авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение ресурса скользящего контакта универсальных коллекторных электродвигателей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Качин Олег Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА УНИВЕРСАЛЬНЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2008

Работа выполнена на кафедре электропривода и электрооборудования Томского политехнического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор,

Бекишев Рудольф Фридрихович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор,

Авилов Валерий Дмитриевич

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник,

Данекер Валерий Аркадьевич

Ведущая организация: ФГУП «Томский электротехнический завод»

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

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

Автореферат разослан «___» ноября 2008 года.

Ученый секретарь

совета по защите докторских и

кандидатских диссертаций,

к.т.н., доцент Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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



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

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

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

  • создание математической модели изнашивания щеток универсальных КЭМ, объединяющей в себе основные параметры, влияющие на изнашивание фрикционной, электроэрозионной и электрокоррозионной природы, а также учитывающей механическое состояние коллектора и подшипниковых узлов (ПУ), коммутационных процессов и других параметров работы СК в процессе наработки на ресурс;
  • разработка программного обеспечения для проведения виртуальных экспериментов, позволяющего оценить и отработать различные конструктивные решения основных элементов электрических машин и оптимизировать ряд их параметров с целью повышения ресурса КЩУ универсальных коллекторных электрических машин;
  • создание методов и средств экспериментальных исследований механического состояния КЩУ и ПУ в процессе эксплуатации ЭМ;
  • разработка новых конструктивных решений для повышения ресурса КЩУ ЭМ.

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

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

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

Практическая значимость работы заключается в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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





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

– проводятся опорные измерения и выполняются дополнительные измерения после перемещения измерительного преобразователя на образцовую величину о:

, , (1)

где yo, yд – выходной параметр измерительного устройства при опорном и дополнительном измерении, м; a – коэффициент коррекции измерительного тракта прибора; x – измеряемый зазор между ИП измерительного устройства и объектом измерения, м; о – образцовая величина изменения зазора, определяющая заданную точность измерений, м;

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

, . (2)

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

Проведенные экспериментальные исследования показали, что в динамических режимах зазор между ИП и контролируемой областью объекта может быть описан уравнением, которое включает сумму реального значения зазора (хреальн.) и ряда гармонических вибраций ПУ. Тогда при достаточно большом числе измерений среднее значение гармонических составляющих 0, а среднее значение зазора хреальн..

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

– проводится серия из Nо опорных измерений зазора;

– выполняется перемещение ИП на образцовую величину о, которая определяется по уравнению:

, (3)

где – максимальная погрешность изменения зазора на образцовую величину, м; – максимальная погрешность определения и в сериях последовательных измерений, м; – допустимая погрешность измерений зазора, м; – значение измеряемого зазора, м;

– проводится серия из Nд дополнительных измерений зазора (измененного на образцовую величину о);

– результаты серий опорных и дополнительных измерений зазора определяются как средние значения из Nо и Nд последовательных измерений в соответствии с выражениями:

, ; (4)

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

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

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

 Выделение профиля коллектора и-13

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

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

; (5)

, (6)

где yi – i-ое значение профилограммы, соответствующее i-ой ламели;

i = 1 K, К – количество коллекторных пластин; ;

j – номер гармоники; j – угловая частота j – той гармоники (j = ·j;  =2··nкол/60 – частота первой гармоники).

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

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

; , (7)

где – ближаешее целое число, Dk – диаметр коллектора,

bщ.д – ширина щетки по дуге окружности коллектора; ;

N – максимальное число анализируемых гармонических составляющих.

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

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

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

, (8)

где упов – повернутая к оси кривая вибраций якоря;

i = 1 K, К – количество коллекторных пластин;

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

, n = 1 K;

(9)

, где , n = (K+1) (2K-1).

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



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.