Диагностика электродвигателей типа ДК 213

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехнических комплексов

Курсовой проект

по курсу: «Диагностика и надежность электромеханических систем»

Факультет: Мехатроники и автоматизации

Выполнил: Баранова Е.М.

Новосибирск 2014



СОДЕРЖАНИЕ

1. Описание объекта диагностики

1.1 Назначение

1.2 Конструкция

1.3 Технические характеристики

2. Анализ объекта диагностики

2.1 Декомпозиция

2.2 Функциональная схема ДПТ

2.3 Схема старения

3. Диагностические признаки и параметры

4. Методы измерений

4.1 Контроль изоляции

4.2 Контроль искрения

4.3 Определение межвитковых замыканий в обмотках якоря

4.4 Выявление межвитковых замыканий в полюсных катушках

4.5 Контроль паяных соединений

4.6 Измерение активного сопротивления обмоток

4.7 Контроль состояния якорных подшипников на собранном двигателе

Заключение

Список литературы

5. 

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИКИ

1.1 Назначение

Электрическими машинами, называются устройства для преобразования механической энергии в электрическую или электрической в механическую. В первом случае они называются генераторами, а во втором электродвигателями. двигатель электрический машина диагностика

Электродвигатели постоянного тока приводят во вращение механизмы, требующие больших пусковых вращающих, моментов и широкого регулирования частоты вращения, например: электрический транспорт, шахтные подъемники, прокатные станы. В автоматический устройствах машины постоянного тока служат исполнительными двигателями, измерителями частоты вращения, преобразователями сигналов и др. В специальных устройствах металлообрабатывающих станков машины постоянного тока позволяют значительно упрощать механические схемы регулирования скорости. [1, стр. 97]

Тяговые электродвигатели постоянного тока типа ДК 213М предназначены для привода ведущих колес троллейбуса. 

Электродвигатели выпускаются в модификациях: для троллейбусов с релейно-контакторной системой управления и для троллейбусов с тиристорно-импульсной системой управления.

Структура условного обозначения

ДК ХХМХ2: 

ДК - условное обозначение серии; 

Х - порядковый номер типа (211; 213); 

Х - модификация (А, В); 

М - модернизированный; 

Х2 - климатическое исполнение (У, УХЛ, Т) и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.

1.2 Конструкция

Двигатели типа ДК 213 имеют сварной круглый корпус. 

Обмотки индуктора двигателей выполнены с изоляцией класса нагревостойкости F, обмотка якоря - класса нагревостойкости Н по ГОСТ 8865-93. 

Главные и добавочные полюса имеют моноблочное исполнение. 

Для якорной обмотки применены провода и пазовая изоляция на основе полиамидной пленки класса нагревостойкости С. Якоря подвергают пропитке вакуум-нагревательным способом. Крепление обмотки в пазовой части осуществляется клиньями из профильного стеклопластика, в лобовых частях - стеклобандажной лентой. Соединение обмотки якоря с коллектором производится электродуговой сваркой в среде инертных газов. 

В двигателях применены коллекторы арочного типа на стальном сборном основании. Коллекторные пластины выполнены из легированной меди. 

В двигателях установлены разрезные щетки марки ЭГ-841, имеющие повышенную износоустойчивость и пониженный коэффициент трения. 

В якорях двигателей применена холоднокатаная электротехническая сталь марки 2212 с термостойким изоляционным покрытием и пониженными удельными потерями. Пакет якоря двигателя типа ДК 213 крепится на валу в аксиальном направлении ажурными стальными нажимными шайбами, изолированными прессованными пластмассовыми обмоткодержателями. 

Валы двигателей выполнены из легированной стали марки 40Х. 

Со стороны коллектора двигатели имеют специальные устройства для подсоединения спидометра. Подшипниковые узлы имеют специальные устройства для пополнения смазки без разбора двигателей в период эксплуатации. Для подшипников применяется смазка "Литол-24". 

Система вентиляции двигателей - аксиальная. Вход воздуха осуществляется со стороны коллектора. У двигателей типа ДК 213 вход воздуха осуществляется через специальный воздухозаборник, выполняющий роль фильтра. В двигателях установлены литые алюминиевые вентиляторы радиального типа с лопатками, имеющими переменный шаг для снижения уровня шума.

Общий вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей типа ДК 213 (рисунок 1).

Длина выводных концов от корпуса: 

Д1, Д2, Ш1, Ш2 - 1700 мм; 

С1, С2 - 2350 мм

Рисунок 1 - Общий вид, габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей типа ДК 213

Машина постоянного тока состоит из неподвижной станины с главными и добавочными полюсами, вращающегося якоря с обмоткой и коллектором, подшипниковых щитов и траверсы с щеткодержателями. Она обратима, т. е. может работать в режиме двигателя или генератора (например, двигатели эктрифицированного транспорта).

Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительными признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.

В зависимости от способа соединения обмоток возбуждения с обмоткой якоря различают электрические машины постоянного тока: параллельного возбуждения или шунтовые; последовательного возбуждения; смешанного возбуждения, имеющие на общих главных полюсах две (параллельную и последовательную) обмотки.

Электрическая машина постоянного тока (рисунок 1) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.

Статор состоит из станины 6, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками.

