Способ определения динамического состояния тягового двигателя с опорно-осевой подвеской

Изобретение относится к способам текущего контроля динамического состояния коллекторных электрических машин и может быть использовано для контроля работы коллекторно-щеточных узлов тяговых электродвигателей локомотивов в процессе испытаний или эксплуатации.

Вибрации сопровождают работу многих транспортных и технологических машин, что определяется действием многочисленных причин, связанных с конструктивными особенностями технических объектов и действием внешних возмущений. Для транспортных машин характерны динамические взаимодействия с неровностями поверхностей, по которым происходит перемещение. Теоретические исследования особенностей взаимодействия транспортных средств с поверхностью перемещения достаточно глубоко изучены и представлены во многочисленных работах, например, [1÷4]. Внешние возмущения, поступающие на транспортные объекты, инициируют колебательные движения взаимодействующих элементов подвески и многих других узлов и агрегатов машин, создавая сложную систему взаимного обмена энергией колебаний между элементами с проявлениями различных физических эффектов, проявляющихся в резких возрастаниях уровня колебаний (резонансные явления), или динамических выбросов, а также в нестационарности процессов движения взаимодействующих элементов.

Для железнодорожного транспорта существенное значение имеет динамика взаимодействия в контактах «рельс-колесо», в которых при определенных условиях становится необходимым учитывать неудерживающий характер связей в контакте, а также участие в колебательных процессах приведенных масс рельсового пути и приведенной (динамической) жесткости в точке контакта.

Математические модели движения экипажей с учетом детализации представлений о свойствах контактных взаимодействий отличаются сложностью, и многие аспекты такого рода динамических взаимодействий еще не достаточно исследованы.

В большей степени изучены на основе теоретических и экспериментальных подходов задачи динамики подвижного состава на основе математических моделей, создаваемых при использовании механических колебательных систем, привлекаемых в качестве физических аналогов исходных технических объектов.

Наибольшее распространение получили для исследования динамики подвижного состава соответствующие модели в виде линейных механических колебательных систем с сосредоточенными параметрами с несколькими степенями свободы [1, 4, 5÷8].

Современные программные средства позволяют исследовать объекты с учетом возможных нелинейных свойств и особенностей взаимодействия элементов систем между собой [7, 9, 10].

Вместе с тем, нельзя не отметить, что с ростом сложности моделей транспортного объекта, возрастает и мера сложных в оценке особенностей движения системы, поскольку детализация при учете возможностей локальных взаимодействий и возникающих связей приводит к эффектам, создающим такие информационные массивы, которые целесообразнее оценивать на основе методов теории вероятностей [11, 12].

Для решения многих технических задач интерес представляют специфичные динамические эффекты, которые проявляются во взаимодействиях элементов отдельных узлов или агрегатов. Для целей теоретического обоснования таких процессов используются упрощенные расчетные схемы, в которых применяются механические колебательные системы с двумя - тремя степенями свободы, что позволяет получать аналитические соотношения, удобные для анализа возможностей развития динамических процессов.

В частности, такие подходы развиваются для оценки динамических свойств подвески тяговых двигателей с опорно-осевой подвеской. Примеры такого рода подходов можно найти в работах [13÷15].

Вибрация тягового двигателей (ТЭД) формируется в его динамических взаимодействиях (как агрегата) в структуре сложной технической системы, представленной взаимодействием динамических процессов различной физической природы.

В частности, большое значение в определении динамического состояния ТЭД является его рассмотрение как объекта электромеханической природы, в котором электромагнитные взаимодействия определяют динамические параметры механических процессов в виде крутящих моментов, усилий в передачах «механизмах» взаимодействия с внешней средой и т.д.

В сложном многообразии взаимодействия различных факторов вибрации ТЭД, возникающие при контакте с опорными поверхностями и во взаимодействиях с элементами и узлами локомотива создают достаточно сложную систему взаимных влияний, отношений, вполне определенно, можно предполагать возможности мультипликативных эффектов.

