Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

УДК 629.735.083.064.5.004.58/043.3

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Діагностування авіаційних електричних машин постійного струму в умовах експлуатації

Курілов Володимир Іванович

05.22.20 - експлуатація і ремонт засобів транспорту

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Повстень Віктор Олександрович, професор кафедри електротехніки і світлотехніки національного авіаційного університету

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

Казак Василь Миколаєвич, завідувач кафедри електроенергетичних систем національного авіаційного університету;

- доктор технічних наук, с.н.с.

Антонов Олександр Євгенович, завідувач лабораторії Інституту електродинаміки НАН України.

Провідна установа: АНТК ім. О.К.Антонова, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 30 березня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.062.03 національного авіаційного університету за адресою: 03580, м. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці національного авіаційного університету (03058, м. Київ-58, проспект Космонавта Комарова, 1).

Автореферат розісланий 17 лютого 2005 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доц. С.В. Павлова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Машини постійного струму (МПС) продовжують знаходити широке застосування в промисловості і на транспорті, що пояснюється кращими пусковими та регулювальними властивостями цих машин порівняно з машинами змінного струму. Надійність МПС значною мірою визначається надійністю щітково-колекторних вузлів (ЩКВ). За даними експлуатації у середньому 25 % відмов промислових МПС спричинені несправностями ЩКВ, а на транспорті - 44-66 % . Дані про відмови і надійність авіаційних МПС під час експлуатації систематизовані недостатньо. Оскільки авіаційні МПС відрізняються від промислових значно вищими вимогами до надійності, підвищеними значеннями питомих навантажень, збільшеною частотою обертання й висотністю застосування, що спричиняє прискорений знос елементів їх ЩКВ, то для авіаційних МПС особливо актуальною є проблема відновлення їх надійності.

Відновлення надійності МПС під час експлуатації за вітчизняним і зарубіжним досвідом значною мірою пов'язане з можливостями систем їх контролю і діагностування. Оцінка стану ЩКВ авіаційних МПС за технологією їх обслуговування виконується під час виконання регламентних робіт в основному за допомогою індикатора годинникового типу. Така оцінка відображає тільки механічний стан ЩКВ у статичному режимі і не враховує ряд факторів, що впливають на якість ковзного контакту: політуру колектора, степінь притертості щітки, тиск щіткових пружин, динаміку процесу комутації, які суттєво впливають на надійність ЩКВ. Інші існуючі методи контролю й діагностування ЩКВ не застосовують в авіації через їх недосконалість, зумовлену обмеженими можливостями попередження відмов МПС, недостатньою чутливістю й точністю, необхідністю певних конструктивних доробок і складністю застосування. Низька контролепридатність і неможливість конструктивних доробок авіаційних МПС в умовах експлуатації також суттєво ускладнюють їх контроль і діагностування.

Отже, вдосконалення та розробка нових ефективних методів і відповідних їм пристроїв контролю і діагностування ЩКВ авіаційних МПС у зібраному стані без зміни їх конструкції продовжує залишатися актуальним і недостатньо вирішеним науково-технічним завданням. Розв'язання цього завдання сприятиме запобіганню відмов, відновленню надійності та подовженню строку експлуатації авіаційних МПС без суттєвої зміни технології їх обслуговування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо зв'язана з науково-дослідними роботами, що проводилися й проводяться в Національному авіаційному університеті в м. Києві і, зокрема, з темами: № 569В-86 "Розробити методики вхідного контролю та оцінки якості ремонту авіаційних електричних машин з метою мінімізації обсягу ремонтних і випробувальних робіт", № ДР 01.86.0-090561; № 315-ДБ93 "Вдосконалення методів контролю електричних машин та апаратів", № ДР 0193U044306; № 706-ДБ96 "Розробка способів вдосконалення експлуатаційних характеристик авіаційного обладнання", № ДР 0196U015486; № 816-ДБ98 "Розробка і дослідження методів швидкодії, надійності та економічності електроприводів систем авіаційно-космічної техніки", № ДР 0198U000709.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка діагностичних моделей авіаційних МПС і створення на їх основі придатних для застосування в умовах експлуатації авіатехніки ефективних методів, способів, засобів контролю і діагностування вузлів цих машин у зібраному стані без доробок їх конструкції.

Для досягнення цієї мети у роботі вирішуються такі завдання:

аналіз відмов і несправностей авіаційних МПС з метою визначення вузлів, які повинні підлягати першочерговому контролю, а також визначення розподілу інтенсивності відмов цих вузлів;

порівняльний аналіз існуючих методів, способів та засобів контролю і діагностування МПС та їх можливостей до застосування в умовах експлуатації авіатехніки;

аналіз фізичних процесів в МПС з метою вибору визначальних діагностичних параметрів, придатних для оцінки технічного стану авіаційних МПС у зібраному стані;

розробка й дослідження нових діагностичних моделей авіаційних МПС, придатних для оцінки їх технічного стану в умовах експлуатації;

експериментальне визначення ефективних способів і засобів контролю і діагностування авіаційних МПС у зібраному стані без доробок їх конструкції.

Об'єкт дослідження - надійність електричних МПС систем енергозабезпечення повітряних суден під час експлуатації.

Предмет дослідження - процес діагностування авіаційних електричних МПС в умовах експлуатації.

