Введение к работе
Актуальность темы. Электрические машины обеспечивают эффективность электропривода технических устройств, поэтому их надёжность определяет работоспособность устройств в целом. В особенности это актуально для электрических машин транспортных устройств, которые имеют, как конструктивные особенности, так и особенности условий функционирования, и поэтому к ним предъявляются повышенные требования надёжности для обеспечения бесперебойного процесса перевозок и безопасности движения. На железнодорожном транспорте таковыми являются генераторы локомотивов, тяговые электродвигатели (ТЭД) электровозов, тепловозов, моторных вагонов и дизель поездов, а также вспомогательные электрические машины подвижного состава, путевых машин и устройств верхнего строения пути.
Однако в реальных условиях требуемый уровень надёжности электрических машин, в том числе и ТЭД, не обеспечивается. Анализируя неисправности подвижного состава, возникающие в процессе эксплуатации, можно убедиться, что ТЭД являются наименее надежными узлами, поэтому на ремонтных заводах и в депо производится их демонтаж и разборка для определения степени износа и выполнения ремонтно-восстановительных работ, а также для выявления причин неисправностей. В результате ремонтно-восстановительных работ электрических машин в некоторых случаях происходит снижение их надёжности. В особенности это относится к магнитной цепи и щёточно-коллекторному узлу ТЭД. Так, например, у ТЭД электровозов после ремонта встречаются повреждения в виде повышенного износа щёток и коллектора из-за искрения и нарушения нормальной коммутации, а также из-за переброса электрической дуги по коллектору, или круговых огней. Результатом этого являются остановки движения на перегоне, нарушение безопасности движения, повышение количества неплановых ремонтов и соответственно экономических затрат. Вследствие этого существует проблема обеспечения эффективности ремонтно-восстановительных работ электрических машин, заключительным этапом которых, как правило, является испытание и диагностика. При этом необходимые средства диагностирования не всегда используются из-за сложностей их применения, или отсутствуют из-за их дефицита, хотя одним из важных условий диагностирования технических устройств является избыточность информации о техническом состоянии.
Несмотря на то, что существует множество методов диагностики электрических машин, которые позволяют выявить их неисправности, представляет интерес задача разработки новых научно обоснованных методов, с учётом возможностей применения современных измерительных систем и способов анализа информации. Актуальность такой задачи также объясняется стремлением повысить вероятность правильного и точного диагноза при различных неисправностях электрических машин.
В этой связи тема диссертации актуальна и её заключительным этапом является разработка методики и контрольно-измерительного комплекса для определения и идентификации дефектов электрических машин.
Целью работы является научное обоснование и совершенствование методики диагностирования коллекторных электрических машин, позволяющей определять дефекты, влияющие на качество коммутации и токосъема. При этом за основу принята система тестового диагностирования в виде пуска электрической машины на холостом ходу.
В соответствии с поставленной целью необходимо было установить физический, аппаратный и информационный аспекты диагностики, а именно:
исследовать причины, влияющие на появление дефектов, связанных с коммутацией в электрических машинах и, в особенности, у тяговых электродвигателей;
определить параметры электрических машин, характеристики которых содержат диагностическую информацию о наличии неисправностей или дефектов;
установить особенности характеристик диагностической информации и методов их математической обработки;
разработать методику по определению типа дефектов;
произвести выбор оптимальных технические средств для определения типа дефектов, используя диагностический тест в виде процесса пуска электрической машины на холостом ходу.
Объект исследований: тяговые и вспомогательные электрические машины подвижного состава, путевые электрические машины железнодорожного транспорта.
Предмет исследований: расчётные и экспериментальные переходные функции напряжения между щётками различной полярности, ток и частота вращения якоря электрических машин, эквипотенциальные линии векторного магнитного потенциала магнитной цепи электрических машин.
Методика исследований.
Теоретические и экспериментальные исследования пусковых диаграмм электрических машин при работе на холостом ходу с использованием:
методов численного решения нелинейных дифференциальных уравнений переходных процессов и дифференциальных уравнений в частных производных для анализа магнитного поля электрических машин;
методов статистического анализа стационарных и случайных процессов;
методов гармонического анализа;
вейвлет-анализа;
метода планирования эксперимента и многофакторного анализа;
современного программного обеспечения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
научно обоснован тестовый метод диагностирования электрических машин в виде их пуска на холостом ходу;
разработаны математические модели функционирования электрической машины при проведении диагностического теста, как объекта с сосредоточенными и распределёнными параметрами;
установлена взаимосвязь конструктивных особенностей электрических машин с технологическими факторами и дефектами, которая в итоге определяет диагностическую информацию, получаемую при тестовых испытаниях;
исследованы особенности статистических, спектральных и корреляционных характеристик диагностической информации исправных и неисправных электрических машин;
научно обоснован метод применения вейвлет-анализа для оценки параметров переходных функций и пусковых диаграмм при тестовом диагностировании электрических машин;
определены качественные и количественные характеристики пульсаций небалансной электродвижущей силы в зоне коммутации, а также пульсации магнитного поля, обусловленные наличием дефектов;
установлено, что дефекты механического и электромагнитного характера в различной степени влияют на пусковые диаграммы электрических машин;
предложен диагностический параметр, позволяющий при проведении тестовых испытаний установить разновидности дефектов электрических машин и, в том числе, разделить их на дефекты механического или электромагнитного характера.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждена строгостью теоретического обоснования, корректностью применения математического аппарата и результатами экспериментальных исследований, как в лабораторных условиях, так и в условиях локомотивного депо на электрических машинах МСП-0,25, ДМК-1 и ТЭД НБ-418К6 в период 2005-2010 гг.
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
Создан и внедрен опытный образец контрольно-измерительного комплекса по определению типа дефекта тяговых электрических машин НБ-418К6.
Разработана прикладная программа цифровой и компьютерной обработки осциллограмм пульсаций напряжения между щётками различной полярности и тока якоря электрических машин постоянного и пульсирующего тока с использованием вейвлет-анализа.
Разработано приложение, предназначенное для целей исследования электромагнитных полей применительно к электрическим машинам в процессе тестовых испытаний.
Публикации.
По результатам проведенных исследований опубликовано 15 печатных работ, из них 3 - в журналах, рецензируемых ВАК.
Апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на IX международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: дорога в будущее» (Чита, ЗабИЖТ, 2005 г.), X международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: культура здоровья – здоровое общество» (Чита, ЧГМА, 2006 г.), «Всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, Чита, 22-24 ноября 2006 г.», Пятой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в ХХI веке.», Хабаровск, ДВГУПС 17-19 апреля 2007 г. «45-й Международной научно-практической конференции ученых транспорта вузов, инженерных работников и представителей академической науки» 7-9 ноября 2007 г. ДВГУПС, Хабаровск, XII международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: перспектива развития края», г. Чита, 10-11 апреля 2008 г., Международной научно-практической конференции «Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края», г. Чита, 1-4 октября 2008 г., на заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ЗабИЖТ (ИрГУПС), (2005 - 2010) г., на заседании Научно-технического совета ЗабИЖТ (ИрГУПС), на заседаниях кафедры «Электрические машины» МИИТа, (2009-2010 г.), на совместном заседании кафедр «Электрические машины» и «Электрическая тяга» МИИТа 20.11.2008 г.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из 189 страниц, 83 рисунков, 25 таблиц и имеет следующие разделы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 175 наименования и 5 приложений.