В таких подходах значение имеют представления о возможностях формирования достаточно устойчивых связей, в которых вибрации одного элемента некоторой цепи предопределяют вибрации другого и наоборот, что создает условия для развития ситуаций, приводящих к отказу в работе ТЭД, и не только в ТЭД, но и в узлах и агрегатах, функционально связанных с состоянием ТЭД.

Оценки динамического состояния ТЭД как отдельного агрегата в структуре более сложной системы, если иметь в виду механические параметры состояния, оценивается с помощью измерительных устройств в виде датчиков, фиксирующих уровень возникающих вибраций.

В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.

Известен способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств [Петухов B.C., Соколов В.А., Григорьев О.А., Великий С.Н., Михель А.А., «Способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств», патент №2300116 С2, МПК G01R 31/34, приоритет 27.05.2007], заключающийся в том, что в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала, и сравнение значений амплитуд на характерных частотах с уровнем сигнала на частоте питающей сети, при этом если амплитуды на характерных частотах ниже амплитуды основного пика на частоте питающей сети на заданную величину делают вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя, а в случае, если указанная разница между амплитудами меньше заданной величины делают вывод о развитии повреждения.

Основным недостатком данного изобретения являются отсутствие внимания к механическим внешним воздействиям, влияющим на работу всего агрегата.

Известен способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей [Зобенко А.А., Хабузов В.А., Худяков В.Ф., «Способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей» патент №2287142 С2, МПК G01M 15/04, приоритет 10.11.2006], суть которого заключается в измерении и преобразовании сигналов, определяемых вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, причем измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов. Предложенный способ базируется на том, что в качестве датчика сигналов, содержащих информацию о вибрациях двигателя, используют штатный агрегат-генератор, напряжение, снимаемое с которого, и подвергают спектральному анализу с выделением гармонических составляющих, соответствующих появившемуся или развивающемуся дефекту. Предлагаемый способ применим для диагностики двигателей разного типа, имеющих вращающийся вал и штатный агрегат, кинематически связанный с этим валом и при вращении генерирующий напряжение, а класс выявляемых дефектов определяется появляющимися вибрациями, влияющими на спектральный состав генерируемого агрегатом напряжения.

К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что в основном оцениваются колебания генератора, а не самого двигателя, что может привести к возникновению погрешностей измерений, а также невнимание к внешним возмущениям.

Известно устройство [Рапопорт О.Л., Цукублин А.Б., Осадченко А.А., Шибаев Д.Е., «Система мониторинга искрения щеточно-коллекторных узлов тяговых электродвигателей подвижного железнодорожного состава» патент №75102 U1, МПК H01R 43/14, H01R 43/00, Н02K 15/00, приоритет 20.07.2008], представляющей собой систему мониторинга искрения щеточно-коллекторных узлов тяговых электродвигателей подвижного железнодорожного состава, которая обеспечивает возможности мониторинга искрения на каждом электродвигателе локомотива в процессе его эксплуатации или испытаний в реальных условиях работы, обеспечение безопасности и удобного представления информации об искрении на щеточно-коллекторных узлах всех электродвигателей. Система мониторинга включает датчики контроля искрения 1, 2, …n, установленные на щеточно-коллекторном узле каждого тягового электродвигателя локомотива. В указанной системе в качестве датчиков искрения используются датчики поперечного тока разрезной щетки, выполненные в виде измерительных трансформаторов тока. Выходы всех датчиков соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем 3, который, в свою очередь, соединен с ПЭВМ 4, обрабатывающей параллельно сигналы со щеткодержателей всех электродвигателей по заданному алгоритму, включающему вычисление действующих значений сигналов, пересчет полученных результатов в значения балльности с помощью тарировочных коэффициентов. Бортовая ПЭВМ связана с устройством отображения 5 и/или с записывающим устройством типа «черный ящик», которые обеспечивают вывод и/или запись информации об искрении по каждому тяговому двигателю локомотива в режиме реального времени.