Методи дослідження. У роботі використовувалися: методи математичної статистики для визначення надійності авіаційних МПС і взаємозв'язків між їх несправностями і діагностичними параметрами; методи теорії комутації для розробки діагностичних моделей кола комутації; методи теорії електричних кіл для складання й аналізу схеми заміщення кола комутації МПС; методи векторної алгебри і узагальнених чисел для розв'язування систем рівнянь; методи теорії ймовірностей для апроксимацій функціональних залежностей; методи теорії вимірювань для оцінки точності результатів вимірювань; методи теорії розпізнавання образів для ідентифікації стану МПС.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлені розподіли відмов вузлів генераторів серій ГС, СТГ і електромашинних перетворювачів (ЕМП) та визначені статистичні залежності інтенсивності відмов ЩКВ генераторів серій ГС, СТГ і ЕМП серії ПТ, які свідчать про необхідність вдосконалення контролю й діагностування їх ЩКВ, досягнутого за допомогою використання струму у контурі комутації для оцінки технічного стану ЩКВ;

розроблена нова діагностична модель МПС із хвильовими обмотками якоря (ОЯ), яка дає можливість використати струм у спільному колі комутації, яким є різницевий струм в однойменних щітках, як комплексний діагностичний параметр для оцінки технічного стану ЩКВ та ОЯ без розбирання машини, що досягнуто практичним виключенням під час діагностування впливу електрорушійних сил (ЕРС) у комутуючих секціях на струм комутації;

на основі складеної і обґрунтованої схеми заміщення кола комутації МПС із хвильовими ОЯ складена математична модель для дослідження розробленої діагностичної моделі;

розроблена нова діагностична модель кола комутації МПС із хвильовими ОЯ, у якій напруга між розімкненими однойменними щітками використана як діагностичний параметр для оцінки ексцентриситету якоря без розбирання машини;

- розроблена нова діагностична модель системи "ЩКВ-ОЗ” МПС із простими петльовими ОЯ, особливість якої полягає у використанні напруги на обмотці збудження (ОЗ), зумовленої струмами комутації, як комплексного діагностичного параметра для визначення технічного стану ЩКВ та ОЯ без розбирання машини;

складена математична модель для дослідження розробленої діагностичної моделі системи "ЩКВ-ОЗ" МПС із петльовими ОЯ;

на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень встановлені залежності діагностичних параметрів МПС із хвильовими ОЯ (амплітуди похідної різницевого струму від перепаду рівнів колекторних пластин (КП), амплітуди першої гармоніки різницевого струму від биття колектора, постійної складової різницевого струму від тиску щіткових пружин і площі щіткового контакту, напруги між розімкненими однойменними щітками від ексцентриситету якоря) та встановлена залежність першої гармоніки напруги на ОЗ МПС із петльовими ОЯ від биття колектора.

Практичне значення одержаних результатів. На основі розроблених діагностичних моделей запропоновані й захищені чотирма авторськими свідоцтвами способи контролю МПС, на базі яких створені пристрої для безрозбірного діагностування авіаційних МПС різних типів в умовах експлуатації.

Зокрема, створено пристрій ІС-2, призначений для діагностування авіаційних ЕМП, який пройшов випробування, а також розроблено вихідні вимоги для створення промислових зразків цього пристрою.

За участю автора Київським авіаційним технічним центром ТТМ розроблені й впроваджені у промисловість: пристрій УДМД-80/100 (ПК-ДПТ-3), призначений для контролю й діагностування авіаційних магнітоелектричних двигунів постійного струму МП-80 і ІД-100, який експлуатується на Тюменському електромеханічному заводі; прилад ПККИО-1, призначений для діагностування у складі установки УД-ГПТ-1 ЩКВ та ОЯ авіаційних генераторів постійного струму серій ГС і СТГ, який експлуатується в Новоуренгойському авіаційному загоні.

Одержані результати знайшли відображення у підручнику для студентів Вузів цивільної авіації (Авиационные электрические машины / Левин Н.Н., Повстень В.А., Попов М.П., Серебряков Ф.Д. - К.: КМУГА, 1998. - 440 с.). На базі приладу ПККИО-1 в Національному авіаційному університеті впроваджено у навчальний процес лабораторну установку за курсом "Електричні машини".

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що становлять головний зміст дисертації, автор отримав особисто.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [5] - виконані експериментальні дослідження та визначені обмеження умов діагностування; [6] - запропоновано формування сигналу контролю у вигляді похідної різницевого струму та виконана експериментальна перевірка способу і патентний пошук.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на: Всесоюзній НТК "Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов" (м. Москва 1988 р.); Республіканському науково-технічному семінарі "Вопросы технической эксплуатации авиационных электрических машин и систем электроснабжения воздушных судов" (м. Київ, 1991р.); II міжнародній НТК "Методы управления системной эффективностью функционирования электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов" (м. Київ, 1993 р.); Міжнародних НТК "Авіа-1999", "Авіа-2000", "Авіа-2002", "Авіа-2004" (м. Київ, 1999, 2000, 2002, 2004 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 16 спеціалізованих публікаціях, у тому числі в 4 статтях у наукових виданнях, затверджених як фахові, в 3 статтях у збірниках наукових праць, 8 тезах доповідей на науково-технічних конференціях і авторському свідоцтві.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів з висновками по кожному розділу, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи становить 248 сторінок. Дисертація містить 62 рисунки на 21 сторінці, 10 таблиць на 5 сторінках, 8 додатків на 60 сторінках і список використаних джерел, що включає 161 найменування, на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, викладений зв'язок із науковими темами, сформульовані мета й задачі роботи, показані її наукова новизна і практичне значення, а також визначений особистий внесок автора дисертації в одержанні наукових результатів.

У першому розділі проведені аналіз надійності МПС систем енергозабезпечення повітряних суден, аналіз існуючих методів, способів і засобів контролю й діагностування МПС та сформульовані задачі досліджень.

Аналіз відмов ЕМП серій ПТ, ПО і МА за рік експлуатації на літаках ІЛ-62, ЯК-40, ТУ-154 Міністерства цивільної авіації СРСР (МЦА) показав, що відмови вузлів цих ЕМП складають: ЩКВ - 75,4 % (в основному через знос колектора), підшипники - 8,7 % (в основному через руйнування), ОЯ - 2,5 % (через короткі замикання). Аналогічний аналіз, проведений для генераторів серій ГС і СТГ за 4 роки експлуатації на літаках АН-24, АН-26, ІЛ-18, ТУ-134, ТУ-154, показав, що відмови вузлів цих генераторів складають: ЩКВ - 69,1...85,4 % (в основному через знос і руйнування колектора), підшипники - 10,8 % (в основному через руйнування), ОЯ - 10,3 % (в основному через перегрів). Окремо був проведений аналіз відмов генераторів ГС-24 і СТГ-12 за 5 років експлуатації в умовах холодного клімату на літаках АН-12 у Якутському авіапідприємстві. Результати цього аналізу свідчать, що відмови вузлів цих генераторів складають: ЩКВ - 85,4 % (в основному через руйнування), підшипники - 8,3 % (через руйнування). Отже, серед причин виходу з ладу МПС систем енергозабезпечення головними є відмови ЩКВ, підшипників та ОЯ, причому найменш надійним вузлом, який і повинен підлягати першочерговому контролю, є ЩКВ. Наведені результати свідчать про значні недоліки системи контролю ЩКВ авіаційних МПС, яка нині застосовується в авіації.

