close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1528

код для вставкиСкачать
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Часть 2
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ОМСК 2006
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
_____________________
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Часть 2
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний к выполнению лабораторных работ
студентами специальности 190200 – «Приборы и методы контроля качества и
диагностики»
Омск 2006
1
УДК 621.313 (07)
ББК 31.261-042я73
А20
Диагностирование узлов подвижного состава. Часть 2. Диаг–
ностирование коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей: Методические указания к выполнению лабораторных работ / В. Д. Авилов, В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск,
2006. 50 с.
Методические указания содержат четыре лабораторные работы по курсу
«Методы технической диагностики», в которых представлены современные методики и средства контроля технического состояния коллекторно-щеточного
узла тяговых двигателей.
Предназначены для студентов 5-го курса очного обучения специальности
190200 – «Приборы и методы контроля качества и диагностики» – и слушателей Института повышения квалификации и переподготовки.
Библиогр.: 5 назв. Табл. 9. Рис. 24.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Горюнов;
канд. техн. наук, доцент С. М. Овчаренко.
_______________________
 Омский гос. университет
путей сообщения, 2006
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...............................................................................................................
Лабораторная работа 1. Оценка состояния коммутации тягового двигателя
Лабораторная работа 2. Корректировка параметров поперечной магнитной
цепи машины постоянного тока.....................................................................
Лабораторная работа 3. Оценка состояния профиля коллектора....................
Лабораторная работа 4. Диагностирование технического состояния коллекторно-щеточного узла тягового двигателя..............................................
Библиографический список................................................................................
3
5
6
16
21
35
49
4
ВВЕДЕНИЕ
На современном электроподвижном составе железных дорог России в качестве привода используются тяговые электрические двигатели постоянного
тока, надежность и долговечность которых во многом зависят от качества работы коллекторно-щеточного узла. Обслуживанию таких машин в эксплуатации
уделяется большое внимание.
В данных методических указаниях рассматриваются методики контроля
состояния коммутации и диагностирования работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей с использованием современных диагностических
средств и приборов, разработанных на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа, а также метод корректировки параметров поперечной магнитной цепи машины постоянного тока по результатам экспериментальных исследований условий коммутации.
При выполнении лабораторных работ студенты должны самостоятельно
решить предложенные инженерные задачи. Большую помощь в этом может
оказать дополнительная литература, указанная в библиографическом списке.
При проведении лабораторных работ необходимо строго выполнять правила техники безопасности, несоблюдение которых может привести к поражению электрическим током. Питание стенда разрешается включать только после
разрешения преподавателя или дежурного лаборанта. Перед включением питания следует убедиться в том, что никто из людей не находится в контакте с
элементами схемы. Установку датчиков и все переключения в схеме производить при снятом напряжении и полной остановке машин. При обнаружении
каких-либо неисправностей в схеме, появлении запаха дыма, чрезмерном
нагреве элементов и т. п. немедленно отключить питание и доложить преподавателю или дежурному лаборанту.
5
Лабораторная работа 1
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ц е л ь р а б о т ы: получить практические навыки в определении класса
коммутации по ГОСТ 183-74; ознакомиться с устройством и принципом действия прибора контроля коммутации ПКК-5; научиться визуально и опытным
путем оценивать состояние коммутации машин постоянного тока (МПТ) при
помощи устройств объективной оценки уровня искрения.
1.1. Основные теоретические положения
Качество коммутации в значительной мере определяет надежность и долговечность работы коллекторно-щеточного узла и машины в целом. В соответствии с ГОСТ 183-74 степень искрения определяется визуально по интенсивности световых вспышек на сбегающем крае щетки и по состоянию поверхности скользящего контакта (табл. 1).
Таблица 1
Оценка степени искрения щеток МПТ по ГОСТ 183-74
Степень
Характеристика степени искрения
Состояние коллектора и щеток
искрения
1
Отсутствие искрения
Отсутствие почернения на коллекСлабое искрение под небольшой
11
торе
и следов нагара на щетках
4
частью края щетки
Слабое искрение под большей чаПоявление следов почернения на
стью
края
щетки
коллекторе
и следов нагара на щет11
2
ках, легко устраняемых протиранием
поверхности коллектора бензином
Искрение под всем краем щетки,
Появление следов почернения на
допускается только при кратко- коллекторе и следов нагара на щет2
временных толчках нагрузки и пере- ках, не устраняемых протиранием погрузке
верхности коллектора бензином
Значительное искрение под всем
Значительное почернение на колкраем щетки с появлением крупных и лекторе, не устраняемое протиранием
вылетающих искр, допускается толь- поверхности коллектора бензином, а
ко для моментов прямого включения также подгар и частичное разрушение
3
или реверсирования машин, если при щеток
этом коллектор и щетки остаются в
состоянии, пригодном для дальнейшей работы
6
Кроме того, степень искрения можно определять при помощи приборов
объективной оценки уровня искрения. В лабораторной работе используется
прибор контроля коммутации ПКК-5, работающий по сигналу с разнополярных
щеток испытуемой машины (прибор сконструирован и изготовлен на кафедре
«Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа).
Одним из способов оценки коммутации МПТ является снятие U-образных кривых (рис. 1) по методу, предложенному профессором М. Ф. Карасевым. U-образные кривые представляют собой зависимость показаний прибора
объективной оценки уровня искрения от тока подпитки дополнительных полюсов (ДП) А = f (Iп).
Эксперимент по снятию U-образных кривых проводится при заданных
значениях тока нагрузки Ia и частоты вращения n путем изменения намагничивающей силы обмотки возбуждения ДП. При совпадении
Апк,
Анк,
направления тока Iп с направ-
усл. ед
АΣ
Анк
Апк
Аmin
–Iп
+Iп
+∆Iп
Рис. 1. U-образные кривые
лением тока якорной цепи Iа
происходит увеличение магнитодвижущей силы по поперечной оси машины, что приводит
к искрению щеток от перекоммутации, в противоположном
случае возникает искрение щеток от недокоммутации.
Этот метод позволяет
вызывать искрение и плавно
регулировать его интенсивность при любом токе нагрузки
якоря. Для каждого значения тока подпитки Iп фиксируются показания прибора
объективной оценки уровня искрения раздельно от пере- и недокоммутированных секций Апк и Анк либо их суммарные показания АΣ.
Полученные экспериментальным путем U-образные кривые характеризуют коммутационную устойчивость МПТ в заданном режиме и позволяют определить необходимую коррекцию магнитодвижущей силы дополнительных полюсов ∆Iп, обеспечивающую минимальный уровень искрения щеток.
7
Эксперимент проводится на лабораторной установке (см. описание стенда), которая состоит из колесно-моторного блока тепловоза ТЭМ-2 с тяговым
двигателем ЭД107 и подпитывающего генератора.
Частота вращения ТЭД регулируется изменением напряжения на двигателе. Подпитка-отпитка дополнительных полюсов тягового двигателя осуществляется изменением тока возбуждения подпитывающего генератора (ПГ).
1.2. Технические данные и описание прибора
контроля коммутации ПКК-5
Прибор контроля коммутации ПКК-5 предназначен для оценки уровня
искрения щеток коллекторных электрических машин в стационарных режимах
по сигналу с разнополярных щеток и может быть использован в качестве датчика автоматизированной системы измерения параметров электрических машин при их питании от тиристорных преобразователей.
Прибор усредняет импульсы дуговых разрядов раздельно от недо- или перекоммутированных секций обмотки якоря либо в целом по всему коллектору. Результат измерения сравнивается со значениями уставок, соответствующими граничным уровням интенсивности искрения: «Норма», «Граница» и «Выше нормы».
Соответствие показаний индикатора баллам ГОСТ 183-74 устанавливается методом экспертных оценок по видимому искрению для различных типов
машин.
Входы прибора ПКК-5 подключаются через внешние разделительные
конденсаторы к разнополярным щеткам испытуемой машины и шинам питания.
Диапазон оценки уровня искрения – 0 – 500 условных единиц (1 усл. ед. =
–3
= 10 В⋅с).
Чувствительность измерительного канала составляет 10 В/(В⋅с) и может
быть ослаблена в пять раз кнопкой «×1/×5», расположенной на лицевой панели
прибора.
Напряжение амплитудной селекции определяется соответствующим положением многопозиционного переключателя в диапазоне 1 – 10 В.
В режиме «Калибровка» на вход прибора подаются импульсы с калибровочного генератора, при этом показания стрелочного индикатора должны быть
в пределах (70 ± 5) усл. ед. (кнопка «×1/×5» не нажата, напряжение амплитудной селекции –1В).