К недостаткам прототипа можно отсутствие учета внешних механических воздействий.

Наиболее близким техническим решением является устройство [Новиков С.А., Тихомиров В.В., Мельников В.А., «Устройство диагностики электродвигателей переменного тока и связанного с ними механического оборудования» патент №90199 U1, МПК G01M 7/02, G01M 15/00, приоритет 27.12.2009], сущность которого состоит в том, что в течение заданного интервала времени производят измерения значений вибрационного сигнала излучаемого электродвигателем по трем осям, с помощью соответствующих датчиков вибрации, показания которых записывают через аналого-цифровой преобразователь на постоянное запоминающее устройство персонального компьютера, производят спектральный анализ полученного сигнала и сравнение значений амплитуд на характерных частотах, измерения и их анализ производят с определенной периодичностью, создают из них базу данных, по которой контролируют развитие повреждений по времени и определяют остаточный ресурс оборудования, при этом измерения производят без разбора диагностируемого работающего оборудования, при помощи внешнего крепления датчиков на его корпус.

К недостаткам данного изобретения можно отнести электромагнитную природу датчиков, которая уменьшает точность измерений из наличия мощного электромагнитного поля двигателя и вспомогательных электрических машин. Внешние механические воздействия также не учитываются.

Задачей изобретения учет только тех внешних механических воздействий, передаваемых на тяговый электродвигатель локомотива, при которых нарушается контакт щеток с коллектором.

Способ определения динамического состояния тягового двигателя электровоза, включающий установку датчиков вибрации на тяговый двигателя, регистрацию данных о его движениях по трем координатам при следовании подвижного состава, передают их в блок обработки информации, сопоставляют с нормативными значениями и по ним оценивают текущее динамическое состояние тягового двигателя, отличающийся тем, что на корпусе тягового двигателя закрепляют оптические датчики для регистрации количества отрывов ядра датчика от контактной поверхности, возникающих при движении подвижного состава в заданный период времени и фиксируемых в момент возникновения динамических выбросов, при помощи направленного светового потока, сопоставляют полученную информацию с их предельным количеством и по разнице определяют остаточный ресурс тягового двигателя.

Устройство для реализации способа определения динамического состояния тягового двигателя электровоза, представляющее собой систему регистрации динамических выбросов, отличающееся тем, что содержит блок обработки информации и оптические датчики, включающие направленный источник света и фотоэлемент, обеспечивающие фиксацию вибрационного выброса, причем внутри корпуса датчика имеется ядро, на котором установлены ободки для обеспечения его свободного хода, и упругий элемент, создающий начальное прижатие ядра к контактной поверхности, причем вибрационные выбросы фиксируются путем прохождения направленного светового потока к фотоэлементу в момент отрыва ядра датчика от контактной поверхности при воздействии внешнего возмущения.

Суть изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1. показывает принципиальную схему расположения датчиков на корпусе тягового двигателя.

На фиг. 1 показаны корпус электродвигателя 1, датчики контроля вращательных движений электродвигателя в горизонтальной плоскости 2, датчики контроля вращательных движений электродвигателя в вертикальной плоскости 3, датчики контроля продольного смещения электродвигателя в горизонтальной плоскости 4, блок обработки информации 5.

На фиг. 2. приведена принципиальная схема датчика динамического состояния, где показаны корпус датчика 6, упругий элемент 7, ядро датчика 8, ободки для исключения зазора 9, контактная поверхность 10, источник света 11, фотоприемник 12.