Рисунок 1 - Устройство электрической машины постоянного тока: 1 - коллектор, 2 - щетки, 3 и 9 - сердечник и обмотка якоря, 4 - главный полюс, 5 - катушка обмотки возбуждения, 6 - станина (корпус), 7 - подшипниковый щит, 8 - вентилятор, 10 - вал.

Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготавливают из стали - материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.

Главные полюса (рисунок 2) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные - массивными или также шихтованными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щетки 5, установленные на торцах каждого полюса. Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако, исходя из технологического удобства изготовления полюсов, их обычно делают шихтованными.

Рисунок 2 - Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления: а - болтом, б - стержнем; 1 - полюсный наконечник, 2 - сердечник полюса, 3 - болт крепления сердечника, 4 - заклепка, 5 - нажимные щетки, 6 - установочный стержень

Полюса крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рисунок 2, а) либо в массивных стальных стержнях 6 (рисунок 2, б), вставленные в выштампованные отверстия в полюсах.

Рисунок 3 - Катушки полюсов: а - главного, б - добавочного; 1 - катушка обмотки, 2 и 4 - главный и добавочный полюса, 3 - опорный угольник, 5 - обмотка добавочного полюса

Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и образования на его поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.

Катушки главных и добавочных полюсов (рисунок 3,а,б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изолированных материалов, образующих вентиляционные каналы.

Рисунок 4 - Сердечник якоря машины постоянного тока: 1 - вал, 2 - обмоткодержатель, 3 - выточки для наложения бандажа, 4 - место посадки коллектора на валу

Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря (рисунок 4) собран из штампованных листов электротехнической стали (рисунок 5) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждения воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рисунке 6.



Рисунок 5 - Стальной лист сердечника якоря: 1 - зубец листа, 2 - изоляция, 3 - паз

Рисунок 6 - Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектора. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек - одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, то могут выпасть из паза. В некоторых конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.

Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.

Рисунок 7 - Коллекторы электрических машин: а - на пластмассе, б - с нажимными конусами; 1 и 7 - пластины коллектора, 2 - пластмасса, 3 и 11 - втулки, 4 - нажимной конус, 5 - гайка, 6 и 10 - манжеты, 8 - изолирующий цилиндр, 9 - шнур, 12- балансировочный груз

Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин хлоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.

По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рисунок 7, а) и со стальными нажимными конусами и втулкой (рисунок 7, б). Коллекторы крепятся нажимными полюсами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом - на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.

Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, а вторым способом - клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляции эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.

Щеточный аппарат (рисунок 8) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рисунок 8,а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рисунок 8, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 - 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.

Рисунок 8 - Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока: а- траверса, б и в - радиальные щеткодержатели, г - реактивный щеткодержатель; 1 - пальцы (бракеты), 2 - рычаг, 3, 8 и 15 - пружины, 4 - корпус, 5 и 11 - щетки, 6- обойма, 7 - фарфоровый наконечник, 9 - хомутик, 10 - штифт, 12 - стенка обоймы, 13 - храповик, 14 - колечко пружины

В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора (рисунок 8, б, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (рисунок 8, г).

Щетка (рисунок 9) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 1, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный - снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.

Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.



Рисунок 9 - Щетки: а- машин малой и средней мощности, б - машин большой мощности; 1- щеточный канатик, 2 - наконечник

Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые ля установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.

В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рисунок 10), т. е. станину с лапами для установки и крепления на опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме.



Рисунок 10 - Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме: 1 - возбудитель, 2 и 4 - передний и задний подшипниковые щиты, 3 - станина, 5 - зубчатая шестеренка

Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.

1.3 Технические характеристики

Технические данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технические данные двигателя ДК 213

Наименование параметра	Значение параметра
	ДК 213
Номинальный режим работы	S2 - 60 мин
Мощность номинальная, кВт	115
Напряжение номинальное, В	550
Ток якоря, А: номинальный продолжительного режима	232 205
Частота вращения, мин-1: номинальная	1460
максимальная	3900
Номинальная степень последовательного возбуждения, %	50
КПД номинальный, %	91
Номинальный вращающий момент, Н·м	760
Кратность максимального момента к номинальному	2
Класс вибрации по ГОСТ 16921-83	2,8
Предельное значение среднего уровня звука при номинальной частоте вращения, дБА	85
Масса, кг	680

Номинальные значения климатических факторов по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89. 

Высота над уровнем моря не более 1200 м. 

Температура окружающего воздуха от минус 50 до 40°С. 

Окружающая среда - невзрывоопасная. 

Группа механического исполнения М28 по ГОСТ 17516.1-90. 

Требования техники безопасности по ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 12.2.007.1-75. 

Электродвигатели для внутригосударственных поставок соответствуют ТУ 16.515.218-77, для экспортных ГОСТ 2582-81. Нормативно-технический документ ТУ 16.515.218-77;ГОСТ 2582-81



2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИКИ

2.1 Декопозиция

Схема декомпозиции двигателя представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Схема декомпозиции двигателя

2.2 Функциональная схема двигателя постоянного тока

На рисунке 14 представлена функциональная схема двигателя постоянного тока.