8
Питание прибора осуществляется от сети переменного тока частотой
50 Гц и напряжением 220 В.
Потребляемая мощность – не более 40 Вт.
Габаритные размеры прибора – 300×230×100 мм.
Масса прибора – не более 3 кг.
Функциональная схема прибора ПКК-5 приведена на рис. 2. Прибор состоит из фильтров 3 и 4 высокой частоты (подключаются через разделительные
конденсаторы соответственно к разнополярным щеткам, установленным на
коллекторе испытуемой машины 1, и шинам питания), калибровочного генератора 5, выпрямителя 6, формирователя импульсов запрета 7, двух коммутаторов
8 и 15, компараторов 9 и 10, линейных ключей 11 и 13, схем совпадения 12 и
14, интегрирующего преобразователя 18, индикаторного прибора 17, усилителя
мощности 19 и блока индикации 16.
д
5
8
11
15
17
б
1
3
а
6
9
12
18
13
2
г
в
4
7
10
14
16
19
к ЭВМ
Рис. 2. Функциональная схема прибора ПКК-5
Сигнал с разнополярных щеток испытуемой машины имеет постоянную
составляющую, низкочастотные (пазовые и ламельные) пульсации, высокочастотные импульсы, связанные с процессом коммутации, и импульсы помехи от
тиристорного питания. Разделительные конденсаторы срезают постоянную
составляющую сигнала, а фильтр 3 ослабляет низкочастотные пульсации. Импульсы с выхода фильтра 3 (рис. 3, а) поступают на входы коммутатора 8 и
двухполупериодного выпрямителя 6.
9
Сигнал на входе фильтра 4, подключенного через разделительные конденсаторы к шинам питания, не содержит высокочастотные импульсы искрения, которые подавляются интегрирующей цепью, образованной сглаживающим дросселем и внутренним сопротивлением источника питания. Импульсы с
выхода фильтра 4 (рис. 3, в) поступают на формирователь импульсов запрета 7.
Калибровочный генератор 5 вырабатывает прямоугольные калибровочные импульсы, поступающие на один из входов коммутатора 8.
Коммутатор 8 подключает ко входу измерительного канала сигнал с выхода калибровочного генератора (в режиме «Калибровка») либо с выхода фильтра
3 (при измерении интенсивности искрения раздельно от недо- или перекоммутированных секций обмотки якоря), либо с выхода двухполупериодного выпрямителя 6 (при оценке интенсивности искрения в целом по всей машине).
а)
Uсел
t
б)
t
в)
t
г)
t
д)
t
Рис. 3. Временные диаграммы работы прибора ПКК-5
Сигнал с выхода коммутатора 8 поступает одновременно на входы линейных ключей 11, 13 и на входы компараторов 9, 10. Компараторы сравнивают
10
этот сигнал с напряжениями селекции +Uсел и –Uсел, которые задаются переключателем, выведенным на лицевую панель. На выходе компараторов формируются прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует длительности высокочастотных импульсов искрения и импульсов помехи от тиристорного питания на уровне напряжения селекции (рис. 3, б).
Сигналы с выходов компараторов 9 и 10 поступают через схемы совпадения 12 и 14 на управляющие входы линейных ключей 11 и 13. На вторые
входы схем совпадения поступают импульсы запрета (рис. 3, г) с выхода формирователя 7, запрещающие прохождение импульсов помехи через линейные
ключи. Таким образом, на входы коммутатора 15 проходят только импульсы,
соответствующие импульсам искрения (рис. 3, д).
Коммутатор 15 подключает ко входу интегрирующего преобразователя 18
выход линейного ключа 11 либо 13, осуществляя раздельную оценку интенсивности искрения соответственно от недо- и перекоммутированных секций
контролируемой электрической машины.
Интегрирующий преобразователь 18 формирует напряжение, пропорциональное среднему значению площадей, поступающих на его вход импульсов.
Значение этого напряжения измеряется и индицируется индикаторным прибором 17, расположенным на лицевой панели.
При необходимости регистрации уровня искрения на фотобумаге усилитель мощности 19, подключенный к выходу интегрирующего преобразователя,
осуществляет согласование выходов преобразователя с соответствующими сопротивлениями вибраторов шлейфового осциллографа.
При работе прибора в качестве первичного преобразователя автоматизированной системы измерения усилитель мощности 19 обеспечивает необходимый уровень выходного сигнала.
Калибровочный генератор 5 предназначен для проверки работы измерительного тракта прибора в режиме «Калибровка». Генератор вырабатывает
прямоугольные импульсы со стабильными амплитудой и скважностью. При
этом показания индикаторного прибора должны быть в пределах (70 ± 5) усл.
ед. при установке переключателя напряжения селекции в положение «1 В».
Блок индикации 16 осуществляет сравнение значения уровня выходного
напряжения интегрирующего преобразователя с пороговыми значениями, соответствующими граничным уровням интенсивности искрения. В соответствии с
результатами сравнения зажигаются светодиоды на лицевой панели прибора:
«Норма», «Граница» и «Выше нормы».
11
Предварительно между показаниями индикаторного прибора и степенью
искрения по ГОСТ 183-74 установлены соотношения, приведенные в табл. 2.
При подготовке прибора к работе необходимо подключить информационный вход прибора (разъем «Вход 1» на задней панели) высокочастотным коаксиальным кабелем (например, РК-75) к резистору R2 первого входного устройства (рис. 4), разделительные конденсаторы С1, С2 соединить с разнополярными щетками испытуемой машины высоковольтным проводом (например, ПС-4000) с помощью зажимов, поставляемых вместе с прибором.
Таблица 2
Соотношения между показаниями прибора и
степенью искрения по ГОСТ 183-74
Параметр
Интенсивность искрения,
баллы (ГОСТ 183-74)
Показание прибора ПКК-5,
усл. ед.
Состояние индикации
Значение
0 – 1½
1½– 2
2 и выше
0 – 30
30 – 60
60 – 100
«Норма»
«Граница»
«Выше нормы»
При питании схемы от тиДр
ДП ЯЯ
КО
ристорного преобразователя вспо- Я
ИД
могательный вход прибора (разъС1
С3
ем «Вход 2» на задней панели) соединить высокочастотным коаксиR1
R3
ПКК-5
альным кабелем (например, РКXP1 XS1
75) с резистором R4 второго входR2
Вход 1
ного устройства (рис. 4), а раздеXP2 XS2
лительные конденсаторы С3, С4 –
С2
R4
Вход 2
высоковольтным
проводом
(например, ПС-4000) к шинам пиС4
тания тиристорного преобразоваРис. 4. Схема подключения прибора ПКК-5
теля до сглаживающего дросселя.
При питании от генератора (гладком питании) «Вход 2» не используется.
12
Вспомогательный вход прибора может быть подключен (через разделительные конденсаторы и делитель напряжения) и непосредственно к клеммам Я
и ЯЯ (см. рис. 4, пунктирная линия), если индуктивность обмоток КО и ДП достаточна для того, чтобы подавить импульсы искрения.
1.3. Задания к выполнению работы
1) Ознакомиться с расположением и назначением оборудования, измерительных приборов и органов управления лабораторной установки (см. описание
стенда).
2) Снять U-образную кривую А = f (Iп), контролируя с помощью прибора
ПКК-5 уровень искрения щеток как раздельно от пере- и недокоммутированных секций Апк и Анк, так и суммарные показания АΣ при токе подпиткиотпитки Iп, равном 0; ±20; ±40; ±60 А, для следующих значений частоты вращения n колесной пары, об/мин: 100, 200, 300.
3) Построить все снятые U-образные кривые А = f (Iп).
4) Снять и построить тарировочную кривую, отражающую связь между
показаниями индикаторного прибора и степенью искрения по ГОСТ 183-74 для
конкретного исполнения лабораторной установки и типа двигателя.
5) Сопоставить результаты и сделать выводы.
1.4. Порядок проведения работы
При снятии U-образных кривых А = f (Iп) соблюдайте следующий порядок работы.
1) Перед подачей напряжения на тяговый двигатель необходимо включить подпитывающий агрегат кнопкой «Пуск МАГ», выбрать режим работы генератора кнопкой «Подпитка» или «Отпитка» и задать направление вращения
тягового двигателя нажатием кнопки «Вперед» или «Назад».
2) Установите частоту вращения колесной пары 100 об/мин, плавно поворачивая рукоятку регулировки напряжения по часовой стрелке и не допуская
бросков тока.
3) Подайте напряжение на дополнительные полюса двигателя кнопкой
«Вкл. подпитки» и, плавно поворачивая ручку регулировки источника питания
обмотки возбуждения подпитывающего агрегата, установите последовательно
значения тока подпитки Iп 0, 20, 40, 60 А.
