Разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей локомотивов

На правах рукописи

ФОМЕНКО Валентин Константинович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ТЕПЛОВИЗИОННОГО

КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЯКОРЕЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ВОЛОДИН Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Авилов Валерий Дмитриевич;

кандидат технических наук, доцент

Беляев Павел Владимирович.

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС г. Санкт-Петербург).

Защита диссертации состоится 19 июня 2009 г. в 9 часов на заседании
диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») по
адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 18 мая 2009 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; е-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

__________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2009

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 г., одним из восьми основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.

Решение указанной проблемы может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением устойчивой работы локомотивов и их систем. Эксплуатация локомотивов во многом зависит от надежности работы тяговых электродвигателей (ТЭД), которая определяется качеством выполненного ремонта. Значительный вклад в решение проблемы повышения надежности работы тяговых электродвигателей локомотивов внесли известные ученые В. Д. Авилов, А. С. Космодамианский, А. Т. Осяев, В. А. Четвергов, В. В. Харламов, Ш. К. Исмаилов, Е. Ю. Логинова, Н. А. Ротанов, И. П. Копылов, М. Д. Находкин, В. П. Смирнов, М. П. Костенко и др.

Существенное увеличение эксплуатационного ресурса тягового привода локомотивов может быть достигнуто в результате внедрения в систему технического обслуживания и ремонта локомотивов, механизации и автоматизации технологических процессов ремонта, методов безразборной диагностики, результатов научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ. Поэтому разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей является важной составляющей технических мероприятий, направленных на уменьшение количества неплановых ремонтов локомотивов.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и совершенствовании методов и средств контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей для повышения эксплуатационной надежности локомотивов.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

выполнен анализ технического состояния тяговых электродвигателей локомотивов в эксплуатации;

дана предварительная экспериментальная оценка возможности использования тепловизионного контроля для определения технического состояния якорей электрических машин;

разработана математическая модель нагрева якоря тягового электродвигателя локомотива, позволяющая исследовать влияние эффективной площади контакта паяных соединений на параметры температурного поля якоря электродвигателя;

установлена функциональная зависимость между эффективной площадью контакта паяных соединений и параметрами температурного поля якоря тягового электродвигателя;

предложена технология оценки технического состояния якоря тягового электродвигателя с применением компьютерного термографа «ИРТИС 200»;

проведены эксплуатационные испытания разработанной технологии контроля и дана оценка эффективности от ее внедрения.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, математического моделирования основных уравнений теплового баланса, теплопередачи и теории нагревания однородного твердого тела. Для расчета и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Microsoft Excel 2003 и математического программного обеспечения Math Lab 7.0. Разработка программного продукта производилась на языке программирования Delphi 7.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель нагрева якоря тягового электродвигателя локомотива, позволяющая исследовать влияние эффективной площади контакта паяных соединений на параметры температурного поля якоря электродвигателя.

2. Установлен диагностический параметр для оценки технического состояния якорей ТЭД – температурный перепад между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка».

3. Определено критическое значение температурного перепада между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка».

4. Предложена безразборная технология тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей локомотивов при проведении испытаний ТЭД после ремонта.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем сопоставления результатов моделирования с показателями теплового состояния ТЭД, полученными в ходе экспериментальных исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 7 %.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке следующих методик и средств:

методика расчета температурного поля на внешней поверхности якоря ТЭД;

функциональная зависимость между эффективной площадью паяных соединений якоря ТЭД и температурным перепадом между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка»;

алгоритм, методика, аппаратные и программные средства для проведения тепловизионного контроля технического состояния якорей ТЭД.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь, наука, творчество-2007» (Омск, 2007); научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2007); всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008» (Ростов-на-Дону, 2008); всероссийской научно-практической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2008); научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2009).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе одна – в издании, включенном в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 118 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая 46 рисунков и 11 таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность к.т.н., доценту Балагину Олегу Владимировичу за научные консультации при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе рассматриваются условия работы локомотивов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние тяговых электродвигателей.

