь ■ д + 0,008 - З2 _ (7)

Полученное уравнение регрессии позволяет при известных параметрах коллектора исследуемой МПТ определять величину требуемого зазора между датчиком и поверхностью коллектора для достижения поставленной точности результатов измерений.

В четвертом разделе проведен анализ возможности использования непрерывного аналого-цифрового преобразования сигнала от коллекторных пластин для формирования функции профиля коллектора и разработан алгоритм медианной фильтрации цифрового сигнала.

Предложено сигнал с выхода измерительной схемы прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М непрерывно оцифровывать при помощи быстродействующего аналого-цифрового преобразователя с высокой частотой дискретизации и последующей программной обработкой полученных данных.

Для уменьшения импульсных помех, возникающих, например, при питании исследуемой МПТ от источника с тиристорным преобразователем (рис. 10), предложено исходные данные, полученные от схемы измерения, после аналогово-цифрового преобразования подвергать медианной фильтрации.

Рис. 9. Зависимость погрешности измерения от величины зазора и ширины коллекторных пластин

На рис. 16 представлены результаты гармонического анализа и расчета эффективного множества диагностических параметров профиля коллектора исследуемой МПТ. Функция профиля коллектора представлена в одной системе координат с графиком изменения второй производной функции профиля коллектора по всей длине окружности коллектора.

If Ю vedmSod

дкагмостмчесхие параметры

t. Мимхмвпыюе знач. второй произв.. -1.269 «i

2. СКО второй прсжэвоаноЯ" 0.427

3. Дойств. знач. высш. гари : 0.822

'Проажгк. коялвктора в уповпатворитогьном

Рис. 16. Окно расчета диагностических параметров ТЭД ЭД-106 приложения

РКР Median Soft

Определена технико-экономическая эффективность использования предложенного аппаратно-программного комплекса при проведении приемосдаточных испытаний в локомотивном депо и установлено, что экономический эффект составит 226 тыс. руб. за 10 лет. Срок окупаемости инвестиций составит гри года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате анализа существующих методов и средств контроля профиля поверхностей подтверждена целесообразность использования вихретоко-вого метода для контроля профиля коллектора машин постоянного тока.

2. На основе составленной расчетной схемы и сформированной математической модели КЩУ МПТ, а также экспериментальных исследований влияния профиля коллектора на стабильность контакта в КЩУ, определен набор параметров для оценки состояния профиля коллектора.

3. В результате расчета диагностической ценности параметров выявлено эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать возможность нарушения контакта «щетка-коллектор». Наиболее информативными диагностическими параметрами являются минимальное значение второй производной функции профиля коллектора, а также действующее значение

Д. А. Ахунов и др. // Известия Транссиба. - 2013. - Вып. 1(13). - С. 42 - 48. В прочих изданиях:

5. Ахунов Д. А. Оценка состояния профиля коллектора тяговых электродвигателей / Д. А. Ахунов, А. В. Долгова // Современные техника и технологии: Сб. тр. XVI междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Томский политехи, ун-т. - Томск, 2010. - С. 418 - 420.

6. Комплексная оценка состояния профиля коллектора тягового электродвигателя / В. В. Харламов, Д. А. Ахунов и др. // Трансвуз-2010. Инновации для транспорта: Сб. науч. ст. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. — Ч. 2. - С. 27 - 32.

7. Ахунов Д. А. Совершенствование метода оценки состояния профиля

коллектора машин постоянного тока / Д. А. Ахунов, П. К. Шкодун, А. В.

Ерошенко //Молодойученый.-2011.-Вып. 3 (26).Т. [.-С.91 -96.

8. Харламов В. В. Использование непрерывного аналогово-цифрового преобразования для контроля профиля коллектора машин постоянного тока /

B. В. Харламов, П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. -

C. 54-58.

9. Харламов В. В. Оценка методической погрешности контроля профиля коллектора электрических машин с помощью прибора ПКП-4М / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2012» / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2012. -Ч. 1.-С. 423 - 425.

10. Выбор диагностических параметров для комплексной оценки состояния профиля коллектора тягового электродвигателя / В.В.Харламов, Д. А. Ахунов и др. // Электрика / Юго-Западный гос. ун-т. - Курск, 2012. -Вып. 10.-С. 10-11.