13
4) Измеренные значения уровня искрения щеток от пере- и недокоммути-
рованных секций Апк и Анк, а также суммарные показания АΣ прибора ПКК-5
занесите в табл. 3.
5) Установите режим работы «Отпитка» подпитывающего генератора и
повторите измерения для следующих значений тока подпитки Iп: 0, –20, –40,
–60 А. Полученные данные занесите в табл. 3.
6) Повторите опыт при частоте вращения 200 и 300 об/мин, результаты
измерений занесите в табл. 3.
Таблица 3
Результаты измерения интенсивности искрения щеток МПТ прибором ПКК-5
Частота
вращения
n, об/мин
Режим
работы
прибора
Ток подпитки Iп, A
–60
–40
–20
0
20
40
60
Апк
100
Анк
АΣ
Апк
200
Анк
АΣ
Апк
300
Анк
АΣ
Уточнение соотношения между показаниями индикаторного прибора и
степенью искрения по ГОСТ 183-74 для конкретного исполнения лабораторной
установки и типа тягового двигателя рекомендуется осуществить следующим
образом:
запустите испытуемый тяговый двигатель, установите номинальную частоту вращения, подпиткой добавочных полюсов вызовите искрение под сбегающим краем щеток от перекоммутации секций интенсивностью 1¼ балла по
ГОСТ 183-74 (в процессе визуальной оценки степени искрения должны участ-
14
вовать не менее трех человек) и зафиксируйте показания прибора Апк в условных единицах (усл. ед.);
установите последовательно степени искрения щеток 1½ и 2 балла по
ГОСТ 183-74, фиксируя показания прибора ПКК-5;
повторите указанные действия при отпитке добавочных полюсов, измеряя
уровень искрения от недокоммутации Анк;
занесите полученные экспериментальные данные в табл. 4 и на их основе
постройте тарировочную кривую, отражающую связь между показаниями индикаторного прибора и степенью искрения по ГОСТ 183-74;
определите по полученной кривой пороговые значения интенсивности
искрения «Норма» / «Граница» и «Граница» / «Выше нормы» в условных
единицах.
Таблица 4
Экспериментальные данные
Интенсивность искрения,
баллы ГОСТ 183-74
1¼
1½
Показания прибора, усл. ед.
2
При подпитке Апк
При отпитке Анк
1.5. Контрольные вопросы
1) Перечислите классы коммутации по ГОСТ 183-74.
2) С какой целью снимаются U-образные кривые – зависимости показаний прибора объективной оценки уровня искрения от тока подпитки дополнительных полюсов?
3) Какой сигнал используется в приборе контроля коммутации ПКК-5 в
качестве диагностического?
4) Как можно определить необходимую коррекцию магнитодвижущей силы дополнительных полюсов, обеспечивающую минимальный уровень искрения
щеток?
15
Лабораторная работа 2
КОРРЕКТИРОВКА ПАРАМЕТРОВ ПОПЕРЕЧНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с одним из методов корректировки параметров поперечной магнитной цепи машины постоянного тока по результатам экспериментальных исследований условий коммутации; получить практические навыки расчета параметров поперечной магнитной цепи.
2.1. Основные теоретические положения
Настройку условий коммутации МПТ в условиях эксплуатации производят различными методами: с использованием потенциальных щеточных
диаграмм; U-образных зависимостей; безыскровых зон В. Т. Касьянова и др.
U-образные кривые представляют собой зависимость показаний прибора объективной оценки уровня искрения от тока подпитки дополнительных полюсов
А = f (Iп) при заданных значениях тока нагрузки Ia и частоты вращения n.
Полученные экспериментальным путем U-образные кривые характеризуют коммутационную устойчивость МПТ в заданном режиме и позволяют
определить значение тока подпитки ∆Iп, обеспечивающее минимальный уровень искрения щеток, и рассчитать величину, характеризующую степень необходимой корректировки параметров поперечной магнитной цепи машины:
Статор
G=±
∆I п
.
Ia
(1)
Элемент поперечной цепи МПТ приведен на рис. 5, где δ1 – воздушный зазор между якорем и сердечником добавочных полю-
δ2
bп.д
hк
δ1
сов; δ2 – воздушный зазор между сердечником ДП и статором МПТ (этот зазор заполнен
немагнитными прокладками); hк – высота катушки обмотки ДП; bд – ширина полюсного
наконечника ДП; bп.д – ширина сердечника
16
bд
Якорь
Рис. 5. Элемент поперечной
магнитной цепи машины
ДП у станины.
Коррекция параметров поперечной магнитной цепи машины основывается на определении оптимального коммутирующего магнитного потока ДП
Фк.опт в зависимости от значения Gопт, определенного в результате проведения
эксперимента. При расчетах предполагается, что магнитная система машины
является ненасыщенной:
Фк.опт =
(1 ± Gопт )(γFд +F к) − Fa
,
γRδ 2 + Rδ 1
(2)
где Fд, Fк, Fа – намагничивающая сила обмоток ДП, компенсационной (КО) и
якоря соответственно, А;
Rδ1 – сопротивление магнитному потоку ДП первого воздушного зазора,
Rδ 1 =
kδ δ 1
µ 0(bд + 1,25δ 1)lд ,
(3)
где lд – осевая длина ДП, м;
kδ – коэффициент Картера,
kδ
=
t1
t1 − γ 1δ1
,
(4)
где t1 − зубцовое деление;
γ 1 − расчетный коэффициент,
γ
1
 bд

δ
=  1
5 +
2



bд ;
δ
(5)
1
Rδ2 – сопротивление магнитному потоку ДП второго воздушного зазора,
Rδ 2 =
δ2
µ 0 (bп.д + 1,5δ 2 )l д
;
(6)
γ – расчетный коэффициент,
γ=
Rσ
Rσ + Rδ 2 ;
Rσ – магнитное сопротивление потоку рассеяния ДП,
17
(7)
Rσ =
S
,
µ 0 hк l д
(8)
где S – расстояние между наконечниками ДП и находящимся рядом с ним главным полюсом (ГП), м.
Коррекцию коммутирующего потока ДП Фк.опт производят изменением
числа витков обмотки возбуждения ДП или регулировкой зазоров δ1 и δ2. В
данной работе корректировка осуществляется изменением зазора δ1 при
δ2 = const либо δ2 при δ1 = const, либо одновременным изменением зазоров
δ1 и δ2.
2.2. Порядок проведения работы
1) В соответствии с заданным вариантом выбрать по табл. 5 и 6 необходимые для расчета значения.
Таблица 5
Первая
цифра
шифра
Технические характеристики МПТ
Техническая характеристика
Gопт
kδ
h к,
Fд,
Fк,
Fа,
м
S,
м
м
А
А
А
l д,
b д,
м
0, 5
+0,030 1,15
0,69
0,057
0,050
0,10
7035
6030
10301
1, 6
−0,015 1,20
0,45
0,040
0,060
0,15
12920
−
9642
2, 7
+0,025 1,21
0,41
0,030
0,062
0,09
11100
−
8556
3, 8
−0,020 1,18
0,43
0,026
0,054
0,11
12000
−
9666
4, 9
+0,015 1,23
0,50
0,042
0,049
0,10
10185
−
7073
2) Рассчитать оптимальный коммутирующий поток ДП Фк.опт.
3) Определить оптимальные воздушные зазоры: а) δ 1' при δ2 = const;
б) δ 2' при δ1 = const; в) δ 1' и δ 2' при их одновременном изменении.
4) Сопоставить результаты и сделать выводы.
18
Таблица 6
Технические характеристики МПТ
Техническая характеристика
Вторая цифра
шифра
δ1, м
δ2, м
bп.д, м
0, 5
1, 6
2, 7
3, 8
4, 9
0,024
0,008
0,009
0,010
0,009
0,008
0,006
0,006
0,002
0,005
0,120
0,054
0,040
0,050
0,032
2.3. Порядок расчета
При коррекции воздушного зазора изменяется магнитное сопротивление
коммутирующему потоку Фк.опт, поэтому для определения оптимального зазора
необходимо пересчитать соответствующее значение сопротивления.
Предварительно по исходным данным вычислите магнитное сопротивление потоку рассеяния Rσ, потоку ДП первого Rδ1 и второго Rδ2 воздушных зазоров, коэффициент γ и поток Фк.опт, используя формулы (8), (3), (6), (7) и (2).