Анализ отчетных данных МПС РФ и ОАО «РЖД» показал, что отказы локомотивов на сети железных дорог по причине выхода из строя тяговых электродвигателей составили 9 – 10 % от общего количества отказов по узлам локомотивов, в том числе 12 – 13 % – по причине выплавления припоя из «петушков» коллектора. Данный вид неисправности приводит к возникновению кругового огня по коллектору и последующему выходу ТЭД из строя. Причиной выплавления припоя из «петушков» является неудовлетворительное качество пайки либо уменьшение эффективной площади контактного соединения выводов якорной обмотки с «петушками» коллектора под действием эксплуатационных факторов (броски значений токов в переходных режимах, значительные динамические нагрузки и т. д.). Обнаружение данной неисправности на ранней стадии ее возникновения позволяет снизить количество неплановых ремонтов и отказов в пути следования.

Выполненный обзор методов и средств контроля технического состояния паяных соединений якоря позволяет считать, что существующие технологии безразборного контроля не обеспечивают в полной мере получение высокой достоверности результатов контроля. Наиболее перспективным в системе диагностирования следует считать тепловизионный контроль, получивший широкое распространение на транспорте, в энергетике, строительстве, медицине и т. д.

С учетом изложенного, сформулированы цель и задачи исследования в первой главе диссертации.

Во второй главе дана предварительная экспериментальная оценка возможности использования тепловизионного контроля для определения технического состояния тяговых электродвигателей локомотивов. Разработан стенд для активного нагревания якоря электродвигателя под воздействием электрического тока, протекающего по якорной обмотке, в режиме короткого замыкания. Предложена методика проведения экспериментальных исследований технического состояния якоря электродвигателя в лабораторных условиях. Выявлены зоны локального перегрева в местах соединения выводов якорной обмотки с коллекторными «петушками» (превышение температуры поверхности над соседними секторами якоря на 10 – 13 °С), что является следствием неудовлетворительного качества пайки контактных соединений.

В третьей главе разработана математическая модель нагрева якоря тягового электродвигателя под действием электрического тока и приводятся результаты моделирования влияния технического состояния якоря тягового электродвигателя на параметры его температурного поля.

Развитие теории расчета теплового состояния электродвигателей нашло отражение в работах ученых А. Е. Алексеева, Г. Готтера, А. А. Попова, Е. Ю. Логиновой, Н. А. Ротанова, И. П. Копылова, М. Д. Находкина, А. С. Космодамианского, В. Д. Авилова, Ш. К. Исмаилова, В.П. Смирнова, М. П. Костенко и др. Однако при этом авторы не ставили перед собой задачу определения температурного поля на поверхности якоря тягового электродвигателя.

Для разработки математической модели нагрева якоря ТЭД с целью определения температурного поля на его поверхности предложена расчетная схема распределения тепловых процессов по длине якоря (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема тепловых процессов тягового электродвигателя ЭД-118 А

Якорь тягового электродвигателя был условно разделен по всей его длине на девять тепловыделяющих элементов, и принято условие о том, что каждый такой элемент имеет законченную структуру. Для расчета количества тепла, выделяющегося в каждом элементе, и температуры на поверхности якоря предложена следующая математическая модель:

; (1) ; (2)

; (2) ; (6)

; (3) ; (7)

, (4) , (8)

, (9)

где Т – постоянная времени нагревания, мин; – количество теплоты, выделяющееся в рассматриваемом элементе якоря, Дж; – потери мощности в рассматриваемом тепловыделяющем элементе якоря, Вт; – температура рассматриваемого элемента якоря в данный момент времени, °С; , –установившееся и начальное превышение температуры над температурой охлаждающего воздуха рассматриваемого участка якоря, °С; – температура окружающего воздуха, °С; – время нагревания якоря, мин; n – индекс рассматриваемого элемента якоря; i – рассматриваемый период времени.