11. Шкодун П. К. Выбор диагностических параметров для оценки влияния профиля коллектора на процесс коммутации коллекторных электрических машин / П. К. Шкодун, Р. В. Сергеев, Д. А. Ахунов // Инновационные факторы развитая Транссиба на современном этапе: Материалы науч.-практ. конф. / Сибирский гос. ун-т путей сообщения. - Новосибирск, 2012. - С. 373 -375.

12. Выбор диагностических параметров для оценки влияния профиля коллектора на процесс коммутации в тяговых электродвигателях / В. В. Харламов, Д. А. Ахунов и др.// Эксплуатационная надежность локомотивно-

го парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. науч,-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2012. -С. 51 — 57.

Патенты и свидетельства о регистрации:

13. Пат. 108833 РФ, МПК С01В 7/28. Прибор контроля профиля коллектора машин постоянного тока/В. В. Харламов, Д. А. Ахунов и др. // Заявлено 08.06.2011; Опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27. - 3 е.: ил.

14. Программа для построения и анализа профилограммы коллектора машины постоянного тока / П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов и др.//Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613625 от 11.04.2013.

15. Программа для сопоставления данных относительных высот коллекторных пластин машины постоянного тока при несинхронизированных начальных точках отсчета /П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов и др. //Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613654 от 11.04.2013.

16. Программа для фильтрации и обработки сигнала прибора контроля профиля коллектора машины постоянного тока ПКП-4М / П. К. Шкодун, Д. А. Ахунов и др. //Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013614815 от 22.05.2013.

Личный вклад автора.

Одна работа написана автором единолично [3]. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит: анализ статистических данных, полученных при исследовании профиля коллектора тяговых электродвигателей ТЛ-2К1 [5, 6]; определение диагностических параметров для оценки состояния профиля коллектора электрических машин постоянного тока [1, 10 — 12]; получение регрессионного уравнения для оценки погрешности вихретокового метода контроля профиля коллектора [2, 9]; разработка алгоритма медианной фильтрации сигнала профиля коллектора, предложение методики выбора величины апертуры медианного фильтра, позволяющей снизить погрешность при осуществлении фильтрации сигнала профиля коллектора [4, 7, 8]; разработка схемных решений блока формирования импульсов считывания прибора контроля профиля коллектора ПКП-4М [13]; разработка алгоритмов работы компьютерных приложений [14 — 16].

Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 110 экз. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

На правах рукописи

04201455032

Ахунов Данил Асгатович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Харламов Виктор Васильевич

ОМСК 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА...................................................10

1.1 Анализ существующих методов контроля профиля поверхностей...................10

1.2 Анализ способов контроля профиля коллектора в динамике.............................19

1.3 Выводы.....................................................................................................................22

1.4 Постановка задач исследования............................................................................23

2 ВЫБОР ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА НА КОММУТАЦИЮ В МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА...............................................................................................24

2.1 Статистический анализ технического состояния коллектора машин постоянного тока...........................................................................................................25

2.2 Анализ влияния профиля коллектора на стабильность механического контакта в коллекторно-щеточном узле машин постоянного тока..........................................30

2.3 Определение диагностических параметров, характеризующих влияние профиля коллектора на процесс коммутации............................................................44

2.4 Определение диагностической ценности параметров при обследовании коллекторных электрических машин серии 2П.........................................................52

2.5 Определение диагностической ценности параметров при обследовании тяговых электродвигателей ТЛ-2К1............................................................................59

2.6 Выводы.....................................................................................................................64

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. 66

3.1 Анализ факторов, влияющих на результат измерения диагностических параметров профиля коллектора.................................................................................66

3.2 Экспериментальная установка для проведения исследований..........................68

3.3 Оценка адекватности уравнения регрессии..........................................................74

3.4 Выводы.....................................................................................................................81

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН..........................................................82

4.1 Способ определения максимальных значений сигнала от коллекторных пластин при помощи формирователя импульсов считывания.................................82

4.2 Анализ возможности использования непрерывного аналого-цифрового преобразования при выделении профиля из измерительного сигнала от коллекторных пластин..................................................................................................87

4.3 Повышение помехоустойчивости вихретокового метода контроля профиля коллектора......................................................................................................................94

4.3.1 Природа возникновения импульсных помех в измерительном сигнале вихретокового профилометра......................................................................................95

4.3.2 Применение медианного фильтра для уменьшения амплитуды импульсных помех .............................................................................................................................96

4.4 Выводы...................................................................................................................101

5 РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.....102

5.1 Разработка структурной схемы цифрового регистратора прибора ПКП-4М. 103

5.2 Разработка алгоритма программной обработки экспериментальных данных, полученных от ПКП-4М.............................................................................................104