Рисунок 14 - Функциональная схема ДПТ

2.3 Схема старения

Возможные неисправности и причины их возникновения приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Неисправности электрических машин и возможные причины их возникновения

Параметр	Причина неисправности	Следствие неисправности
Контроль искрения	- перекос щеткодержателей; - неполное прилегание поверхности щеток к коллектору; - повышенное давление пружины на щетку; - смещение щеток с нейтрали	Искрообразование под щетками
Контроль изоляции	Механическое повреждение или старение изоляции катушек	Пробой изоляции электромагнитной системы машины на корпус
Определение замыкания пластин коллектора	Образование электрического соединения пластин коллектора вследствие замыканий медной пылью или заусенцами медных пластин	Замыкание пластин коллектора
Измерение величины и симметрии воздушного зазора между сталью ротора и статора	Проседание вала якоря в результате износа подшипников скольжения или прогиба вала	Уменьшение зазора между якорем и полюсами

3. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ И ПАРАМЕТРЫ

Модель тягового электродвигателя постоянного тока электрического подвижного состава как объекта диагностирования включает в себя электроизоляционную конструкцию, коллекторно-щеточный аппарат и механическую часть. Поэтому отказы тяговых двигателей имеют различную природу и могут происходить вследствие:

- пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток якоря;

- пробоя изоляции и межвитковых замыканий обмоток главных и дополнительных полюсов;

- пробоя изоляции компенсационной обмотки;

- повреждений выводов катушек полюсов;

- повреждений выводных кабелей, выплавления припоя из петушков коллектора;

- разрушения якорных бандажей;

- повреждения якорных подшипников;

- повреждения пальцев, кронштейнов и щеткодержателей;

- кругового огня по коллектору.

Различают следующие виды испытаний (проверок), которым подвергается ДПТ:

- Измерение величины и симметрии воздушного зазора между сталью ротора и статора;

- Измерение зазоров в подшипниках скольжения;

- Измерение сопротивления изоляции обмоток;

- Измерение сопротивления обмоток постоянному току;

- Измерение сопротивления изоляции термопреобразователей сопротивления;

- Измерение сопротивления термпреобразователей сопротивления;

- Проверка направления вращения;

- Определение сопротивления изоляции изолированных подшипников;

- Проверка работоспособности электронагревателе масла (при их наличии);

- Измерение мощности и сопротивления изоляции блоков нагревателей (при их наличии);

- Определение тока и потерь КЗ;

- Измерение осевого перемещения ротора;

- Определение тока и потерь ХХ;

- Измерение напряжения на концах вала;

- Испытания при повышенной частоте вращения;

- Измерение уровня шума;

- Измерение вибрации подшипниковых опор;

- Проверка работоспособности встроенного термоконтроля;

- Испытание междувитковой изоляции обмоток на электрическую прочность;

- Испытание ДПТ на нагревание методом непосредственной нагрузки при номинальном напряжении и номинальной отдаваемой мощности;

- Проверка работы двигателя под номинальной нагрузкой;

- Испытание изоляции обмоток относительно корпуса двигателя и между обмотками на электрическую прочность;

- проверка отсутствия утеки масла из подшипниковых узлов;

- Измерение сопротивления между заземляющим зажимом и каждой допустимой прикосновению металлической нетоковедущей частью ДПТ, которая может оказаться под напряжением;

- Испытание изоляции методом измерения характеристик частичных разрядов;

- Проверка целостности встроенного воздухоохладителя;

- Измерение диаметра рабочего конца вала ротора на месте установки полумуфты;

- Проверка внешнего вида и состояния лакокрасочного покрытия;

- Проверка состава и качества маркировки;

- Проверка комплектности.



4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1 Контроль изоляции

Для выявления возникающих в изоляции дефектов разработаны и применяются следующие методы неразрушающих испытаний изоляции:

а) измерение тангенса диэлектрических потерь tg ;

б) измерение частичных разрядов в изоляции;

в) измерение емкости;

г) измерение сопротивления изоляции и др.

Угол диэлектрических потерь является в первую очередь показателем наличия в изоляции посторонних включений, в частности увлажнения изоляции. Характер изменения tg при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции. Измерение tg изоляции осуществляется приборами, в основе которых лежит принцип высоковольтного моста Шеринга.

Недостатком этого метода является низкая помехозащищенность и сложность автоматизации процесса измерения.

Измерение частичных разрядов, являющихся основной причиной электрического старения внутренней изоляции, дает более объективную информацию о состоянии изоляции, но такие измерения очень сложны и имеют малую помехозащищенность. Поэтому они в основном применимы лишь в лабораториях и мало пригодны для условий депо.

Емкость изоляционной конструкции при неизменной температуре и частоте есть величина постоянная. Поэтому изменение емкости свидетельствует о дефектах в изоляции, в том числе и об ее увлажнении. На принципе измерения абсорбционной емкости основаны методы контроля влажности изоляции: «емкость -- частота», «емкость -- температура» и «емкость -- время».

Методы неразрушающего контроля широко используются для выявления дефектов, но в условиях депо и на ремонтных заводах наибольшее распространение из них получило измерение сопротивления изоляции, а из методов разрушающего контроля -- испытание изоляции повышенным напряжением промышленной частоты.

Контроль изоляции по ее сопротивлению

Сопротивление изоляции измеряют мегаомметрами, состоящими из маломощного генератора постоянного тока напряжением 0,5--2,5 кВ (с ручным приводом) и стрелочного прибора.

