VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В настоящее время существует огромное количество различных методов диагностирования двигателей постоянного тока, применяемых в различных сферах промышленности и транспорта, в том числе железнодорожного. Данное разнообразие методов связано непосредственно с конкретными условиями эксплуатации двигателей, а также с преимуществами одного метода диагностирования перед другим.

Работы в области разработки методов и средств диагностирования тяговых электродвигателей (ТЭД) выполнялись учеными и специалистами ВНИИЖТ, различных ВУЗов железнодорожного транспорта, силами специалистов локомотиворемонтных заводов и депо. Существуют различные направления в разработке методов диагностики указанных электрических машин, что объясняется разнообразием возможных неисправностей и типов дефектов ТЭД.

Для разработки новой методики диагностирования паяных соединений петушков коллектора ТЭД возникает необходимость в исследовании тепловой нестационарной модели коллектора ТЭД. Существуют различные методы по расчету температурных полей для двигателей постоянного тока, обладающие своими достоинствами, и имеющие также свои недостатки, обусловленные допущениями принятыми в используемых математических моделях.

Анализируя существующие методики тепловых расчетов, был сформулирован вывод, что существующие методы определения температурного поля не учитывают геометрию коллектора и поэтому являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов. Так, например, такой метод как метод тепловых схем замещения имитирует только пути передачи тепловых потоков. Этот метод не дает полный картины теплограммы коллектора, а позволяет определять лишь средние значения температуры отдельных элементов. При расчете теплового поля коллектора методом тепловых схем замещения используются выражения для расчета нагревания однородного тела, при этом коллектор в действительности не является однородным телом, так в своем составе имеет не только медные коллекторные пластины, но и миканит, имеющий свою теплопроводность, отличную от теплопроводности меди. Также к тепловым расчетам в коллекторе относятся методики, основанные на аналитическом решении уравнений одномерного температурного поля. Поэтому применение метода конечных элементов [6] является более целесообразным при анализе тепловых полей в процессе расчета теплограммы коллектора. Это обусловлено тем, что указанный метод позволяет учитывать не только геометрию моделируемого тела, но и разнородность материалов, их различную теплопроводность.

При некачественной пайке происходит увеличение переходного сопротивления в месте соединения и, как следствие, значительный нагрев, описываемый законом Джоуля – Ленца[2]:

Q = I²RdT (1)

где Q – количество теплоты, выделяющееся в переходном сопротивлении(мера энергии тела), Дж;

I – сила тока в проводнике, А;

R – переходное сопротивление, характеризующее плохой контакт, Ом.

dT – промежуток времени в течение которого происходит нагрев, с.

В соответствии с правилами ремонта электрических двигателей техническое состояние паяного соединения считается удовлетворительным при степени пропайки контактного соединения не менее 80 % [3, 4]. Для такого контактного соединения расчетным путем в программе Elcut установлено критическое значение температурного перепада, которое составляет 20 °С, и превышение температуры, являющееся браковочным критерием для оценки технического состояния якоря [5].

На рисунке 1 представлены три возможных зоны дефектов, связанных с некачественной пайкой коллекторной пластины в тяговом электродвигателе НБ-418 К6. Каждая зона выделана своим цветом. Зона 1 (оранжевый цвет) –зона пайки выводов якорной обмотки и петушка коллектора; зона 2 (красный цвет) и зона 3 (желтый цвет) – место пайки «петушка» и коллекторной пластины. Рисунок получен на основе данных Улан-Удэнского локомотиво вагоноремонтного завода (УУ ЛВРЗ).

Рисунок 1 –Зоны возможной некачественной пайки

На основе вышеизложеного, можно сформулировать следующие выводы.

1) При моделировании тепловых процессов, связанных с нагревом коллектора, диагностическим признаком наличия дефекта (некачественная пайка) является температурный перепад который составляет порядка 20 ºС [5].

2) Согласно представленных зон пайки (рисунок 1), влияние эффективной площади прилегания в месте контакта может распространяться на все три зоны. Но как показывает статистический анализ [1] наиболее частый дефект некачественной пайки приходится на зону 1.

3) Увеличение температурного перепада связано с увеличением переходного сопротивления в месте контакта "петушок – коллектор" [3].

4) Большинство методик расчетов распределения тепла в коллекторе (например, метод тепловых схем замещения) не учитывают геометрию коллектора и являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов.

С учетом вышеизложенного возникает необходимость в расчете с использованием метода конечных элементов в программной среде трехмерного моделирования с целью исследования влияния рассмотренного типа дефекта на нагрев коллектора.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чуйко А.Д. Анализ существующих методов диагностирования паяных соединений петушков коллектора тягового электродвигателя. В кн. «Управление, эксплуатация и ремонт железнодорожных узлов и агрегатов». Межвузовский сборник научных трудов / Чита: ЗабИЖТ, 2009г.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособ. для вузов / Трофимова Т.И. – 15-е изд. – М.: Академия, 2007. – 560 с.

3. ЦТ-ЦТВР-4782 – Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава.

4. Фоменко В.К. Разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей локомотивов: диссертация кандидата технических наук: 05.22.07.- Омск, 2008. – 143 с.

5.Чуйко А.Д. Расчет теплового поля коллектора в программной среде Elcut 5.6. В кн. «Инновации и современные технологии экономике и транспорту». Межвузовский сборник научных трудов / Чита: ЗабИЖТ, 2013.

6.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. –541 с.

Код для цитирования: Скопировать