Виявлено, що найбільший відсоток відмов ЩКВ серед МПС систем енергозабезпечення мають ЕМП ПТ200Ц і генератори ГС-24, СТГ-12. Тому для цих машин був проведений статистичний аналіз їх відмов, який показав, що тривалості періоду приробки їх ЩКВ становлять майже половину визначених для цих МПС ресурсів (рис. 1), а інтенсивність відмов ЩКВ генераторів ГС-24, СТГ-12 у період нормальної експлуатації значно вища, ніж у промислових МПС.

Встановлено, що ймовірність безвідмовної роботи генераторів ГС-24, СТГ-12 у міжрегламентний період (500 г.) при напрацюванні біля 500 годин становить Р* = 0,76, що не відповідає вимогам до надійності авіаційного устаткування і вказує на необхідність посилення контролю ЩКВ під час проведення регламентних робіт. Отримані функції розподілу можуть бути використані при розробці раціональної системи обслуговування й прогнозування технічного стану цих МПС.

Проведений аналіз причин виникнення несправностей МПС показав, що на технічний стан ЩКВ перш за все впливають механічні фактори, особливо локальне виступання КП та биття колектора, які спричиняють прискорений знос ЩКВ та його руйнування.

Аналіз технології технічного обслуговування авіаційних МПС показав, що регламентовані методи контролю дають недостатню інформацію і мають значний суб'єктивний фактор в оцінці технічного стану ЩКВ. Огляд інших існуючих методів, способів та засобів контролю МПС свідчить, що вони ґрунтуються на оцінці механічного стану елементів ЩКВ і параметрів процесів, які супроводжують його роботу. Серед цих методів найінформативнішими є методи, засновані на оцінці змінювання параметрів процесу комутації, які найбільш повно відображають технічний стан ЩКВ та інших вузлів МПС. Проте для контролю і діагностування ЩКВ авіаційних МПС ці методи не застосовують через необхідність конструктивних доробок цих МПС, недостатню інформативність, теоретичну необґрунтованість та необхідність розбирання МПС, складну реалізацію і високу вартість. Отже завдання розробки нових методів, способів і засобів контролю МПС, які найбільш повно відповідають умовам експлуатації, є важливим і актуальним.

Для розробки нових ефективних методів, способів і засобів контролю й діагностування авіаційних МПС були конкретизовані завдання досліджень, які полягають у попередньому аналізі фізичних процесів в МПС, виборі визначальних діагностичних параметрів і створенні діагностичних моделей, які дозволяють диференційовано діагностувати вузли МПС в умовах експлуатації.

Другий розділ дисертації присвячений вибору визначальних діагностичних параметрів та розробці і дослідженню діагностичних моделей багатополюсних МПС із хвильовими ОЯ.

У роботі запропоновано новий комплексний діагностичний параметр для оцінки технічного стану ЩКВ і ОЯ, який має прямий зв'язок із струмами комутуючих секцій. Цим параметром є різниця струмів першої і1 і другої і2 однойменних щіток і = (і1 - і2) / 2 , названа у роботі різницевим струмом. При виборі діагностичного параметра врахована особливість хвильової ОЯ, яка полягає у тому, що на відміну від петльової ОЯ є можливість прямого вимірювання струму у спільному колі комутації, утвореному одночасно комутуючими секціями, двома однойменними щітками і провідником, який їх з'єднує. Оскільки у хвильовій ОЯ зазвичай одночасно комутують дві і більше секцій, то різницевий струм і визначається алгебраїчною сумою струмів в одночасно комутуючих секціях:

, (1)

де m - кількість одночасно комутуючих секцій; iа - струм якоря; Rщ1j , Rщ2j - перехідні щіткові опори; Rсj - активний опір j-тої комутуючої секції; eк j , Lрез j , і j - відповідно ЕРС обертання у полі реакції якоря, результуюча індуктивність і струм j-тої комутуючої секції.

Показано, що основними труднощами використання струму і як комплексного діагностичного параметра у робочому режимі МПС є складність, неоднозначність, а іноді і неможливість диференційованого діагностування конкретних вузлів і елементів МПС, оскільки значна кількість факторів, що впливають на опори Rщ1j , Rщ2j і ЕРС у комутуючих секціях мають перехресні зв'язки між собою і діють одночасно. Подолані ці труднощі шляхом створення таких умов діагностування, за яких струм і залежить головним чином від опорів R щ , які є функціями багатьох змінних: R щ = f (Рщ , h, , J, S, , V, ...), де Рщ - тиск на щітку, h - перепад рівнів КП, - биття поверхні колектора, J - щільність струму у щітковому контакті, S, - площа й температура контакту, V- лінійна швидкість поверхні колектора. Хоча вольт-амперна характеристика щіткового контакту має нелінійний характер, у діапазоні малих щільностей струму J вона може бути з достатньою точністю лінеаризована. Тоді опір R щ за умов =const, V=const можна розглядати як лінійний перетворювач величин Рщ , h, , S,… у струм, який протікає через щітковий контакт. При цьому залежність Rщ =f (Рщ) є найбільш суттєвою, оскільки биття і перепад рівнів КП у межах пружності щіткових пружин спричиняють пропорційну зміну тиску Рщ = kпр h , де kпр - коефіцієнт пружності пружини, h - переміщення щітки у радіальному напрямку. Залежність R щ = f (Рщ ), яка має близький до гіперболічного характер, лінеаризована у межах допуску на биття колектора.