Рисунок 15 - Схема замещения изоляции

Определение влажности изоляции

О влажности изоляции тяговых двигателей судят по величине коэффициента абсорбции:

,

где R₁₅ и R₆₀ -- сопротивления изоляции, измеренные через 15 и 60 с соответственно.

Выпускаются специальные приборы промышленного изготовления, позволяющие с достаточной степенью точности определять сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции. Одним из таких приборов является мегаомметр Ф4100. Он имеет выходное напряжение на разомкнутых зажимах (2500±250 В). Коэффициент абсорбции определяют с помощью реле с выдержкой времени 15 и 60 с и сигнальной лампы, указывающей моменты отсчета. Погрешность прибора не более ±2,5 %.

4.2 Контроль искрения

Установка щеток на геометрической нейтрали

Одним из факторов, влияющих на режим работы тяговых двигателей, является точность установки щеток на нейтрали с помощью поворотной траверсы. Смещение щеток с нейтрали приводит к расхождению скоростных характеристик и к повышенному износу щеток и коллекторов, способствует возникновению круговых огней. Так, смещение траверсы на 10 мм вызывает изменение тока двигателя на 21 %; смещение траверсы на 5 мм в режиме, близком к часовому, приводит к увеличению степени искрения на 1 балл.

Установку щеток на нейтрали выполняют несколькими способами. При одном из них на работающей машине в режиме генератора на холостом ходу нейтральное положение щеток определяют по максимальному напряжению на коллекторе. При другом -- машина работает в режиме двигателя на холостом ходу. Считается, что если при реверсировании частота вращения не изменяется, то щетки установлены на геометрической нейтрали.

Для контроля установки щеток на нейтраль также можно использовать специальное переносное устройство А-1938, разработанное ВНИИЖТ и ПКБ ЦТ. Принцип работы этого устройства основан на наличии трансформаторной связи между обмотками главных полюсов и якоря.

Устройство для установки щеток на нейтрали включает в себя измеритель напряжения (ИН) и источник питания (рисунок 16 а, б).

Для повышения чувствительности в ИН установлен повышающий трансформатор T1 c коэффициентом трансформации 25, что позволило компенсировать падение напряжения на диоде VD1. Для придания в схеме линейной характеристики ИН включены диоды VD2 и VD3. Измерительным механизмом служит микроамперметр на 100 делений с добавочными резисторами Rl, R2 и R5.

Переключателем В1 и путем изменения сопротивления резистора R3 можно менять пределы измерений. При выключенном положении переключателя В1 предел измерений составляет 0...100 мВ и соответствует цене деления 1 мВ/деление, а при включенном положении предел измерения расширяется до 0,5 В, что соответствует цене деления 5 мВ/деление.

Рисунок 16 - Устройство для установки щеток на нейтраль:

а -- схема измерения напряжения; б -- схема подключения устройства к проверяемому тяговому двигателю.

На рисунке 17 показана зависимость наведенной эдс от смещения щеток относительно нейтрали при токе в обмотках главных полюсов 5А для двигателя НБ-418К. Аналогичная форма кривой наведенной эдс характерна и для двигателей других типов. Минимальное значение наведенной эдс свидетельствует о том, что щетки установлены на геометрической нейтрали.

Рисунок 16 - Зависимость ЭДС обмотки якоря от смещения щеток Т

Лучше всего иметь специальные клиновидные щетки, суженные к поверхности касания с коллектором до 5 мм. Однако, можно применять и новые стандартные, но не притертые щетки. Как правило, статическое нажатие таких щеток контролируется с помощью динамометра. Также можно применять указатель силы нажатия щеток УСН-2. Указатель изготавливается в переносном варианте и применяется для контроля силы нажатия одиночных щеток в собранном двигателе.

Оценка искрения

Оценка искрения может осуществляться разными способами, например, визуальным или по переменной составляющей напряжения.

Визуальный способ. Искрение оценивается на глаз в соответствии со шкалой степени искрения, рекомендуемой ГОСТ 183-74 (рисунок 17).

Рисунок 17 - Шкала искрения:

а -- степень 1; б -- степень 1¹/₄; в -- степень 1¹/₂;

г -- степень 2; д -- степень 3

По переменной составляющей напряжения. В этом случае коммутация оценивается специальными приборами.

ВНИИЖТ и ПКБ ЦТ разработали устройство А-1939 для оценки искрения, которое основано на измерении переменной составляющей напряжения на выводах тягового двигателя. Это напряжение практически пропорционально степени искрения под щетками.

Устройство состоит из низковольтной части -- индикатора степени искрения (ИСИ) (рисунок 18) и высоковольтной части, в которую входит предохранитель ПР1, разделительный конденсатор С, повышающий трансформатор и контакторы (рисунок 19).

Рисунок 18 - Схема индикатора степени искрения

На вход фильтра (Rl, Cl, R2, L) подается переменная составляющая напряжения тягового двигателя. Далее сигнал выпрямляется высокочастотными диодами VD3--VD6, проходит через диод VD7 и через замкнутый контакт переключателя режимов В поступает на стрелочный индикатор.



Рисунок 19 - Схема подключения ИСИ к эксплуатируемым двигателям

Для подавления сигналов от зубцовых пульсаций и пульсаций других частот, не связанных с процессом коммутации, в схеме индикатора применен полосовой фильтр с полосой пропускания от 15...75 кГц. Ограничитель сверху VD1, VD2 защищает выпрямитель от коммутационных перенапряжений. Диодный ограничитель VD7 создает определенный порог ограничения, чтобы при отсутствии искрения на коллекторе индикатор давал минимальные показания.