При выполнении п. 3, а (подразд. 2.2) новое магнитное сопротивление
определите по формуле:
Rδ' 1 =
γ Fд + Fк − Fa
− γ Rδ 2 ,
ϕФк. опт
(9)
где ϕ – поправочный коэффициент, учитывающий изменение реактивной ЭДС
Ер от величины δ1,
δ′
ϕ = 1,006  1 
 δ1 
− 0 , 09
.
(10)
В соответствии с найденным значением Rδ' 1 определите из формулы (4)
оптимальное значение воздушного зазора δ 1' . Поскольку коэффициент ϕ зависит от неизвестного значения δ 1' , предварительно необходимо принять ϕ рав-
19
ным единице, а затем, используя метод приближения, выполнить уточнение в
расчете Rδ' 1 . Обычно уточнение достаточно выполнить два − три раза.
При выполнении п. 3, б (подразд. 2.2) новое значение магнитного сопротивления определите по формуле:
Rδ' 2 = Rσ
Fд + Fк − Fa − Фк. опт Rδ 1
Фк. опт ( Rσ + Rδ 1 ) + Fa − Fк
.
(11)
В соответствии с найденным значением Rδ' 2 определите из формулы (7)
оптимальное значение воздушного зазора δ 2' .
При одновременном изменении воздушных зазоров новое значение магнитного сопротивления определите по формуле:
Rδ 2 = Rσ
'
Fд + Fк − Fa − ϕ Фк. опт Rδ' 1
ϕ Фк. опт ( Rσ + Rδ 1 ) + Fa − Fк
'
.
(12)
Задавая ряд значений δ1 при Фк.опт = const, определите Rδ' 1 и, используя
формулы (11) и (6), рассчитайте зависимость δ1 = f(δ2). Результаты расчета занесите в табл. 7.
Таблица 7
Рассчитываемый
параметр
Расчет зависимости δ1 = f(δ2)
Значение воздушного зазора
0,6δ1
0,8δ1
δ1
1,2δ1
1,4δ1
Rδ' 1
Rδ' 2
δ2
Оптимальное значение зазоров δ 1' и δ 2' выберите по кривой δ1 = f(δ2),
причем отклонение размера δ1 от заводского должно быть не более чем на
±30 %, сохраняя соотношение: δ1/δ2 = 5 − 6.
20
2.4. Контрольные вопросы
1) Что такое коммутация в МПТ?
2) Перечислите методы настройки коммутации МПТ в условиях эксплуатации.
3) С какой целью выполняется коррекция параметров поперечной магнитной цепи МПТ?
4) К чему сводится коррекция параметров поперечной магнитной цепи
машины?
2) На чем основывается расчет коррекции?
6) Какое допущение положено в основу расчета параметров поперечной
магнитной цепи?
7) Какой из методов корректировки параметров поперечной магнитной
цепи предпочтительней в крупных и маломощных машинах?
Лабораторная работа 3
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПРОФИЛЯ КОЛЛЕКТОРА
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с методами оценки профиля коллектора
машин постоянного тока; научиться пользоваться профилометром ПКП-4М;
приобрести практический опыт обработки профилограмм.
3.1. Основные положения теории
Одним из основных факторов, влияющих на условия коммутации машин
постоянного тока, является механическая устойчивость скользящего контакта,
которая определяется состоянием элементов коллекторно-щеточного узла
(КЩУ), и в первую очередь – профиля коллектора. Наличие неровностей на
коллекторе приводит к возникновению радиальных колебаний щеток, вызывающих пульсацию контактного давления, в результате чего происходит изменение падения напряжения под щеткой, и следовательно, нарушение оптимальных условий коммутации, что вызывает искрение щеток, неравномерно распределенное по коллектору, поэтому необходимо контролировать поверхность
коллектора при производстве, эксплуатации и ремонте МПТ.
21
Для диагностирования состояния профиля коллектора наибольшее применение получил вихретоковый метод с использованием бесконтактного преобразователя измерения перемещений. На основе этого метода на кафедре
«Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа разработан профилометр ПКП, с помощью которого производится оценка профиля коллектора
в статическом и динамическом режимах.
3.2. Технические данные прибора ПКП-4М
Датчиком прибора является дифференциальный вихретоковый параметрический преобразователь перемещений контролируемой поверхности, осуществляющий амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала в функции
расстояния между преобразователем и поверхностью.
В статическом режиме контроль состояния рабочей поверхности коллектора осуществляется по стрелочному индикатору, установленному на лицевой панели прибора. Чувствительность стрелочного индикатора выбирается переключателем «Множитель», имеющим четыре положения: «×0,5», «×1», «×2» и «×5».
В динамическом режиме к выходу прибора может подключают электронный осциллограф, с помощью которого производят оперативный контроль динамического состояния профиля коллектора.
В режиме «Биение» осуществляется автоматическое определение общего
биения коллектора при его вращении. Контроль этой величины производится
по стрелочному индикатору.
Регистрация профиля коллектора выполняется цифровым накопителем,
который осуществляет аналого-цифровое преобразование сигнала, запись полученной информации во встроенное оперативно-запоминающее устройство
(ОЗУ) и передачу содержимого ОЗУ через последовательный порт в персональный компьютер для дальнейшей обработки и анализа результатов измерений.
Чувствительность измерительного канала прибора – 10 мВ/мкм ± 5 %.
Диапазон измерения – 0 – 400 мкм.
Установочный зазор – 100 – 250 мкм.
Минимальная ширина коллекторных пластин на поверхности коллектора – 3 мм.
Диапазон коллекторной частоты – 0 – 20000 Гц.
22
Прибор сохраняет свои характеристики при температуре воздуха – от +10
до +35°С.
Время прогревания прибора после включения – не менее 15 мин.
Питание прибора – от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В ± 10 %.
Потребляемая мощность – не более 60 Вт.
Длина ВЧ-кабеля вихретокового датчика – 2 м.
Масса прибора – не более 2 кг.
Габаритные размеры – 300 × 200 × 100 мм.
Контроль профиля коллектора в статическом режиме производится по
показаниям стрелочного индикатора, установленного на лицевой панели прибора. В динамическом режиме контроль ведется с помощью электронного осциллографа (ЭО), подключенного к выходу профилометра. При работе прибора
в режиме «Биение» осуществляется автоматическое определение значения общего биения коллектора машины при его вращении.
3.3. Устройство и принцип работы прибора
Функциональная схема прибора ПКП-4М (рис. 6) состоит из генератора
высокочастотных колебаний 1, измерительного 2 и компенсационного 3 вихретоковых преобразователей, детекторов 4 и 5, схемы линеаризации 6, дифференциального усилителя 7, блока определения биения коллектора 8, усилителя
постоянного тока 9, цифрового регистратора 10, индикатора прибора 11. Блок
определения биения коллектора 8 включает в себя сумматор 12, амплитудный
вольтметр 13, линейный ключ 15, формирователь импульсов 14 и амплитудный
вольтметр 16. Рассмотрим работу прибора.
Генератор высокочастотных колебаний 1 вырабатывает сигнал частотой
4,7 МГц и амплитудой 3 В. Переменное напряжение высокой частоты с выхода
генератора 1 подается на измерительный 2 и компенсационный 3 преобразователи. При вращении коллектора на выходе измерительного преобразователя 2 появляется амплитудно-модулированный сигнал. Преобразователь 3 предназначен
для компенсации температурной погрешности измерительного преобразователя.
Сигналы с преобразователей 2 и 3 поступают на детекторы 4 и 5, в которых выделяется их огибающая. С выхода детекторов сигналы подаются на дифференциальный усилитель 7, на выходе которого вырабатывается сигнал, соответствую-
23
щий профилю коллектора. Далее сигнал поступает на схему линеаризации 6,
осуществляющую линеаризацию характеристики вихретокового преобразователя по принципу кусочно-линейной аппроксимации. Усилителем постоянного
тока 9 осуществляется усиление сигнала по току и напряжению. На выходе
усилителя 9 через переключатель S1 включен стрелочный индикатор 11 на
100 мкА для определения рабочего зазора измерительного датчика, калибровки
прибора и для измерения профиля коллектора в статическом состоянии.
Сигнал с выхода усилителя 9 подается также на входы электронного осциллографа, с помощью которого производится контроль динамического состояния профиля коллектора, цифрового регистратора 10 и блока определения
биения коллектора 8.