Розроблена відповідна діагностична модель, яка дозволяє під час діагностування за рахунок зменшення частоти обертання п і струму якоря ia практично знехтувати впливом реактивних ЕРС на коло комутації і використати струм і як комплексний діагностичний параметр для визначення технічного стану ЩКВ та ОЯ без розбирання та доробки машини. Крім того, ця діагностична модель також відрізняється виключенням основного магнітного поля, що значно зменшує ЕРС обертання, яка під час діагностування визначається лише залишковим магнітним полем. Обертання якоря забезпечується стороннім приводом, а струм якоря - зовнішнім джерелом струму.

Для визначення й дослідження залежностей струму і від критеріїв працездатності ЩКВ запропонована еквівалентна електрична схема заміщення реального кола комутації, яка подана на рис. 2. Схема заміщення на відміну від реального кола комутації, яке циклічно змінює свою конфігурацію, має незмінну конфігурацію, що досягнуто заміною реальних щіткових опорів Rщ1j , Rщ2j еквівалентними узагальненими опорами R'щ1(t, j, j), Rщ1(t, j, j), R'щ2(t, j, j), Rщ2(t, j, j), де величина j = Rп j / Rп сер , Rп j - щітковий опір j-тої КП, Rп сер - середній щітковий опір по колектору. Опори секцій ОЯ прийняті однаковими, тобто Rсj = Rс , а коло комутації, утворене щітками протилежної полярності, як показано у роботі, може не враховуватися. Для зручності розрахунків еквівалентні опори у роботі представлені як добутки щіткового опору Rп сер на відповідні функціональні коефіцієнти: R'щ1=K'щ1Rп сер ; R''щ1 =K''щ1 Rп сер ; R'щ2 =K'щ2 Rп сер ; R''щ2 =K''щ2 Rп сер .



Математична модель кола комутації, яка відповідає схемі заміщення (рис. 2), подана у такому вигляді:

; j = trunc () z; y =j + y при j y+1; y = j-y при j y +2;

;;; при (j-1) (j-0,5);

;;; при (j-0,5) j ;

; (2)

A0 = 0; A1 = Kщ2 - Kщ1 ; A2 =2[Kщ2Kщ2 - Kщ1 Kщ1 + Kщ1 (Kщ2 - Kщ2 )] /z;

A3 = Kщ2Kщ2( Kщ1 +Kщ1) -Kщ1 Kщ1 (Kщ2 +Kщ2) ;

B0 = 1; B1 = Kщ2 +Kщ1 +2(Kщ1 +Kщ2) ; B2 = 2(Kщ2 Kщ2+ Kщ1 Kщ1 ) + Kщ2 Kщ1 + Kщ1 (Kщ2 +Kщ2) ;

B3 = Kщ2Kщ2( Kщ1 +Kщ1) +Kщ1 Kщ1 (Kщ2 +Kщ2) .

де Т = 60/nz - період повтору; z - кількість КП; y - номер КП, яка знаходиться на відстані результуючого кроку по колектору y = (z-1)/p від j-тої КП; p - кількість пар полюсів; = Rп сер / Rс (для авіаційних МПС = 5...6,7); Іk - струм якоря.

За допомогою моделі (2) була досліджена залежність i = f () за умови j=1, коли щіткові опори для всіх КП однакові. Встановлено, що параметр i циклічно змінюється з частотою f = zn/60 (рис. 3, а), що викликано наявністю у колі комутації опорів секцій Rс. При цьому амплітуда пульсацій іmax має нелінійну залежність від коефіцієнта (рис. 3, б) і при = 10 вона становить 2,4 % Iк .

Залежність діагностичного параметра i від перехідного щіткового опору була досліджена з використанням моделі (2) за умов 2 = var, =10, j = 1 при j 2. Як показали дослідження, у кривій струму i з'являються імпульси (рис. 4, а) позитивної при 2 1 або негативної при 2 1 полярності, амплітуда яких imax нелінійно залежить від значення величини 2 (рис. 4, б).

Показано, що для авіаційних МПС пульсаціями струму i/Ik = f (, ) з певною похибкою можна знехтувати і тим самим значно спростити систему рівнянь (2), у якій вираз для струму i приймає такий вигляд:

. (3)

Оскільки одним з основних критеріїв оцінки механічного стану ЩКВ є перепад рівнів КП h , то оцінювати їх доцільно за похідною струму і ' = dі/d, яка з урахуванням виразу (3) відповідно визначається такою системою рівнянь:

(4)

Із застосуванням системи (4) була досліджена залежність діагностичного параметра і' від перепаду рівнів окремих КП за умов 3 = var, j = 1 при j 3. Встановлено, що залежність може мати суттєве значення при 3 <1, коли параметр i має максимальні значення imax , залежність яких від величини 3 подана на рис. 5.

Отримані результати дозволили зробити висновок, про те, що таку несправність колектора як недопустиме виступання КП достатньо визначати за значенням параметра i'max , встановленим у відповідності з допуском на це виступання.

Показано, що серед характерних несправностей, які діагностуються за допомогою розробленої діагностичної моделі можна виділити такі:

- недопустимий знос, непритертість, відколи контактуючої поверхні щіток, заїдання і зависання щіток, неоднаковість тиску щіткових пружин, які визначаються за значенням постійної складової різницевого струму i0 .

- недопустиме биття поверхні колектора, яке визначається за амплітудою першої гармоніки різницевого струму;

- обриви та короткі замикання секцій ОЯ, порушення контакту та неправильне з'єднання виводів секцій ОЯ із КП, які визначаються за амплітудами парних гармонік різницевого струму, кратних частоті обертання якоря .