В соответствии с ГОСТ 2582-81 проверка искрения тяговых двигателей после их ремонта проводится в трех режимах (таблица 3).

Таблица 3 - Режимы испытаний тяговых двигателей

Положение переключателя В	Условия испытаний
	Напряжение	Ток якоря	Частота вращения	Ток возбуждения
1 2 3	Номинальное Наибольшее Наибольшее	Двойной часовой - Наибольший пусковой	- Наибольшая -	Часовой Наименьший Наименьший

Градуировку ИСИ производят конкретно для каждого типа двигателя в определенном режиме.

Искрение считается допустимым, если не превышает 1Ѕ.

4.3 Определение межвитковых замыканий в обмотках якоря

Наиболее широкое распространение для выявления межвитковых замыканий обмоток якорей нашли импульсные методы (с применением импульсного испытательного напряжения). Преимущество импульсных методов в том, что с помощью источника небольшой мощности можно обеспечить достаточно высокое напряжение между витками обмотки якоря.

Среди импульсных методов можно выделить метод «бегущей волны», индуктированного напряжения и др.

По методу «бегущей волны» работает установка ИУ-57. На выходе этой установки испытательное импульсное напряжение может достигать 500 В, что позволяет выявлять межвитковые замыкания обмотки, слабые места витковой изоляции, обрывы витков и другие скрытые дефекты.

Проверка на импульсной установке ИУ-57 осуществляется следующим образом. На коллекторе устанавливают электрод А (рисунок 20), соединенный с импульсным генератором.

Рисунок 20 - Схема испытания якоря на импульсной установке ИУ-57

Строго симметрично относительно электрода А устанавливают электроды Б и В. Число коллекторных пластин между центральным А и боковыми электродами Б и В всегда одинаково и определяется конструкцией обмотки. Для якорей с волновыми обмотками число коллекторных пластин между центральным и боковым электродами составляет 10--15, а для якорей с петлевыми обмотками 4--7 пластин. Импульс напряжения, поданный на электрод А, вызывает распространение в обе стороны от него двух волн высокого напряжения. Если сопротивления обеих ветвей обмотки одинаковы, то эти волны достигнут боковых электродов одновременно и на экране осциллографа будет видна симметричная синусоида (рисунок 21, а). Если сопротивления ветвей обмотки неодинаковы, то на экране осциллографа появится всплеск сигнала (рисунок 21, б, в). Это означает, что на каком-то участке обмотки, расположенном между центральным и одним из боковых электродов, имеется межвитковое замыкание или обрыв витков.

Рисунок 21 - Виды осциллограмм: а - отсутствует межвитковое замыкание; б,в - имеется межвитковое замыкание

Уточняют место повреждения специальным щупом с изолированной ручкой. Им замыкают поочередно соседние коллекторные пластины. При замыкании пластин, между которыми имеется виток с поврежденной витковой изоляцией, изображение на экране почти не изменяется. При замыкании щупом коллекторных пластин, между которыми нет витков обмотки с поврежденной изоляцией, изображение на экране будет резко меняться.

Определить пластины, между которыми находится виток обмотки с поврежденной изоляцией, можно при медленном вращении якоря. Когда центральный электрод А попадает между пластинами с межвитковым замыканием, то на экране осциллографа фиксируется всплеск волны вверх и вниз от горизонтали. Известна также импульсная установка для проверки якорей тяговых двигателей, выполненная по проекту А-1840 ПКБ ЦТ (рисунок 22), которая работает следующим образом.

Рисунок 22 - Схема импульсной установки

Питающее напряжение через автотрансформатор Т1 подается на повышающий трансформатор Т2. Напряжение на его выходе можно плавно изменять от 0 до 4 кВ. В положительный полупериод питающего напряжения конденсатор С1 заряжается выпрямленным напряжением через диодную группу VD1 и ограничивающий резистор R2. После повышения напряжения до величины, равной напряжению отпирания цепочки динисторов VD2--VD5, конденсатор С1 разряжается через динисторы, диодную цепь VD6, резистор R3 на колебательный контур, образованный конденсатором С2 и индуктивностью части обмотки проверяемого якоря (рисунок 23).



Рисунок 23 - Схема подключения установки к испытуемому якорю

Напряжение разряда конденсатора С1 изменяется от 1 до 4 кВ и зависит от положений переключателя П и рукоятки автотрансформатора Т2.

В положении 1 переключателя П последовательно включено 6 динисторов и напряжение отпирания составляет 1000 В. В положении 2 последовательно соединено 13 динисторов и напряжение отпирания достигает 2000 В. В положениях 3 и 4 включено соответственно 19 и 26 динисторов, напряжение отпирания составляет 3000 и 4000 В.

Импульс напряжения разряда, приложенного к конденсатору С2 и индуктивной части обмотки якоря, приводит к возникновению затухающего колебательного процесса. Его амплитуда и длительность различны для исправной обмотки и обмотки, имеющей межвитковое замыкание, обрыв или замыкание на корпус. В этих случаях амплитуда и длительность колебательного процесса резко уменьшаются, а в случае обрыва цепи обмотки якоря колебательный процесс отсутствует.