5.3 Оценка технико-экономической эффективности использования предложенного аппаратно-программного комплекса.........................................................................107

5.3.1 Методика оценки экономической эффективности.........................................108

5.3.2 Определение экономического эффекта от улучшения коммутации.............111

5.3.3 Расчет дополнительных эксплуатационных затрат на диагностирование... 114

5.3.4 Определение показателей экономической эффективности...........................115

5.4 Выводы...................................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................120

Приложение 1. Документы, подтверждающие внедрение диссертационной работы...........................................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Во многих областях народного хозяйства, где наряду с необходимостью плавного регулирования скорости требуются хорошие пусковые свойства и большая перегрузочная способность, на сегодняшний день незаменимыми остаются электроприводы на основе коллекторных электрических машин постоянного тока (МПТ). МПТ большой и средней мощности применяются в железнодорожном и городском электротранспорте, металлургической и бумажной промышленности, в подъемно-крановых установках различных производств и др. отраслях [77]. Универсальные коллекторные электрические машины малой мощности нашли применение в медицине, бытовых электроприборах, ручном электроинструменте [79] и т. д.

Основным интегральным показателем, характеризующим работу любого электромеханического преобразователя, является надежность [21-23, 26, 32]. Надежность коллекторной электрической машины в целом зависит от технического состояния отельных наиболее ответственных элементов, входящих в её состав. Одним из таких элементов МПТ является коллекторно-щеточный узел (КЩУ). Многочисленные исследования показали, что более 30 % отказов в условиях эксплуатации МПТ общепромышленного применения происходят из-за неисправностей КЩУ.

Процесс коммутации в машинах постоянного тока является сложным процессом, оказывающим существенное влияние на техническое состояние КЩУ, и, следовательно, на надежность электрической машины в целом. Вопросами повышения коммутационной устойчивости занимались различные научные коллективы под руководством М. Ф. Карасева, О. Г. Вегнера, Р. Ф. Бекишева, В. Д. Авилова, А. А. Козлова, А. С. Курбасова, А. И. Скороспешкина, Г. А. Сипайлова, Э. К. Стрельбицкого, В. В. Харламова, Ш. К. Исмаилова, С. И. Качина и многих других.

Устойчивость взаимодействия щетки с коллектором является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс коммутации в МПТ. Потеря стабильно-

сти этого контакта в реальных условиях эксплуатации может быть обусловлена рядом причин, которые зачастую носят случайный характер. В результате этого коммутация в различные моменты времени будет проходить в различных условиях, что приводит к неидентичности коммутационных циклов. Многочисленные опыты, а также эксплуатация МПТ, показали, что если неидентичность коммутационных циклов, вызванная электромагнитными факторами более или менее стабильна, то неидентичность, обусловленная причинами механической природы, не только неравномерна по коллектору, но и значительно изменяется во времени [3, 4]. Это может привести к значительному износу КЩУ и, как следствие, отказу МПТ.

Таким образом, совершенствование методов контроля основных механических факторов, определяющих работу скользящего контакта коллекторных электрических машин, является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Повышение качества и экономичности работы электромеханических преобразователей и устройств. Разработка методов исследования и средств диагностирования и контроля» ГБЗ 116 № ГР 01.9.60000796.

Цель работы - совершенствование методов и средств оценки технического состояния коллектора для обеспечения работоспособности электрических машин постоянного тока.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

- провести анализ существующих методов и средств контроля профиля коллектора МПТ, обосновать преимущества и выявить недостатки известных методов;

- провести теоретические и экспериментальные исследования влияния профиля коллектора на стабильность контакта «щетка-коллектор» и выявить диагностические параметры для оценки состояния профиля коллектора электрических машин;

- определить диагностическую ценность параметров, характеризующих состояние профиля коллектора, и сформировать эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать влияние профиля коллектора на процесс коммутации;

- определить факторы, оказывающие наибольшее влияние на результат измерения параметров профиля коллектора, и получить уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора электрических машин;

- разработать алгоритм обработки данных, позволяющий повысить достоверность и помехоустойчивость контроля профиля коллектора электрических машин;

- предложить аппаратно-программный комплекс для оценки технического состояния КЩУ МПТ, определить его технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены уравнения регрессии для диагностических параметров профиля коллектора, характеризующих его техническое состояние, позволяющие оценить влияние диагностических параметров на стабильность контакта в КЩУ.