Достовірність одержаних теоретичних положень підтверджена проведеними експериментальними дослідженнями за допомогою створеного пристрою контролю авіаційних ЕМП. Зокрема, для підтвердження аналітично отриманої залежності і max =f (h) , яка представлена поліномом

і max = 5,3849h 2 + 20,329h - 3,2086

і подана на рис. 6 (крива 1), досліджувалися колектори перетворювачів ПТ200Ц із різними максимальними значеннями перепаду рівнів КП h. Встановлено, що розходження експериментально отриманих значень залежності і max = f (h) від теоретичних не перевищують 15 % .

авіаційний машина струм діагностичний



Достовірність оцінки профілю колектора за параметром і досліджувалася за допомогою регресійного аналізу зв'язку між статичною профілограмою колектора [H] та осцилограмою діагностичного сигналу [U], пропорційного різницевому струму і . Результати дослідження показали, що коефіцієнт кореляції rHU = 0,67, а довірчі інтервали оцінок параметрів при рівні значимості 0,05 складають для - 0,62 мВ, і для -1,59 мкм, що достатньо для використання параметра і для оцінки профілограми колектора.

Залежність постійної складової різницевого струму від площі перекриття Sп однієї з щіток при незмінному тиску щіткових пружин I0 = f (S) , отримана дослідним шляхом, подана поліномом

I0 = = - 2,6301S + 2,685,

а залежність постійної складової параметра i від тиску I0 = f (Pщ) - поліномом

I0 = 0,0028 Pщ2 + 0,0166Pщ+ 0,023.

У другому розділі також були проведені дослідження зміни у часі параметра і перетворювачів ПТ-200Ц, які безперервно працювали у режимі холостого ходу протягом 1200 годин. Характер змін цього параметра відповідає загально прийнятому характеру процесу зносу щіток, який у даному випадку має період приробки до 60 год, період нормальної експлуатації до 850 год і далі період прискореного зносу. Одержані результати можуть бути використані при прогнозуванні стану ЩКВ ЕМП, які працюють на повітряних суднах у режимі резерву.

Показано, що завдяки такій особливості кола комутації хвильової ОЯ як взаємне перпендикулярне розташування пар одночасно комутуючих секцій, які знаходяться під відповідними парами однойменних полюсів, є можливість оцінювання динамічного і статичного ексцентриситету якоря. З урахуванням цієї особливості розроблена відповідна діагностична модель кола комутації, у якій геометричні суми постійних складових U0щN , U0щS і амплітуд першої гармоніки Um1щN , Um1щS напруг між розімкненими однойменними щітками під північними uщN і південними uщS полюсами, використовуються як діагностичні параметри для оцінки відповідно статичного і динамічного ексцентриситетів якоря. Ця діагностична модель відрізняється від попередньої моделі, якій відповідає система (2), виключенням впливу биття поверхні колектора на діагностичний параметр. При цьому МПС працює на холостому ході у генераторному режимі, а щіткова траверса зміщена з геометричної нейтралі на максимальний електричний кут у межах зони комутації.

Розробленій діагностичній моделі відповідає така система рівнянь, яка дозволяє визначити залежності діагностичних параметрів від динамічного й статичного ексцентриситетів якоря:



де - коефіцієнти Фур'є функцій uщN = f(t) і uщS = f(t); Тя - період обертання якоря; - зазори під полюсами; F - магніторушійна сила полюса; l - довжина активного провідника секції; y1 - перший частковий крок секції по пазам якоря; - полюсне ділення; 0 = 4 10-7 Гн/м ; Dя - зовнішній діаметр якоря; wс - кількість витків секції; 0 - рівномірний повітряний зазор; - ексцентриситет; 0 - початковий кут ексцентриситету; =2n/60 - кутова частота обертання якоря.

Експериментальні дослідження залежності постійної складової від статичного ексцентриситету якоря , виконані із застосуванням розробленої діагностичної моделі, підтвердили достатню для діагностування чутливість запропонованого параметра до статичного ексцентриситету.

Встановлено, що для ЕМП МА-100М за умови нормального розподілу величини статистичне граничне значення, за межею якого машину можна вважати несправною, становить , де - оцінка математичного чекання, s = 25 мВ - оцінка середньоквадратичного відхилення. Довірчий інтервал при рівні значимості = 0,05 становить 23 мВ.

Третій розділ дисертації присвячений розробці і дослідженню діагностичної моделі системи "ЩКВ-ОЗ” компенсованих генераторів постійного струму з додатковими полюсами і простими петльовими ОЯ.

Запропонована діагностична модель системи "ЩКВ-ОЗ”, у якій напруга на виводах розімкненої ОЗ uз використовується як діагностичний параметр для оцінки биття поверхні колектора непрямим методом із використанням трансформаторного зв'язку між комутуючою секцією й обмоткою основного полюса. При виборі діагностичного параметра врахована відмінність петльової ОЯ від хвильової, яка полягає у неможливості прямого вимірювання струму комутації.

Оригінальність цієї моделі полягає у штучному створенні нерівномірно розподіленого під основними полюсами магнітного поля реакції якоря, яке сконцентроване у повітряному зазорі під основним полюсом, вісь якого співпадає з віссю комутуючої секції. При цьому МПС знаходиться у спеціальному режимі: основне магнітне поле машини відсутнє, частота обертання якоря значно знижена, через якірну вітку пропускається стабілізований постійний струм і задіяні тільки дві поруч розташовані різнополярні щітки. Отже, у машині під час діагностування присутні тільки дві паралельні вітки, перша з яких звичайна, а друга подовжена й утворена секціями з 2р-1 інших звичайних віток.

Аналіз процесів у МПС у режимі діагностування показав, що за відсутністю зрівнювачів 1-го роду результуючі магніторушійні сили активних провідників секцій подовженої паралельної вітки, які лежать в одних пазах якоря, дорівнюють нулю, що викликано протилежними напрямками їх струмів. При цьому магнітне поле ОЯ зосереджене в області полюсів, під якими розташовуються дві щітки, що залишилися. Присутність зрівнювачів 1-го значно спотворює магнітне поле внаслідок перерозподілу струмів в обмотці якоря і спричиняє пульсації індукції поля якоря з колекторною частотою.