Колебательный процесс цепи «конденсатор С2 -- индуктивность обмотки якоря» можно наблюдать на экране осциллографа. Сигнал на «Вход Х» осциллографа поступает с делителя R4-R5 в соотношении 1:25.

Испытуемый якорь устанавливают на токарный станок, на котором впоследствии его обтачивают. Коллекторные пластины якоря подключают к импульсной установке через контактные щетки, расположенные в изолированном держателе-дуге (между щетками дуги должно быть 7 коллекторных пластин).

Импульсная установка А-1840 располагается на металлическом стеллаже рядом с токарным станком и соединяется с контактной щеткой дуги высоковольтным проводом. Импульсную установку и осциллограф надежно заземляют.

Рисунок 24 - Осциллограммы колебательных процессов: а - эталонное изображение; б - осциллограмма при межвитковом замыкании; в - осциллограмма при замыкании на корпус

Перед проверкой якорей необходимо провести калибровку импульсной установки. При этом добиваются отчетливого изображения колебательного процесса цепи испытуемого якоря, имеющего исправную обмотку, а также якоря с межвитковым замыканием или замыканием на корпус.

Для калибровки исправный якорь устанавливают на токарный станок, затем ставят защитные щиты и экран, размещают контактные щетки дуги на коллекторных пластинах якоря, включают и настраивают осциллограф.

При замкнутых блокировках S2Q и S3Q, включенном положении выключателя S1 напряжение подается на импульсную установку. Поворотом рукоятки трансформатора Т1 плавно повышают напряжение установки до уровня, при котором на экране возникает изображение периодически повторяющегося затухающего колебательного процесса. Его следует заосциллографировать, в дальнейшем это изображение будет служить образцом при проведении испытаний якорей (рисунок 24, а).

Чтобы получить образец осциллограммы в случае межвиткового замыкания (рисунок 24, б), необходимо замкнуть между собой две любые смежные пластины из находящихся между контактными щетками дуги. При этом, чем ближе замкнутые пластины расположены к щетке, соединенной с проводом I импульсной установки, тем более ярко будут выражены изменения осциллограммы: заметно уменьшаются амплитуда сигнала и длительность колебательного процесса.

Так же можно получить образец осциллограммы при замыкании на корпус одной из пластин (рисунок 24, в).

При подготовке определяют оптимальные значения напряжения, при которых сигналы на экране осциллографа явно свидетельствуют о наличии дефекта. После проведения калибровки и получения образцов осциллограмм установку вводят в эксплуатацию.

Проверку якорей на отсутствие замыканий и обрывов проводят следующим образом. После закрепления якоря на токарном станке, установки защитных приспособлений и включения устройства замеряют напряжение и контролируют колебательный процесс на экране при вращении якоря.

Если в ходе проверки полученная осциллограмма свидетельствует о межвитковом замыкании, то определяют поврежденную секцию обмотки, учитывая следующие особенности.

При вращении якоря по часовой стрелке признак замыкания на осциллограмме исчез или почти не заметен -- это означает, что замыкание произошло в секции, коллекторные пластины которой расположены левее контактной щетки с проводом II.

При вращении якоря против часовой стрелки признак замыкания на осциллограмме усилился -- это означает, что замыкание произошло в секции, коллекторные пластины которой приблизились к контактной щетке, соединенной с проводом I.

Таким образом, вращая якорь в ту или иную сторону относительно дуги с контактными щетками, можно определить секцию обмотки якоря, имеющую межвитковое замыкание или замыкание на корпус.

4.4 Выявление межвитковых замыканий в полюсных катушках

Известные методы выявления межвитковых замыканий в полюсных катушках тяговых двигателей не нашли применения в депо из-за малой их эффективности. Недостатком этих методов является то, что для обнаружения дефектов в катушках требуется обязательная разборка магнитной системы остовов двигателей, которая связана с большой затратой времени и усложняет проверку.

Для снижения трудоемкости проверки и увеличения производительности труда ВНИИЖТом и ПКБ ЦТ создано малогабаритное импульсное устройство, позволяющее эффективно выявлять межвитковое замыкание в полюсных катушках без разборки магнитной системы остова. Оно состоит из генератора импульсного напряжения (ГИН) и индикатора.

ГИН содержит ограничивающий конденсатор С1 (рисунок 27, а), импульсный трансформатор Т1, выпрямитель на диодах VD1--VD4, тиристор VS1, переключатель напряжения, состоящий из резистора R4 и выключателя В2, и формирователь управляющих импульсов на элементах R3, VD5, С2, VD7.

При включении ГИН через резисторы R4 и R5 заряжается конденсатор С2 до напряжения переключения динистора VD5. После переключения динистора VD5 конденсатор С2 начнет разряжаться через резистор R3 и управляющий электрод тиристора VS1. Тиристор открывается, обеспечивая через трансформатор Т1 быстрый заряд конденсатора С1. Во второй полупериод происходит разряд конденсатора С1 также через трансформатор Т1. В результате на выходе ГИН получается разнополярное импульсное напряжение с частотой следования 50 Гц и длительностью 200 мкс.