Определение приращения температуры охлаждающего воздуха на рассматриваемых участках якоря (для внешней поверхности якоря и поверхности аксиальных каналов) производилось с помощью уравнений теплового баланса:

; (10) ; (11)

где – количество тепла, передающееся с внешней поверхности или поверхности аксиальных каналов охлаждаемому воздуху в рассматриваемый момент времени, Дж; – коэффициент теплоотдачи с рассматриваемой поверхности, Вт/(м2·°С); F – теплоотдающая поверхность, м2; – удельная теплоемкость и расход охлаждающего воздуха, Дж/(кг·°С) и кг/ м3.

Техническое состояние якоря моделировалось различной степенью пропайки , %:

, (12)

где – площадь контактного соединения коллекторного «петушка» с выводом якорной обмотки при различном техническом состоянии, м2; – площадь идеального контактного соединения коллекторного петушка с выводом якорной обмотки, м2.

Для автоматизации и повышения оперативности выполняемых расчетов разработана программа на языке программирования DELPHI 7, позволяющая получать характер изменения температуры на поверхности якоря для различных начальных условий.

В ходе математического моделирования исследовались зависимости, характеризующие распределение температуры на поверхности якоря по всей его длине при различных значениях , , , .

В результате моделирования установлено следующее:

при токе якоря и частоте вращения после 30 мин нагрева наблюдается стабилизация перепада температуры между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка» (рис. 2);

температурный перепад между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка» при различной степени пропайки изменяется по зависимости, представленной на рис. 3, которая описывается уравнением:

. (13)

Результаты моделирования позволяют ввести параметр для оценки технического состояния якоря ТЭД – температурный перепад между поверхностями коллектора коллекторного «петушка», °С:

, (14)

где и – температура на поверхности коллекторного петушка и коллектора, °С.

Рис. 2. Характер распределения температуры по поверхности исправного якоря, полученный расчетным методом (для периода времени нагрева 1 ч):

локальный перегрев коллекторного «петушка» относительно коллектора после (а) – 30 мин нагревания якоря, (б) – после 60 мин.

Рис. 3. Зависимость от степени пропайки

при температуре охлаждающего воздуха 20 °С

Следует указать, что изменение температуры охлаждающего воздуха не оказывает влияния на величину , значит, введенный параметр удовлетворяет требованиям устойчивости.

В соответствии с правилами ремонта электрических двигателей техническое состояние паяного соединения считается удовлетворительным при степени пропайки контактного соединения не менее 80 %. Для этого контактного соединения расчетным путем установлено критическое значение температурного перепада в 15 °С, превышение которого является браковочным для оценки технического состояния якоря.

В четвертой главе разработана технология тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей и приводятся результаты ее эксплуатационных испытаний.

Технология тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей локомотивов разработана применительно к станциям испытания тяговых электродвигателей после ремонта по методу взаимной нагрузки. Для безразборного оперативного измерения температуры на поверхности якоря применялся портативный компьютерный термограф «ИРТИС 200». Для математической обработки результатов измерения разработано специальное программное обеспечение.

Алгоритм обработки результатов термографирования приведен на рис. 4.

Обработка результатов контроля производится в следующей последовательности

1. Каждая термограмма рассматривается в режиме термопрофиля (по двенадцати секторам) и определяется температура на поверхности коллектора () и коллекторных «петушков» () в каждом секторе (j).

2. Вычисляется температурный перепад () между поверхностями коллектора и коллекторного петушка в каждом секторе.

3. Согласно установленным значениям температурного перепада делается заключение о техническом состоянии тягового электродвигателя.

Контроль технического состояния якорей рекомендуется производить после проведения ремонта тяговых электродвигателей локомотивов в объеме ТР-3 и СР. Весь процесс контроля помимо проведения обкаточных испытаний занимает не более 10 мин.

Согласно отчетным данным МЭМРЗ и НЭРЗ у 85 % паяных соединений якоря площадь пропайки после замены якорной обмотки составляет 90 %. Для данного значения степени пропайки был выполнен расчет температурного перепада между поверхностями коллектора и коллекторного «петушка»: °С.