1
6
2
4
7
9
К электронному
осциллографу
3
5
8
10
К ЭВМ
11
12
15
16
13
14
Рис. 6. Функциональная схема прибора
В режиме «Биение» индикаторный прибор 11 переключателем S1 присоединяется к выходу блока определения биения коллектора 8. Этот блок формирует прямоугольные импульсы, максимальная амплитуда которых соответствует значению общего биения коллектора, и измеряет это значение амплитудным
24
вольтметром 16. При этом управление линейным ключом 15 осуществляется
формирователем 14, вырабатывающим стробирующие импульсы, совпадающие
с плоской частью вершины импульса от коллекторной пластины, а приведение
вершины импульса, соответствующего максимально выступающей коллекторной пластине, к нулевому уровню производится амплитудным вольтметром 13
и сумматором 12.
Бесконтактный вихретоковый датчик (рис. 7) конструктивно состоит из
неподвижной части 1, на которой закреплен микрометрический винт 2, и подвижной 3, содержащей бесконтактные измерительный и компенсационный
вихретоковые преобразователи. Плавное передвижение подвижной части относительно контролируемой поверхности осуществляется микрометрическим
винтом. Каждый вихретоковый преобразователь параметрического типа выполнен без магнитопровода и содержит в себе восьмеркообразную измерительную катушку, размещенную на текстолитовом каркасе и подключенную к контактным точкам, к которым присоединяется коаксиальный кабель. Катушка измерительного преобразователя расположена над исследуемой поверхностью,
причем плоскость измерительной обмотки параллельна поверхности пластин
коллектора. Датчик соединен коаксиальным кабелем с прибором ПКП-4М.
Цифровой регистратор информации
предназначен для преобразования входного
однополярного напряжения в диапазоне от
0 до +5 В в двоичный код с точностью 12
двоичных разрядов и максимальной частотой дискретизации 10 кГц. Входное сопротивление – не менее 500 кОм. Запуск аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
осуществляется переходом из нуля в единицу сигналом ТТЛ уровня. Упрощенная
структурная схема цифрового регистратора
(ЦР) представлена на рис. 8. Основу регистратора составляет однокристальная
Рис. 7. Конструкция датчика
ЭВМ серии MCS-51, функции которой заключаются в следующем: ожидание управляющих команд оператора с панели
управления; прием данных от АЦП и запись их в ОЗУ; передача содержимого
ОЗУ через СОМ-порт в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обра-
25
ботки и анализа результатов измерений. В качестве АЦП используется интегральная микросхема фирмы Analog Devices AD7896 с последовательным
способом передачи цифровых данных, а для хранения информации – ОЗУ статического типа HY6264 объемом 8 кбайт.
Вход U
Запуск
АЦП
АЦП
ОЗУ
ОК ЭВМ
Панель
управления
RS-232
COM-порт
ЭВМ
Рис. 8. Структурная схема цифрового регистратора
3.4. Подготовка испытуемой машины и прибора к работе
1) Установить вихретоковый датчик таким образом, чтобы зазор δ между
поверхностью коллектора и датчиком был более 1 мм.
2) Подключить к прибору разъемы вихретокового датчика в соответствии
с цифровыми обозначениями.
3) Присоединить к прибору датчик оборотов.
5) К выходу УПТ прибора через разъем «Выход» подключить электронный осциллограф типа С1-73.
3.5. Работа с прибором
1) Включить прибор в сеть 50 Гц 220 В (должна загореться индикаторная
лампа «Сеть» и прогреть его в течение 15 мин.
2) Установить бесконтактный вихретоковый датчик над центром коллекторной пластины.
3) Установить режим работы «Зазор» соответствующей кнопкой на лицевой панели прибора.
26
4) Вращая микрометрический винт датчика, переместить его подвижную
часть до соприкосновения с контролируемой поверхностью. Момент соприкосновения фиксируется по прекращению движения стрелки индикатора, установленного на лицевой панели, либо луча электронного осциллографа, подключенного к выходу УПТ прибора.
5) Регулировочной ручкой «Уст.0», размещенной на лицевой панели прибора, установить показание стрелочного индикатора (стрелка индикатора
должна отклониться вправо от нулевого деления), соответствующее необходимому зазору δизм между контролируемой поверхностью и датчиком. Значение
зазора δизм должно превышать предполагаемое значение максимального биения
коллектора.
6) Установить микрометрическим винтом зазор δизм между контролируемой поверхностью и датчиком, при этом стрелка индикатора должна совпадать
с нулевым делением.
7) Контроль профиля коллектора в статическом режиме производится по
показаниям стрелочного индикатора с учетом выбранной чувствительности,
устанавливаемой переключателем «Множитель», при этом якорь испытуемой
машины поворачивается вручную.
8) В динамическом режиме работы прибора контроль динамического
состояния профиля коллектора производится с помощью электронного осциллографа, подключенного к выходу УПТ прибора. Чувствительность прибора в
динамическом режиме составляет 10 мВ/мкм и остается постоянной при изменении положения переключателя «Множитель».
9) В режиме работы прибора «Биение» (нажата соответствующая кнопка
на лицевой панели) при вращении якоря испытуемой машины показания стрелочного индикатора соответствуют значению общего биения коллектора.
10) Контроль профиля коллектора по электронному осциллографу может
производиться при любой скорости вращения якоря.
11) При массовом контроле профиля коллектора однотипных машин установку вихретокового датчика необходимо производить в следующем порядке:
а) установить датчик на первой машине согласно п. 2 – 6;
б) определить показания индикатора в режиме «Зазор» при вращении
якоря и зафиксировать положение регулировки «Уст.0»;
в) на последующих машинах установить первоначально зазор δ, равный
1 мм, привести во вращение якорь, микрометрическим винтом установить зазор, соответствующий показаниям индикатора.
27
3.6. Работа с цифровым регистратором
3.6.1. Подготовка цифрового регистратора к работе
После включения питания светодиод (СД) регистратора на передней панели прибора должен мигать короткими вспышками, что является признаком
работоспособности и готовности его к работе. Если СД не мигает, то следует
нажать кнопку «Сброс». Если и после этого мигания нет, то значит прибор неисправен и его следует передать для ремонта специалисту.
3.6.2. Запись данных в ОЗУ
Подключить измерительный преобразователь к прибору, нажать и удерживать кнопку «Запись» до тех пор, пока не погаснет красный СД (время свечения СД соответствует времени приема данных от АЦП и записи их в ОЗУ).
Если СД не погас в течение 10 с, то это означает, что измерение происходило с
помехами и записанные данные искажены. В этом случае необходимо нажать
кнопку «Сброс» (СД должен погаснуть и затем мигать в режиме готовности) и
произвести запись повторно.
3.6.3. Передача данных в ПК
При отключенном питании прибора соединить кабелем СОМ-порт ПК и
выходной разъем ЦР. Включить питание прибора (СД должен мигать в режиме
готовности – короткие вспышки). Запустить программу приема данных на ПК
PRFIN1.EXE. Согласно меню в верхней строке экрана нажать клавишу «F5» ПК
и затем – кнопку «Передача» на ЦР. В процессе передачи данных на экране появляется символ «x» после приема каждого блока по 256 байтов, при этом инвертируется состояние свечения СД. После приема 32 блоков на экране выводится
сообщение, что принято 8192 байта (32 символа «x»).
Если выведенное число не соответствует указанному, то это означает, что
ПК не успевает принимать данные. Если ввод осуществляется под управлением
Windows, то необходимо присвоить указанной программе наивысший приоритет в опции «Свойства» файла и повторить передачу данных. Для выхода из
программы приема данных нажать клавишу «F10». Принятые данные записываются в файл MOM18.LIH.
3.6.4. Формат записи данных в файле MOM18.LIH
Каждая запись состоит из двух байтов, причем старший байт записан по
младшему адресу. Первая запись содержит контрольную сумму всех остальных
28
4095 записей. Вторая запись всегда должна содержать число 4096 (1000h), что
означает корректность произведенной ЦР записи данных. Остальные записи по
порядку соответствуют измеренным данным в шестнадцатеричном виде. Этот
файл можно просмотреть сразу после приема данных после нажатия клавиши
«F3» на экране ПК или каким-либо другим редактором текста (например, Norton Commander).
3.6.5. Тестирование цифрового регистратора
Для проверки надежности хранения информации и работоспособности
ОЗУ необходимо выполнить две операции.
Запись тестового кода в ОЗУ осуществляется нажатием и удерживанием
кнопки «Запись» во время включения питания ЦР до тех пор, пока не погаснет СД
(или нажатием и удерживанием кнопки «Запись» при нажатой кнопке «Сброс» с
последующим поочередным отпусканием кнопки «Сброс» и «Запись»).