Рисунок 27 - Схемы устройства для определения межвитковых замыканий в полюсных катушках:

а -- генератор импульсного напряжения; б -- индикатор

4.5 Контроль паяных соединений

Специалисты Ростовского института инженеров железнодорожного транспорта и электровозоремонтного завода разработали стенд для контроля паяных соединений обмоток якорей тяговых двигателей (рисунок 28). Стенд можно применять при контроле контактных соединений обмотки якоря с коллектором тягового двигателя пульсирующего тока НБ-418К6.



Рисунок 29 - Функциональная схема стенда

Стенд содержит измеритель уровня инфракрасного излучения (ИК) в виде приемника ИК-лучей 1 с модулятором 2. Приемник 1 соединен через усилитель 4, подключенный к блоку питания 5, с регистрирующим прибором 6 и блоком автоматического управления (БАУ) 11. Контролируемый якорь 8 связан валом 19 через редуктор 18 с приводным двигателем 20. Редуктор 18 через зубчатую передачу 17 соединен с валом 12 якоря, установленного на кантователе 7.

На коллекторе расположены щетки 10, соединенные проводниками 15 и 16 через амперметр 21 с источником питания 14. Тот в свою очередь связан с блоком управления 13. Приемник ИК-лучей установлен на расстоянии 20--50 мм от петушков коллектора 9 при помощи штатива 3.

Источник питания 14 представляет собой диодно-тиристорный регулятор. Модулятор 2 -- это диск или трубка с отверстиями, изготовленные из материала, не пропускающего ИК-лучи.

Контролируемый перед КР-1 якорь 8, установленный на кантователе 7, с помощью приводного двигателя 20 через редуктор 18 и зубчатую передачу 17 приводится во вращение с небольшой частотой. К коллектору 9 якоря через шесть щеток 10 от источника 14 подводится постоянное напряжение. Тепловой поток от нагретых током петушков коллектора 9 передается к приемнику 1 через вращающийся механический модулятор 2 (на рисунке 29 привод вращения модулятора не показан).

Рисунок 30 - Функциональная схема электронного блока управления диодно-тиристорным регулятором

Напряжение на выходе приемника практически пропорционально температуре поверхности петушков. Сигнал, поступающий от приемника ИК-лучей, усиливается и регистрируется прибором 6, показывающим уровень принимаемых и усиленных ИК-лучей в местах паяных соединений петушков. Приемник 1 вместе с механическим модулятором 2, усилителем 4 и регистрирующим прибором 6 позволяет проводить бесконтактный сканирующий контроль поверхности петушков коллектора 9.

Проверку состояния паяных соединений на стенде можно начинать уже после 7--10 минут прогрева обмотки якоря. При отклонении стрелки микроамперметра от среднего уровня тока сигнала на 10 мкА и более обнаруживали петушки с поврежденными в эксплуатации паяными соединениями. Функциональная схема электронного блока управления БУ с источником питания показана на рисунке 30. Обозначения элементов в ней приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Обозначения элементов электронного блока управления

Наименование значение	Обозначение
Блок управления	БУ
Блок фазового управления	БФИУС-001
Блок синхронизации импульсов	БСИ-080
Блок логики	БЛ-O15
Блок управления выходных сигналов	БУВ-079
Панель питания	ПП-001
Предварительный каскад	ПК
Выходной каскад	ВК
Феррорезонансный стабилизатор С-075	СТ
Диодно-тиристорный регулятор	ДТР
Вентилятор для охлаждения силовых диодов и тиристоров	В

Действие блока управления БУ 13 диодно-тиристорным регулятором ДТР соответствует принципу работы аналогичных блоков серийных электровозов. Блок фазового управления формирует импульсы, фаза которых изменяется в зависимости от напряжения управления, регулируемого резистором R.

Рисунок 31 - Схема приемника инфракрасных лучей

Принципиальная схема приемника ИК-излучения с усилителем А1 и микроамперметром А представлена на рисунке 31. В качестве приемника применен пироэлектрический приемник оптического излучения МГ-30. Он предназначен для регистрации и измерения энергии модулированного излучения в диапазоне длин волн 2--20 мкм. Основные технические данные приемника МГ-30 (по ОДО397.046 ТУ) приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Основные технические данные пироэлектрического приемника оптического излучения типа МГ-30

Наименование	Величина
Вольтовая чувствительность, В/Вт Напряжение источника питания, В Температура абсолютно черного тела, С Частота модуляции, Гц Температура окружающей среды, С Сопротивление нагрузки, кОм	более 1000 +12, -12 3002 250125 205 10

Блок автоматического управления служит для отключения питания двигателя 20 привода кантователя (контактор К1) и подачи питания на электромагнитный тормоз 22 вала контролируемого якоря (контактор К2). С этой целью усилитель с дополнительным инверсным выходом при прохождении поврежденного паяного соединения под приемником ИК-лучей 1 выдает на геркон Г блока (БАУ) 11 нуль-сигнал. Тогда контролируемый якорь с помощью данного блока останавливается (контактор К1 отключен, К2 для торможения включен), приемник ИК-лучей на штативе 3 отводится в сторону. В данном случае можно вручную пропаивать поврежденное место прямо на кантователе 7.

4.6 Измерение активного сопротивления обмоток

Активное сопротивление обмоток двигателя проверяют методом вольтметра-амперметра, используя вольтметры M1106 и амперметры M1104 класса точности 0,2.