2. Определено эффективное множество диагностических параметров, обладающих наибольшей диагностической ценностью, для оценки воздействия профиля коллектора на состояние коммутации МПТ.

3. Разработан алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.

4. Получено уравнение регрессии для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом, позволяющее при известных параметрах коллектора исследуемой МПТ определять величину требуемого зазора между датчиком и поверхностью коллектора для достижения заданной точности результатов измерений.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложенное множество диагностических параметров позволяет повысить достоверность оценки профиля коллектора МПТ.

2. Сформированная методика оценки состояния рабочей поверхности коллектора, основанная на непрерывном аналогово-цифровом преобразовании данных, полученных от измерительной схемы прибора контроля профиля коллектора, позволяет оценивать профиль в широком диапазоне частот вращения якоря МПТ.

3. Предложенная методика определения величины методической погрешности вихретокового способа контроля профиля коллектора на основе регрессионной модели позволяет учитывать параметры и режимы работы МПТ при диагностировании технического состояния коллектора.

4. Разработанный аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенную методику и алгоритм исследования профиля коллектора, позволяет определять диагностические параметры для оценки технического состояния коллектора при наличии внешних помех от источников с тиристорными преобразователями.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия щетки и коллектора в машинах постоянного тока проведены на основе теории электрических машин, теории информации, теории планирования эксперимента, а также статистических методов проверок гипотез. В процессе расчета математических зависимостей и анализа данных применялись математическая программа MathCAD, электронные таблицы Excel. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в среде Borland С++ Builder. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанной модельной установке, действующих лабораторных установках кафедры «Электрические машины и общая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения, а также на действующем испытательном стенде локомотивного ремонтного депо.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Регрессионные зависимости, позволяющие оценить влияние диагностических параметров, характеризующих техническое состояние профиля коллектора, на стабильность контакта в КЩУ.

2. Эффективное множество диагностических параметров, позволяющих оценивать возможность нарушения контакта «щетка-коллектор».

3. Регрессионная модель для оценки погрешности измерения профиля коллектора вихретоковым методом.

4. Алгоритм цифровой обработки сигнала профиля коллектора электрических МПТ, позволяющий контролировать его техническое состояние с использованием предложенного множества диагностических параметров.

Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы обеспечивается корректным использованием основных положений теории электрических машин, обоснованным применением методов математического моделирования и подтверждается экспериментальной проверкой, сходимостью результатов автора с данными экспериментов других исследователей. При статистической проверке гипотез принят пятипроцентный уровень значимости.

Реализация результатов работы. Метод оценки состояния рабочей поверхности коллектора МПТ, программное обеспечение, реализующее анализ профиля коллектора предложенным методом, а также разработанная методика определения величины методической погрешности при контроле профиля коллектора вихретоковым методом используются в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа. Аппаратно-программный комплекс, реализующий предложенные методики, внедрен в ООО «РМЗ «Газпромнефть-ОНПЗ» и используется в цехе по ремонту электрооборудования при проведении приемо-сдаточных испытаний МПТ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на XVI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2010); на научно-практической конференции с международным участием «Инновации

для транспорта» (Омск, 2010); на международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2012» (Ростов-на-Дону, 2012); на всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012).

Личный вклад автора. Автор принимал участие в планировании, проведении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации полученных результатов, разработке оригинальных программных продуктов. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 16 научных работах, в том числе четырех статьях в изданиях, рекомендованных ВАК Минобр-науки России, одном патенте РФ на полезную модель, трех свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 102 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 133 страницы, включая 16 таблиц и 67 рисунков.

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Одним из важнейших факторов, влияющих на процесс коммутации в машинах постоянного тока, является устойчивость скользящего контакта между щеткой и поверхностью коллектора. Нарушение стабильности этого контакта в условиях эксплуатации может быть вызвано различными причинами, зависящими как от качества изготовления отдельных элементов КЩУ, так и от внешних воздействий, определяемых конкретными условиями эксплуатации. Отклонение поверхности коллектора от цилиндрической формы является основной причиной потери устойчивости скользящего контакта, приводящей к появлению неидентичности коммутационных циклов машины, при этом каждый коммутационный период не будет являться копией предыдущего [93]. Это может привести к интенсивному искрению даже при обеспечении необходимых электромагнитных условий коммутации. Кроме того, при эксплуатации МПТ в различных нагрузочных режимах, цилиндрическая поверхность коллектора может искажаться вследствие воздействия температуры, значительных центробежных усилий, а также наличия местных износов и подгаров, что также може