Проведені експериментальні дослідження розподілу магнітного поля під основними полюсами за відсутністю зрівнювачів підтвердили його нерівномірність і концентрацію у зоні комутуючої секції ОЯ.

Як показано, наявність залишкового магнітного потоку Фо призводить до появи в ОЗ неінформативних ЕРС, які зумовлені пульсаціями магнітної індукції в зазорі під основними полюсами і легко усуваються фільтруванням діагностичного параметра.

Запропонованій моделі відповідає математична модель системи "ЩКВ-ОЗ”, яка подана у такому вигляді:

(5)

де Мзя - коефіцієнт взаємоіндукції котушки ОЗ і ОЯ; ia1, ia2 - відповідно струми звичайної й подовженої паралельних віток; Мзк - коефіцієнт взаємоіндукції котушки збудження і комутуючої секції; iк1, iк2 - струми першої й другої комутуючих секцій; Вк - індукція в повітряному зазорі зони комутації; la - довжина активного провідника секції; va - лінійна швидкість на поверхні якоря; wс - число витків секції; Lс - результуюча індуктивність секції; R1= Rп1 Т/t , R2 = Rп2 Т/Т-t , R5 = Rп5 Т/t , R6= Rп6 Т/Т-t ; Rп1, Rп2, Rп5, Rп6 - опори перехідних щіткових контактів, які відповідають повній площі контакту КП, що знаходяться під щітками протилежної полярності; Т - період комутації.

Коефіцієнти взаємоіндукції Мзя і Мзк у системі (5) прийняті постійними, хоча в дійсності вони змінюються з колекторною частотою fк , внаслідок чого можлива поява в обмотці збудження неінформативних пульсацій напруги із зазначеною частотою. Враховується це у діагностичній моделі за допомогою фільтра, який не пропускає складові діагностичного сигналу з частотою fк.

Із застосуванням розробленої математичної моделі встановлено, що:

вплив ЕРС у комутуючій секції на діагностичний сигнал можна врахувати, за таких умов діагностування: індукція в зоні комутації має постійне значення, а швидкість зміни струму комутуючої секції усереднена;

вплив падінь напруги ia1R1 і ia2R2 на діагностичний сигнал незначний, оскільки в машині, що працює без іскріння, їхні значення на порядок менші за значення ЕРС у комутуючій секції, і їхнім впливом із достатнім наближенням можна знехтувати.

Встановлено, що вплив на діагностичний сигнал магнітної асиметрії повітряного зазору, яка призводить до зміни ЕРС окремих котушок ОЗ на інформативній частоті, усувається завдяки сумуванню цих ЕРС в ОЗ:

,

де Еmax і - амплітуда ЕРС котушки збудження j-го полюса; щ = р- кут між сусідніми полюсами.

Проведені експериментальні дослідження залежності діагностичного параметра від биття колектора авіаційних генераторів постійного струму підтвердили достатню для діагностування чутливість запропонованого параметра до биття.

У четвертому розділі на основі розроблених моделей запропоновані й досліджені оригінальні спосіб і засоби діагностування й контролю ЩКВ і ОЯ авіаційних МПС, придатні до застосування в умовах експлуатації авіатехніки.

Розроблений спосіб контролю МПС із хвильовими ОЯ відрізняється оцінкою зміни параметрів кола комутації, що знаходиться між однойменними щітками, шляхом вимірювання оригінальним способом швидкості зміни різницевого струму i в цьому колі у разі незбудженої МПС, через якірне коло якої пропускають постійний струм із фіксованим значенням. При цьому якір обертають стороннім приводом і порівнюють виміряне значення струму i з еталонним, виміряним за аналогічних умов значенням для справної МПС даного типу. Проведені експериментальні дослідження способу підтвердили чутливість діагностичних параметрів до відповідних несправностей.

Розроблений спосіб реалізовано у створених засобах діагностування й контролю, а саме:

- у пристрої ІС-1, який відзначений бронзовою медаллю ВДНГ і призначений для контролю ЩКВ авіаційних ЕМП ПТ-200Ц під час проведення регламентних робіт в умовах лабораторії авіапідприємства. Пристрій дозволяє вимірювати максимальне й середнє значення змінної складової різницевого струму і, за значеннями яких оцінюють максимальне виступання КП, биття якоря, магнітну асиметрію полюсів, короткі замикання й обриви ОЯ;

- у пристрої ІС-2, який відзначений срібною й бронзовою медалями ВДНГ і призначений для контролю ЩКВ авіаційних ЕМП серій ПО, ПТ, МА при проведенні регламентних робіт в умовах лабораторії авіапідприємства. Пристрій дозволяє контролювати: технічний стан щіток за значенням постійної складової I0 , похибка вимірювання якої не перевищує 2,5 % ; биття колектора за максимальним випрямленим значенням змінної складової різницевого струму і , похибка вимірювання якого не перевищує 5 % ; максимальне виступання КП за максимальним випрямленим значенням похідної іmax різницевого струму і , похибка вимірювання якої не перевищує 5,5 %;

- у пристрої ПК-ДПТ-3 (УДМД-80/100), який відзначений срібними медалями ВДНГ та призначений для контролю й діагностування авіаційних двигунів постійного струму і, зокрема, магнітоелектричних двигунів МП-80, ІД-100. Пристрій забезпечує: виявлення коротких замикань ОЯ та міжламельних коротких замикань колектора; виявлення обривів ОЯ й порушень контакту у місцях пайки виводів секцій до КП; виявлення порушень порядку укладання секцій ОЯ у пази або припаювання їх до КП; оцінку биття колектора; оцінку профілю колектора (виступання окремих КП і ступінь притертості щіток); виявлення неправильної установки тиску щіткових пружин.

Розроблено прилад ПККИО-1, призначений для діагностування ЩКВ і ОЯ генераторів ГС і СТГ, який у складі установки УД-ГПТ-1 дозволяє контролювати та діагностувати виступання КП, профілограму і биття колектора, короткі замикання та обриви ОЯ без розбирання генераторів в умовах лабораторії експлуатаційного авіапідприємства.