Увеличение активного сопротивления обмоток остова может быть вызвано выплавлением кабелей в патронах или наконечниках, обрывами жил кабелей, нарушениями контакта в межкатушечных соединениях, а также дефектами в полюсных катушках. Уточнить место повреждения можно, пропуская через проверяемую цепь ток, равный двойному часовому, в течение 5--10 мин. Поврежденное место будет иметь повышенный нагрев.

4.7 Контроль состояния якорных подшипников на собранном двигателе

Якорные подшипники служат для поддержания вала якоря.

Количество порч и неисправностей на 1 млн км пробега колеблется от 0,44 до 3,68 для якорных подшипников электровозов.

Большое количество порч и неисправностей якорных подшипников обусловлено тяжелыми условиями их работы. Тяжелые условия работы якорных подшипников определяются сравнительно высокими динамическими нагрузками, большим числом оборотов якоря, перекосами, возникающими вследствие отклонений, допускаемых при монтаже и изготовлении деталей, сопрягаемых с подшипниками, и в результате упругого прогиба вала якоря, а также нагревом деталей, обусловленным внутренним трением в самом подшипнике, притоком тепла от обмоток двигателя и другими факторами.

Важным условием, обусловливающим надежную работу подшипника, является посадка внутреннего кольца на вал с гарантированным натягом. Невыполнение этого условия приводит к тому, что при максимальном натяге внутренних колец на валах радиальный зазор может отсутствовать и возможно появление преднатяга в подшипнике. В этих случаях он греется, изнашивается, происходит разрушение сепаратора и заклинивание подшипника. Также следует учитывать, что на величину потерь трения и на тепловой режим подшипника весьма сильно влияет степень заполнения корпуса при постоянном объеме смазки. Избыток смазки так же, как и ее недостаток, всегда вызывает нагрев подшипников.

В якорных подшипниках некоторые дефекты появляются как следствие изнашивания и развития усталостных микротрещин. Износ возникает из-за проскальзывания тел качения по кольцу, что значительно возрастает при загрязнении, ухудшении качества смазки, ржавлении. Вследствие циклических нагрузок возникает явление усталости металла как на рабочих поверхностях внутреннего и наружного колец, так и на сепараторе подшипника. Периодические деформации приводят к образованию микротрещин и отслаиванию металла.

Для определения состояния подшипников в локомотивных депо используются методы виброакустической диагностики.

Вибрация, возбуждаемая подшипниками качения, обусловлена в первую очередь дефектами изготовления и монтажа, а также дефектами, возникающими в процессе эксплуатации.

Физическим носителем информации о состоянии элементов подшипника в виброакустической диагностике служат упругие волны, которые возбуждаются в подшипнике соударением этих элементов.

Наряду с методами виброакустической диагностики используется способ акустической эмиссии в ультразвуковой полосе частот.

На этом принципе работает индикатор ресурса подшипников ИРП-12, который предназначен для проверки на работающем оборудовании технического состояния подшипников качения:

- степени износа подшипников в режимах экспресс контроля;

- наличие смазки в подшипниковых узлах;

- правильность сборки подшипниковых узлов при изготовлении и ремонте.

Прибор состоит из пьезоэлектрического датчика, присоединительного кабеля со штекером, измерительного блока, корпус которого изготовлен из алюминиевого сплава. На корпусе измерительного блока имеется гнездо, кнопка «включено -- выключено», кнопка ПИК для фиксации наибольших показаний на дисплее, отсек источников питания с крышкой. Масса прибора (без источника питания) не более 0,4 кг. Устройство и принцип работы прибора иллюстрируется функциональной схемой (рисунок 32).

Схема обеспечивает обработку ультразвуковых сигналов от дефектов всех частей подшипника и оценку их совокупного значения в виде обобщенного критерия степени износа подшипника в балльной форме. Критерии степени износа подшипников в цифровой форме выводятся на дисплей. Оценка состояния износа определяется путем сравнивания фактического показания дисплея при проверке технического состояния подшипника с данными, полученными экспериментально по различным дефектам якорных подшипников.

Рисунок 32 - Функциональная схема прибора ИРП-12

Зависимость между техническим состоянием (степенью износа якорного подшипника) и показанием дисплея D прибора ИРП-12 от времени работы при номинальной нагрузке подшипника представлена на рисунке 33.

Рисунок 33 - Зависимость между состоянием подшипника и показаниями дисплея прибора ИРП-12

Кривая Dm-a-b-c-d-e в координатах D (показания дисплея) и Т (суммарное время работы в часах с момента установки подшипника при рабочей нагрузке оборудования) показывает степень износа подшипника от времени. Точки кривой соответствуют следующим состояниям подшипника (если дефекты смазки и монтажа отсутствуют):

- Dm -- исходное состояние;

- точка a -- накопленные усталостные микротрещины в поверхностном и приповерхностном слоях тел и дорожек качения приводят к микровыкрашиваниям;

- участок а-b -- развитие поверхностных трещин, мелких выкрашиваний, зарождение пятен выкрашивания на телах и дорожках качения;

- участок b-c -- развитие трещин на телах и дорожках качения, приводящих в дальнейшем к выкрашиванию металла с образованием раковин, начало интенсивного износа сепаратора, рост пятен выкрашивания;

- участок c-d -- образование мелких раковин, развитие трещин до сквозных на кольцах подшипника;

- точка e -- работа подшипника с крупными раковинами, трещинами, генерация значительной вибрации до заклинивания с большим тепловыделением;

...