На втором этапе необходимо нажать и удерживать кнопку «Передача» при
включении питания (или нажатием и удерживанием кнопки «Передача» при
нажатой кнопке «Сброс» с последующим поочередным отпусканием кнопки
«Сброс» и «Передача»). При нормальной работе ОЗУ СД должен мигать равномерно с периодом примерно 0,5 с (при удержании кнопки «Передача»). Если (при
удержании кнопки «Передача») СД не мигает, то это означает, что ОЗУ не работает и необходимо заменить батарею 4,5 В. Если и после установки новой батареи
тест не проходит, то регистратор необходимо передать на ремонт специалисту.
3.7. Порядок работы с программным обеспечением
1) Запустить программу Profilometr (рис. 9).
Назначение кнопок программы:
«Обработка» – ввод информации о высоте каждой коллекторной пластины (считывание файла mom18.lih);
«Печать протокола» – просмотр и распечатка протокола испытаний;
«Выход» – завершение работы с программой.
2) Ввести исходные данные двигателя, для этого выбрать его тип из
списка «Тип двигателя», записать его номер в поле «Номер двигателя», а также
ввести фамилию испытателя в поле «ФИО испытателя». Выбрать порт ввода, к
которому подключен накопитель, соответствующей пометкой в поле «Порт
29
ввода данных». Информация о количестве коллекторных пластин и допустимом
значении биения будет отображена автоматически.
Рис. 9. Общий вид программного обеспечения
3) Для чтения информации о высоте коллекторных пластин нажать на
кнопку «Обработка информации» (рис. 10).
Рис. 10. Режим чтения информации
По запросу программы выбрать режим считывания: «OK» – чтение информации из накопителя, «Отмена» – обработка информации из файла
mom18.lih, находящегося в директории программы.
В режиме «ОК» программа переходит в режим «Ожидание», и необходимо нажать кнопку «Передача» на лицевой панели прибора. При получении первого байта считываемой информации кнопка «Ожидание» изменит свою
30
надпись на «Чтение», при этом СД «Работа» на лицевой панели будет мигать с
меньшей частотой. В режиме «Отмена» и в результате считывания будет сформирован файл mom18.lih в директории программы.
4) Программа производит построение профилограммы и спектральной характеристики, вывод информации о значениях высоты коллекторных пластин,
расчет параметров биения, максимального перепада между соседними коллекторными пластинами и среднего квадратического отклонения (СКО) с отображением полученных данных в соответствующих полях, выполняет гармонический
анализ. Списки «Минимум» и «Максимум» позволяют изменять диапазон значений по вертикальной оси профилограммы (рис. 11).
Результат обработки информации выдается в виде заключения «Биение
поверхности коллектора выше нормы» либо «Биение поверхности коллектора
соответствует норме».
Рис. 11. Режим обработки данных
5) Для сохранения профилограммы необходимо установить курсор на поле профилограммы и дважды нажать на левую кнопку «мыши», появится режим сохранения данных (рис. 12).
В этом режиме вводится имя файла, который сохраняется в папке «Profilometr».
31
6) Кнопка «Печать протокола» (рис. 13) открывает окно с подготовленным отчетом о проведенных испытаниях. При нажатии кнопки с изображением
принтера будет произведена распечатка результатов испытаний. Для выхода из
режима протокола следует нажать кнопку «Close».
7) Для выхода из программы необходимо нажать кнопку «Выход».
Рис. 12. Режим сохранения профилограммы
Рис. 13. Режим печати протокола
32
3.8. Порядок проведения работы
1) По заданному (преподавателем) значению максимального биения коллектора установить требуемый зазор между датчиком и рабочей поверхностью
коллектора δизм.
2) Запустить стенд и выставить заданную (преподавателем) частоту вращения.
3) Произвести оценку состояния профиля коллектора испытуемой машины в динамическом режиме работы.
4) Определить общее биение коллектора испытуемой машины (по стрелочному индикатору на лицевой панели прибора и по электронному осциллографу (ЭО)).
5) Выполнить гармонический анализ профиля коллектора испытуемой
машины.
6) Сделать выводы.
3.9. Ход работы
Для выполнения п. 1 разд. 3.8 установите датчик над центром коллекторной пластины и соответствующей кнопкой прибора перейдите в режим «Зазор».
Затем, вращая микрометрический винт 2 датчика (см. рис. 7), переместите его
подвижную часть 3 до соприкосновения с контролируемой поверхностью. Момент соприкосновения фиксируйте по прекращению движения стрелки индикатора прибора. Ручкой «Уст. 0» установите показание стрелочного индикатора,
соответствующее требуемому зазору δизм. После этого, вращая микрометрический винт 2, установите зазор δизм между датчиком и коллекторной пластиной, при этом стрелка индикатора должна совпасть с нулевым делением.
Для оценки профиля коллектора в динамическом режиме работы подключите к выходу профилометра ЭО.
Для определения общего биения коллектора машины по прибору нажмите кнопку «Биение» на панели прибора и зафиксируйте полученное значение по
стрелочному индикатору. По экрану осциллографа измерьте разность значений
амплитуды между максимально выступающей пластиной и минимально западающей и заполните табл. 8.
33
Сохраните профилограмму в цифровом регистраторе и передайте информацию в компьютер (см. подразд. 3.6).
С помощью программного обеспечения произведите обработку переданной информации (см. подразд. 3.7). Распечатайте построенную профилограмму
и спектральную характеристику.
Гармонический анализ профиля коллектора предполагает разложение периодической функции профиля коллектора η(х) с периодом 2π в ряд Фурье для
определения спектра амплитуд и фаз высших гармоник:
а0 n
 2π

η = + ∑ Аν sin ν
х + ϕν ,
2 ν =1
 L

где
(13)
а0
– постоянная составляющая;
2
ν – номер гармоники;
Аν, φν – амплитуда и фаза ν -й гармоники;
L – длина окружности коллектора, м.
Произведите расчет значений амплитуд гармоник и заполните табл. 9.
Таблица 8
Результаты эксперимента
Частота
вращения
n, об/мин
Биение, мкм
индикатор
ЭО
программа
Значение перепада
∆h, мкм
Среднее квадратическое
отклонение,
мкм
Таблица 9
Результаты гармонического анализа
Номер гармоники ν
1
2
3
Амплитуда ν-й гармоники Аν, мкм
34
…
n
3.10. Контрольные вопросы
1) Каковы причины ухудшения качества коммутации при неудовлетворительном механическом контакте?
2) Методы, применяемые для диагностирования профиля коллектора.
3) Принцип работы профилометра ПКП.
4) В каком режиме работы профилометра возможна более качественная
оценка профиля коллектора и почему?
Лабораторная работа 4
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с устройством, принципом действия и
основными характеристиками диагностической системы; выработать практические навыки диагностирования технического состояния коллекторнощеточного узла тягового двигателя.
4.1. Краткие теоретические сведения
Достоверный контроль и диагностирование технического состояния коллекторно-щеточного узла возможны лишь при учете как электромагнитных, так
и механических факторов, влияющих на состояние коммутации ТЭД. Метод
диагностирования должен позволять определять причины неудовлетворительной работы КЩУ в условиях неидентичности коммутационных циклов секций
якорной обмотки.
Необходимо отметить, что неидентичность коммутационных циклов обусловлена не только явлениями, присущими преобразованию энергии в машинах постоянного тока, но и конкретными технологическими отклонениями,
возникающими при изготовлении машины. Для обеспечения объективного и
достоверного контроля состояния качества работы КЩУ тяговых электродвигателей необходимо сформировать информационный массив данных о распределении искрения по коллектору и состоянии его рабочей поверхности, рассчитать значения диагностических параметров и произвести диагностирование
35
технического состояния КЩУ. С этой целью разработана диагностическая система, функциональная схема которой представлена на рис. 14.
4.2. Технические данные и описание диагностической системы
Диагностическая система предназначена для объективного и достоверного контроля состояния качества работы коллекторно-щеточного узла тяговых
электродвигателей.
В состав диагностической системы входят прибор контроля профиля коллектора, основанный на применении вихретокового первичного преобразователя, обладающего повышенной термостабильностью результатов измерения и
имеющего цифровой накопитель информации о состоянии профиля коллектора,
и устройство обработки и накопления информации о распределении импульсов
искрения по коллектору, использующее информационный сигнал (напряжение)
с разнополярных щеток либо с емкостного датчика, устанавливаемого на щеткодержателе в коллекторной камере тягового электродвигателя.
Обработка полученной информации осуществляется специально разработанным программным обеспечением на ЭВМ, входящей в состав системы.
Внедрение диагностической системы позволит контролировать уровень искрения щеток тяговых электродвигателей в процессе их испытаний и повысить достоверность контроля состояния рабочей поверхности коллектора тяговых
электродвигателей.
Диагностическая система сохраняет свои характеристики при температуре окружающей среды от 10 до 30 °С.