Допустимі значення діагностичних параметрів встановлені за допомогою допусків на биття й виступання КП, та методами математичної статистики і теорії розпізнавання образів.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуального наукового завдання вдосконалення методів діагностування і контролю авіаційних МПС шляхом розробки діагностичних моделей цих МПС і створення на їх основі придатних для застосування в умовах експлуатації авіатехніки ефективних способів і засобів контролю й діагностування вузлів МПС у зібраному стані без доробок їх конструкції, що дозволить певною мірою запобігти передчасним відмовам та подовжити термін експлуатації авіаційних МПС. При виконанні роботи одержані такі головні наукові і практичні результати:

1. Серед причин виходу з ладу авіаційних МПС систем енергозабезпечення, як показано, головними є відмови ЩКВ, які для ЕМП становлять 75,4 % , а для ГПС у залежності від кліматичних умов експлуатації можуть досягати навіть 85,4 % від загальної кількості відмов МПС.

2. Встановлені розподіли інтенсивності відмов ЩКВ перетворювачів ПТ200Ц і генераторів ГС-24, СТГ-12 протягом періоду експлуатації, а також генераторів ГС-24, СТГ-12 у міжрегламентний період свідчать про їх недостатню надійність і вказують на необхідність посилення контролю ЩКВ під час проведення регламентних робіт. Отримані функції розподілу можуть бути використані при вдосконаленні системи обслуговування цих МПС.

3. Показано, що різницевий струм в однойменних щітках МПС із хвильовими ОЯ, який є струмом у спільному колі комутації, може бути досить чутливим комплексним параметром, який можна використати як визначальний діагностичний параметр для оцінки технічного стану ЩКВ і частково ОЯ в умовах експлуатації авіатехніки.

4. За допомогою складеної схеми заміщення спільного кола комутації МПС із хвильовими ОЯ розроблена математична модель у вигляді неоднорідної системи рівнянь, яка визначає залежності різницевого струму в однойменних щітках від перехідного щіткового опору та співвідношення між середнім по колектору щітковим опором і опором секції ОЯ, що дає можливість встановити залежності цього струму від критеріїв працездатності ЩКВ.

5. Встановлені кількісні співвідношення між характеристиками різницевого струму в однойменних щітках і критеріями працездатності ЩКВ, а саме між значенням постійної складової цього струму й площею контактної поверхні щітки та тиском на неї, між амплітудою першої гармоніки цього струму і биттям поверхні колектора, а також між амплітудою похідної цього струму і виступанням КП.

6. Розроблена діагностична модель кола комутації МПС із хвильовими ОЯ, у якій напруга між розімкненими однойменними щітками використана як діагностичний параметр для оцінки ексцентриситету якоря без розбирання машини.

7. Показано, що для багатополюсних авіаційних машин із петльовими ОЯ напругу на розімкненій ОЗ, яка залежить від струму комутуючої секції, доцільно застосувати як діагностичний параметр для визначення биття поверхні колектора, створивши для цього нерівномірно розподілене під основними полюсами магнітне поле, сконцентроване у повітряному зазорі під основним полюсом, вісь якого співпадає з віссю комутуючої секції.

8. Складена система рівнянь, яка встановлює залежність напруги на розімкненій ОЗ МПС із простою петльовою ОЯ від перехідного щіткового опору, достовірність якої підтверджена проведеними експериментальними дослідженнями і її практичним застосуванням.

9. На основі розроблених моделей запропоновані й досліджені оригінальні способи контролю ЩКВ і ОЯ МПС із досить простою реалізацією й можливістю прогнозування технічного стану авіаційних МПС. Ці способи реалізовані у створених і впроваджених у промисловість засобах безрозбірного контролю й діагностування ЩКВ і ОЯ авіаційних двигунів МП-80, ІД-100 (пристрій ПК-ДПТ-3//УДМД-80/100), генераторів серій ГС і СТГ (прилад ПККИО-1/ УД-ГПТ-1), а також ЕМП серій ПО, ПТ і МА (пристрої ІС-1, ІС-2).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць

Курилов В.И. Диагностирование авиационных коллекторных электрических машин в эксплуатационных условиях // Вісник київського міжнар. ун-ту цивільної авіації. - К: КМУЦА, 2000. - № 1-2(6).-С. 148-153.

Курілов В.І. Статистичні характеристики параметру контролю щітково-колекторних вузлів // Вісник Національного авіаційного ун-ту.- К: НАУ, 2002. - № 3.-С. 158-166.

Курилов В.И. Контроль ЩКУ по параметрам процесса коммутации в МПТ// Сборник научных трудов КИИГА “Авиационное оборудование. Вопросы повышения эффективности эксплуатации авиационного оборудования”. - К: КИИГА, 1987.- С. 54-57.

Курилов В.И. Влияние параметров якоря на процесс контроля ЩКУ// Сборник научных трудов КИИГА “Автоматизация процессов технического обслуживания и ремонта авиационного оборудования воздушных судов”. -К: КИИГА, 1988.- С. 76-82.

Попов М.П., Курилов В.И., Власова Л.М. Диагностирование щеточно-коллекторных узлов многополюсных электрических машин с волновыми обмотками якоря//Труды государственного НИИ гражданской авиации, вып. 230, Москва: ГосНИИГА, 1984.-С. 142-149.

Способ контроля многополюсных машин постоянного тока с волновой обмоткой якоря. А.с. 918900 СССР, МКИ G01R 31/06, H02K 13/14 М.П.Попов, В.И. Курилов (СССР). -№2949908/24-21; Заявлено 03.08.80; Опубл. 07/04/82, Бюл. №13, - 3с. ил.

Курілов В.І. Проблеми надійності авіаційних машин постійного струму //Матеріали VI міжнар. наук.-техн. конф. ”АВІА-2004”.- Том. ІІ. Аерокосмічні системи моніторингу та керування. - К: НАУ, 2004. - С. 27-20-27-23.