Сущность предлагаемого способа заключается в создании системы, фиксирующей параметры сложного колебательного процесса тягового электродвигателя как твердого тела. Тяговый двигатель представляет собой сложное техническое устройство, которое может иметь люфты в работе таких элементов, как зубчатые передачи, опорные подшипники, что при колебаниях корпуса вагона приводит к выборке зазоров, то есть к ударам, имеющим пространственную схему приложения к корпусу тягового электродвигателя, взаимодействующего с рельсовым путем, и, как твердое тело, получающего возможности резких движений по трем координатам. В частности, корпус тягового двигателя может участвовать в движениях галопирования, рыскания и подергивания. Для объективной оценки параметров сложного динамического состояния в минимальной конфигурации необходимо измерять параметры ударных процессов в нескольких точках, где устанавливаются типовые датчики 2, 3, 4, как показано на фиг. 1.

Все вышеперечисленные воздействия могут быть обозначены как динамические «выбросы». Для их фиксации предлагается установка на тяговом электродвигателе оптических датчиков, представляющих собой цилиндрический корпус 6, внутри которого перемещается ядро датчика 8. Корпус 6 снабжен двумя ободками 9, которые обеспечивают люфт для свободного хода ядра датчика 8. В момент, когда уровень вибраций в измеряемой точке обеспечивает нарушение контакта ядра датчика 8 с контактной поверхностью 10, свет от источника 11 попадает на фотоэлемент 12, что фиксирует выброс.

При взаимодействии тягового электродвигателя с рельсовым путем, а также при откликах на вынужденные динамические эффекты, уровень динамических воздействий неожиданно возрастает до таких значений, при которых ускорение движения значительно превышает g. В этом случае во всех неудерживающих контактах при взаимодействии происходит выборка зазоров, соударения и другие эффекты, что может быть учтено датчиками такого типа.

Данные о количестве выбросов по каждой из координат попадают в блок обработки информации 5, после чего происходит построение графиков для их отображения. Таким образом, использование такой системы диагностики динамического состояния тягового электродвигателя позволит оценить влияние на его работу внешних возмущений различной природы, так как чем большее количество выбросов проявляется на графиках их учета, тем большим динамическим нагрузкам подвергается электродвигатель.

Список литературы

1. Коган А.Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. М.: Транспорт, 1997. - 326 с.

2. Силаев А.А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин / А.А. Силаев. - М.: Машиностроение, 1972. - 192 с.

3. Ротенберг Р.В. Колебания автомобиля. Колебания и плавность хода. М.: Машиностроение. 1972. - 392 с.

4. Медель В.Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика. - М.: Транспорт, 1974, - 232 с.

5. Вершинский С.В., Данилов В.И., Хусидов В.Д. Динамика вагона. - М.: Транспорт, 1991. - 360 с.

6. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

7. Хохлов А.А. Динамика сложных механических систем. - М.: МИИТ. 2002. 172 с.

8. Данилов В.Н., Железнодорожный путь и его взаимодействие с подвижным составом, М., Трансжелдориздат, 1961, 70 с.

9. Миндлин Я.З. Логика конструирования. М.: Машиностроение, 1969. - 123 с.

10. Ушкалов В.Ф., Резников Л.М., Редько С.Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей. Киев: Наукова думка, 1982. 359 с.

11. Максименко И.В. Возможности улучшения динамики и прочности тягового привода II класса для локомотивов и электропоездов: диссертация … кандидата технических наук: 05.22.07 Москва, 2004 172 с.

12. Харламов В.В. Методы и средства диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей и других коллекторных машин постоянного тока. Омск: ОмГУПС, 2002. - 233 с.

13. Исмаилов Ш.К. Повышение ресурса изоляции электрических машин подвижного состава. Омск: ОмГУПС, 2007. - 391 с.

14. Смалев А.Н. Улучшение показателей динамических качеств локомотива на основе модернизации рессорного подвешивания и совершенствования методики его расчета: диссертация … кандидата технических наук: 05.22.07/ Смалев Александр Николаевич; ОмГУПС-Омск, 2011. - 172 с.

15. Павленко А.П. Динамика тяговых приводов магистральных локомотивов. М.: Машиностроение, 1991, 192 с.