Питание системы – от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В ± 10 %.
Программное обеспечение системы выполняет запись распределения импульсов искрения по коллектору и профилограммы коллектора с выводом
изображения на экран, распечатку протокола испытания с выдачей результата
по техническому состоянию коллекторно-щеточного узла.
Устройство обработки и накопления информации о распределении импульсов искрения по коллектору обеспечивает выделение импульсов искрения из
информационного сигнала при питании испытуемого двигателя от тиристорного
преобразователя, а также формирование массива данных о времени появления
импульсов искрения и их длительности, с последующей передачей в ЭВМ.
36
Потребляемая из сети мощность – не более 60 Вт; габаритные размеры –290 ×
240 × 100 мм; масса – не более 3 кг.
Технические характеристики, устройство и принцип действия прибора
контроля профиля коллектора тяговых электродвигателей приведены в лабораторной работе 3.
Рассмотрим работу диагностической системы (см. рис. 14). Оценка состояния коммутации осуществляется по сигналу с разнополярных щеток либо по
сигналу с емкостного датчика (ЕД), устанавливаемого на сбегающем крае щетки испытуемого двигателя (ИД). Сигнал с ЕД или с разнополярных щеток поступает на входное устройство (ВхУ), в котором выделяются импульсы искрения. Эти импульсы подаются на устройство обработки и накопления информации (УОНИ), который формирует массив данных, состоящий из длительности
импульсов искрения и времени их прохождения по коллектору. Сформированный массив через интерфейс (ИНТ) передается в ЭВМ.
ЕД
УОНИ
ВхУ
ИНТ
ИД
ЦНИ
АЦП
ЭВМ
ВД
ПКП
ПО
Рис. 14. Функциональная схема диагностической системы
Аналоговый сигнал с выхода прибора контроля профиля коллектора
(ПКП) шифруется в блоке аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и хранится в цифровом накопителе информации (ЦНИ). ЭВМ с помощью программного обеспечения (ПО) производит обработку полученной информации и выдает значения диагностических параметров, по которым формируется результат
диагностирования.
Диагностическая система может быть использована для контроля технического состояния КЩУ ТЭД как при гладком питании испытуемых машин от
37
электромашинных преобразователей постоянного тока, так и при питании их от
импульсных статических тиристорных преобразователей.
Функциональная схема устройства формирования диагностического сигнала об интенсивности искрения щеток представлена на рис. 15. Сигнал с емкостного датчика или с разнополярных щеток испытуемой машины имеет низкочастотные пазовые и ламельные пульсации, высокочастотные импульсы, связанные с
процессом коммутации, и импульсы помехи от тиристорного преобразователя.
Подключение к выходу входного устройства фильтра высокой частоты (ФВЧ)
позволяет устранить низкочастотные пульсации сигнала и значительно снизить
амплитуду импульсов помехи, вызванных импульсным источником питания.
Периодическая импульсная помеха, обусловленная тиристорным питанием, имеет постоянный период, зависящий от способа переключения и режима
работы тиристорного преобразователя, в то время как период следования импульсов искрения зависит от частоты вращения якоря. При этом импульсная
помеха и импульсы искрения не синхронизированы во времени друг с другом,
поэтому для исключения влияния импульсной помехи вход измерительного
блока блокируется на время действия импульса помехи с использованием для
формирования импульсов запрета сигнала с выхода ФВЧ, подключенного к
шинам питания электродвигателя.
К тиристорному
преобразователю
Б
1
2
4
3
5
12
6
13
А
7
В
8
Г
9
10
Д
11
Рис. 15. Функциональная схема устройства формирования
диагностического сигнала
38
Е
1
2
Временная диаграмма работы устройства приведена на рис. 16. Информационный сигнал (см. рис. 15) поступает на вход усилителя 1 с высоким входным сопротивлением, который увеличивает амплитуду сигнала. Фильтр 2
ослабляет низкочастотные пульсации. Импульсы с выхода фильтра 2
(рис. 16, а) поступают на входы коммутатора 4 и двухполупериодного линейного выпрямителя 3. Сигнал на входе фильтра 8, подключенного через разделительные конденсаторы к шинам питания, не содержит высокочастотные импульсы искрения, которые подавляются интегрирующей цепью, образованной
сглаживающим дросселем и внутренним сопротивлением источника питания.
Импульсы с фильтра 8 (рис. 16, в) через двухполупериодный линейный
выпрямитель 9 поступают на компаратор 10, где сравниваются с уставками
Uоп2. Прямоугольные импульсы с выхода компаратора 10 (рис. 16, г) запускают
ждущий мультивибратор, который формирует прямоугольные импульсы, длительность которых τз постоянна и превышает длительность импульсов помехи
от тиристорного преобразователя. Коммутатор 4 осуществляет подключение к
входу измерительного канала либо сигнала с выхода фильтра 2 (при измерении
интенсивности искрения раздельно от недо- или перекоммутированных секций
обмотки якоря), либо с выхода двухполупериодного линейного выпрямителя 3
(при оценке интенсивности искрения в целом по всей машине). Сигнал с выхода коммутатора 4 одновременно поступает на входы компараторов 5 и 6. Компараторы сравнивают этот сигнал с напряжением Uоп1, значение которого задается в зависимости от типа испытуемого тягового электродвигателя.
На выходе компараторов формируются прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует длительности импульсов дуговых разрядов и
импульсов помехи. Сигналы с выходов компараторов 5 и 6 (рис. 16, б) поступают на схемы совпадения 12 и 13 соответственно, на другие входы которых
подаются сформированные импульсы запрета с мультивибратора 11 (рис. 16, д).
На выходе схемы совпадения получаем прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует длительности импульсов искрения от недокоммутированных обмоток якоря или от перекоммутированных секций (рис. 16, е).
Устройство обработки и накопления информации (УОНИ) позволяет фиксировать длительность каждого импульса и время его появления для получения
распределения импульсов искрения по коллектору. В состав устройства входят
(рис. 17) формирователь импульса по переднему (ФИПФ) и заднему (ФИЗФ)
фронтам входного сигнала (предназначены для получения сигнала, по которому
39
производится запись времени прохождения фронтов информационного сигнала и
сигнала запрета), два адресных счетчика (АС), два оперативно-запоминающих
устройства (ОЗУ) для записи времени прохождения фронтов, генератор высокой
частоты (ГВЧ), счетчик реального времени (СРВ), буфер выдачи текущего состояния счетчика реального времени, регистр управления (РУ), датчик оборотов
(ДО) и формирователя оборотного импульса (ФОИ).
а)
U о п1
t
б)
t
в)
U о п2
t
г)
t
д)
з
t
е)
t
Рис. 16. Временная диаграмма работы устройства обработки сигнала
Временная диаграмма формирования информационных импульсов приведена на рис. 18. С емкостного первичного преобразователя поступает сигнал,
содержащий высокочастотные импульсы искрения и импульсы от тиристорного
источника питания (рис. 18, а). На вход схемы накопления информации приходят прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует длительности высокочастотных импульсов искрения и прямоугольных импульсов,
40
сформированных по импульсам помехи, обусловленным импульсным характером источника питания (рис. 18, б).
ФИПФ
АС1
ОЗУ1
ФИПФ
АС2
ОЗУ2
ГВЧ
СРВ
ИНТ
Буфер
РУ
ДО
ФОИ
Рис. 17. Устройство обработки и накопления информации
о распределении импульсов искрения
а)
U
оп1
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 18. Временная диаграмма формирования информационных импульсов
41
По другому каналу поступают прямоугольные импульсы сигнала запрета,
длительность которых превышает длительность импульсов помехи (рис. 18, в).
С помощью программного обеспечения, написанного на языке высокого уровня
Borland C++ Builder, производится обработка полученной выборки. Взаимодействие оператора с программным обеспечением реализовано в интерактивном (диалоговом) режиме с использованием меню.
Сформированная выборка состоит из времени прохождения передних и
задних фронтов импульсов искрения. При одновременном поступлении импульсов запрета и информационного возможна потеря информации об интенсивности искрения в этот момент. Поскольку тиристорный импульс не синхронизирован с оборотным импульсом, то восстановление потерянной информации возможно при снятии выборки за несколько оборотов якоря машины. Далее
формируется распределение импульсов искрения за оборот, рассчитывается
длительность информационных импульсов и организуется двумерный массив,
состоящий из времени появления импульса и его длительности.
Сформированные массивы данных, соответствующие распределению импульсов искрения по коллектору и его профиля, вводятся в память ЭВМ и обрабатываются программным обеспечением.