Устройство контроля щеточно-коллекторных узлов авиационных электромашинных преобразователей //Информационный листок ВДНХ СССР, М.: ЦНТИГА, 1987. - 2 с.

Устройство УД-ГПТ-1 диагностирования авиационных генераторов постоянного тока//Информационный листок ВДНХ СССР, М.: ЦНТИГА, 1987. - 2 с.

Анотація

Курілов В.І. Діагностування авіаційних електричних машин постійного струму в умовах експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - експлуатація і ремонт засобів транспорту. - Національний авіаційний університет, Київ, 2005 р.

Подано аналіз відмов генераторів і електромашинних перетворювачів електроенергетичних систем повітряних суден. Встановлені кількісні співвідношення між відмовами різних вузлів машин постійного струму, серед яких найбільший відсоток відмов мають щітково-колекторні вузли (ЩКВ). Визначені закономірності розподілу інтенсивності відмов ЩКВ машин типів ГС, СТГ і ПТ. Показані недоліки існуючих методів оцінки технічного стану ЩКВ у попередженні їхніх відмов.

Визначені діагностичні параметри, які залежать від струмів і ЕРС у комутуючих секціях і можуть бути використані для оцінки технічного стану як ЩКВ так і інших вузлів. Розроблені й досліджені оригінальні діагностичні моделі та встановлені залежності між діагностичними параметрами й критеріями працездатності ЩКВ та інших вузлів машин.

Створені й досліджені оригінальні способи і засоби контролю й діагностування ЩКВ і обмоток якоря авіаційних машин постійного струму. Особливостями цих способів і пристроїв є діагностування машин у зібраному стані, проста реалізація й можливість прогнозування їх технічного стану.

Виконані дослідження направлені на відновлення надійності, подовження терміну експлуатації й зниження експлуатаційних витрат авіаційних електричних машин постійного струму.

Ключові слова: відмова, машина постійного струму, щітково-колекторний вузол, модель, контроль, діагностування, обмотка якоря, надійність.

АННОТАЦИЯ

Курилов В.И. Диагностирование авиационных электрических машин постоянного тока в условиях эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Национальный авиационный университет, Киев, 2004 г.

Диссертационная работа посвящена вопросам надежности, диагностирования и контроля авиационных электрических машин постоянного тока в условиях эксплуатации.

Проведен анализ отказов генераторов постоянного тока и электромашинных преобразователей электроэнергетических систем воздушных судов. Среди причин преждевременного выхода из строя этих машин, как показано, главными являются отказы щеточно-коллекторнных узлов (ЩКУ), которые для преобразователей составляют 75,4 % , а для генераторов в зависимости от климатических условий эксплуатации могут достигать даже 85,4 % от общего количества отказов машин. Установлены распределения интенсивности отказов ЩКУ преобразователей ПТ200Ц и генераторов ГС-24, СТГ-12 на протяжении периода нормальной эксплуатации, а также генераторов ГС-24, СТГ-12 в период между регламентным обслуживанием, которые свидетельствуют о недостаточной надежности ЩКУ и указывают на необходимость усиления их контроля во время проведения регламентных работ.

Показаны недостатки применяющихся в авиации, а также других существующих методов, способов и средств оценки технического состояния ЩКУ, которые заключаются в необходимости разборки и конструктивной доработки машин, недостаточной информативности, теоретической необоснованности, сложной реализации и высокой стоимости.

На основе анализа процесса коммутации машин с волновыми обмотками якоря показано, что разностный ток в одноименных щетках, который является током в общей цепи коммутации, представляет собой достаточно чувствительный комплексный параметр, который можно использовать в качестве диагностического для определения технического состояния ЩКУ и других узлов этих машин. С помощью составленной схемы замещения общей цепи коммутации разработана математическая модель, которая определяет зависимости разностного тока от переходных щеточных сопротивлений и соотношения между средним сопротивлением щеточного контакта и сопротивлением секции обмотки якоря. Установлены количественные соотношения между характеристиками предложенного диагностического параметра и критериями работоспособности ЩКУ, а именно между значением постоянной составляющей разностного тока и площадью контактной поверхности щетки, а также давлением на нее, между амплитудой первой гармоники этого тока и биением поверхности коллектора, а также между амплитудой производной разностного тока и выступанием коллекторных пластин.

Показано, что для многополюсных авиационных машин с простыми петлевыми обмотками якоря напряжение на разомкнутой обмотке возбуждения целесообразно использовать как диагностический параметр биения поверхности коллектора, создав для этого магнитное поле якоря, сконцентрированное в зазоре под основным полюсом, ось которого совпадает с осью коммутирующей секции. Составлена система уравнений, которая устанавливает зависимость напряжения на разомкнутой обмотке возбуждения от переходных щеточных сопротивлений, достоверность которой подтверждена проведенными экспериментальными исследованиями.

На основе разработанных моделей предложены и исследованы оригинальные способы и средства контроля ЩКУ и обмоток якоря, обладающие довольно простой реализацией и возможностью прогнозирования технического состояния авиационных МПС. Созданы и внедрены средства контроля и диагностирования ЩКУ и обмоток якоря генераторов серий ГС и СТГ (прибор ПККИО-1/ УД-ГПТ-1), авиационных двигателей МП-80, ИД-100 (устройство ПК-ДПТ-3//УДМД-80/100), а также преобразователей серий ПО, ПТ и МА (устройства ИС-1, ИС-2).

Выполненные исследования направлены на повышение надежности, продление срока эксплуатации и снижение эксплуатационных затрат авиационных электрических машин постоянного тока.

Ключевые слова: машина постоянного тока, щеточно-коллекторный узел, обмотка якоря, модель, отказ, надежность, неисправность, диагностирование, контроль.

ANNOTATION

Кurilov W.I. Diagnostics of DC aircraft electrical machines in maintenance conditions. - Manuscript.

The Dissertation for the Degree of the Сandidate of Science (Engineering) in the Speciality 05.22.20 - Operation and repair of transport facilities. - National Aviation University, Kiev, 2004.

...