Для решения задачи диагностирования контролируются следующие параметры: произведение среднего и среднеинтегрального значений длительности дуговых разрядов раздельно от пере- и недокоммутированных секций
( τ τ Т пк и τ τ Т нк ), максимальная длительность импульсов искрения раздельно
от пере- и недокоммутированных секций (τ m пк и τ m нк ), текущее значение частоты вращения ni, минимальное значение второй производной функции профиля коллектора η&&min , среднеквадратическое отклонение значений второй производной
σ η&& ,
изменение двух последних параметров за время испытаний
( ∆η&&min и ∆σ η&& ), и частоты вращения ∆n при смене направления вращения якоря,
эффективное значение вибрационной скорости испытуемой машины а (последние два параметра контролируются при приемосдаточных испытаниях тяговых
электродвигателей в условиях локомотивных депо).
По полученным данным диагностическая система определяет количественные характеристики диагностических параметров и отображает их на
экране монитора. Кроме того, система выводит на экран монитора текстовую и
42
графическую информацию о результате испытаний. Эта информация регистрируется на печатающем устройстве.
Рис. 19. Начальный экран программного обеспечения
Программное управление процессом диагностирования обеспечивает
автоматическое измерение частоты вращения испытуемого двигателя по
сигналу оборотного датчика;
автоматический контроль состояния аппаратных средств системы и проверку корректности получаемых данных;
вывод по запросу оператора на принтер протокола испытаний;
отображение даты и времени испытаний.
Программное обеспечение диагностической системы включает в себя
несколько режимов работы. Для ввода исходной информации о типе и номере
испытуемого двигателя, условиях испытаний и фамилии испытателя предусмотрены соответствующие поля в начальном меню.
После запуска испытуемого двигателя производится запись информации
об искрении с помощью нажатия на кнопку «Измерение» на закладке «Искрение щеток» (рис. 20). В поля ввода заносятся значения частоты вращения, тока
якоря и подпитки, определяемые по приборам стенда. Полученный массив дан43
ных о времени прихода импульсов искрения передается из цифрового накопителя в память ЭВМ, и производится расчет диагностических параметров и
определение балла искрения по ГОСТ 183-74.
Рис. 20. Внешний вид программы в режиме «Искрение щеток»
Для ввода и обработки информации о состоянии профиля коллектора
предусмотрена закладка «Профиль коллектора» (рис. 21), в которой имеются
следующие кнопки:
«Чтение из накопителя» – запускает процесс ввода информации из цифрового накопителя прибора ПКП-4М во временный двоичный файл mom18.lih.
Чтение информации из накопителя осуществляется согласно методике, описанной в лабораторной работе 3 «Оценка состояния профиля коллектора»;
«Обработка» – считывание файла mom18.lih, при нажатии этой кнопки
программа производит построение профилограммы, вывод информации о значениях высоты коллекторных пластин, расчет параметров биения, максимального перепада между соседними коллекторными пластинами и среднего квад-
44
ратического отклонения (СКО) с отображением полученных данных в соответствующих полях;
«Протокол» – просмотр и распечатка протокола испытаний по оценке
профиля коллектора. Списки «Минимум» и «Максимум» позволяют изменять
диапазон значений по вертикальной оси профилограммы.
Рис. 21. Внешний вид программы в режиме «Профиль коллектора»
На закладке «Протокол испытаний» (рис. 22) находится подготовленный
отчет со сводными результатами о проведенных испытаниях. При нажатии кнопки «Печать» с изображением принтера будет произведена распечатка результатов испытаний. Для выхода из режима печати протокола нажать кнопку «Close».
На закладке «Настройки системы» (рис. 23) можно изменять значения системных установок: адресов ввода/вывода и компонентов системы, порт ввода
данных для прибора ПКП-4М, коэффициенты аппроксимации зависимости искрения и другие параметры испытаний.
Порт ввода, к которому подключен накопитель ПКП-4М, выбирают соответствующей пометкой в поле «Порт ввода данных». Коэффициенты аппроксимации вводятся при первоначальной настройке диагностической системы и в
дальнейшем не корректируются.
45
Рис. 22. Внешний вид программы в режиме «Протокол испытаний»
Рис. 23. Внешний вид программы в режиме «Настройки системы»
46
4.3. Подготовка диагностической системы к работе
1) Установить емкостной датчик на щеткодержатель и с помощью
устройства контроля установки датчика убедиться в том, что датчик не касается
коллектора. Если после нажатия кнопки загорается светодиод, значит, датчик
касается коллектора. Следует произвести правильную установку датчика.
Вместо емкостного датчика можно использовать сигнал с разнополярных щеток испытуемого двигателя, для этого необходимо входное устройство, присоединенное к разнополярным щеткам, подсоединить к информационному входу
устройства обработки и накопления информации.
2) Подключить вспомогательный вход прибора через разделительные
конденсаторы и делитель напряжения к шинам питания тиристорного преобразователя до сглаживающего дросселя.
Я
КО
ИД
ОВ
ДП ЯЯ
С1
ДО
R1
XP1 XS1
Вх.1
С2
ИБ
XP2 XS2
R2
Вх.2
XP3 XS3
Вх.3
Рис. 24. Схема подключения измерительного блока
3) Установить датчик оборотов и подключить его к входу устройства
(разъем XS3 «Вх.3» на задней панели).
4) Запустить схему подпитки добавочных полюсов и испытуемый тяговый двигатель, подпиткой добавочных полюсов (см. лабораторную работу 1)
вызвать искрение под сбегающим краем щеток от перекоммутации секций интенсивностью 1½ балла по ГОСТ 183-74. Подключить электронный осциллограф к выходу фильтра 2 (см. рис. 15), определить амплитуду низкочастот-
47
ных пульсаций и программно установить напряжение селекции на 1 – 2 В выше
этой амплитуды.
Отсчет результатов измерений диагностических параметров, характеризующих интенсивность искрения производится с помощью программного обеспечения, полученные результаты измерения заносятся в протокол.
Подготовка прибора контроля профиля коллектора к работе и установка
вихретокового датчика осуществляются в соответствии с рекомендациями,
приведенными в лабораторной работе 3.
4.3. Порядок выполнения работы
1) Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями по работе.
2) Изучить устройство, принцип действия и основные характеристики диагностической системы контроля технического состояния коллекторнощеточного узла тягового двигателя.
3) Запустить испытуемый тяговый двигатель, установить номинальную
частоту вращения, подпиткой добавочных полюсов вызвать искрение под сбегающим краем щеток интенсивностью 1½ балла по ГОСТ 183-74, произвести
запись распределения импульсов искрения по коллектору и профиля коллектора испытуемой электрической машины.
4) Проанализировать полученные результаты. Сделать выводы о возможных дефектах и неисправностях.
4.4. Содержание отчета
1) Краткие теоретические сведение о диагностической системе контроля
технического состояния коллекторно-щеточного узла тягового двигателя.
2) Протоколы испытания тягового двигателя и выводы по ним.
3) Ответы на контрольные вопросы.
4.5. Контрольные вопросы
1) Какие факторы оказывают влияние на состояние коммутации тягового
электродвигателя?
48
2) Какие диагностические сигналы используются для получения информации об искрении и о состоянии профиля коллектора тягового электродвигателя?
3) Перечислите диагностические параметры, используемые в процессе
диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя.
Библиографический список
1. В о л ь д е к А. И. Электрические машины / А. И. В о л ь д е к. Л.: Энергия, 1974. 840 с.
2. А в и л о в В. Д. Методы анализа и настройки коммутации машин
постоянного тока / В. Д. А в и л о в. М.: Энергоатомиздат, 1995. 237 с.
3. Г е м к е Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Г е м к е. Л.:
Энергия, 1969. 272 с.
4. Х а р л а м о в В. В. Методы и средства диагностирования технического
состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других
коллекторных машин постоянного тока / В. В. Х а р л а м о в. Омский гос. ун-т
путей сообщения. Омск, 2002. 233 с.
5. Диагностирование и настройка коммутации тяговых и других коллекторных электрических машин / В. Д. А в и л о в, В. П. Б е л я е в и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002. 134 с.
49
Учебное издание
АВИЛОВ Валерий Дмитриевич, ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич,
ШКОДУН Павел Константинович, СЕРГЕЕВ Роман Владимирович
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ
УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Часть 2
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА
ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
–––––––––––––––––––––
Редактор Т. С. Паршикова
* * *
Подписано в печать
.2006. Формат 60 × 84 116 .
.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 3,1. Уч.-изд. л. 3,4.
Тираж 120 экз. Заказ
.
* *
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
50
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
16
Размер файла
1 179 Кб
Теги
1528
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа