Тяговые электродвигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и типов дефектов. Согласно статистическим данным по отказам тяговых электрических двигателей (ТЭД) одной из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является выплавление припоя из петушков коллектора [8]. Работы в области разработки методов и средств диагностирования тяговых электродвигателей выполнялись учеными и специалистами ВНИИЖТ, вузов железнодорожного транспорта, а также силами специалистов локомотиворемонтных заводов и депо. Существуют различные направления в разработке методов диагностики тяговых электродвигателей, что объясняется разнообразием возможных неисправностей и типов дефектов ТЭД. В соответствии с правилами ремонта электрических двигателей техническое состояние паяного соединения считается удовлетворительным при степени пропайки контактного соединения не менее 80 % [5, 6], а превышение температуры является браковочным состоянием коллектора при оценке технического состояния якоря [9]. При некачественной пайке происходит увеличение переходного сопротивления в месте соединения и, как следствие, значительный нагрев, описываемый законом Джоуля – Ленца [3]. Для разработки методики диагностирования паяных соединений петушков коллектора возникает необходимость в создании и исследовании тепловой нестационарной модели коллектора ТЭД. Существуют различные методы расчета температурных полей двигателей постоянного тока, обладающие своими достоинствами и имеющие также свои недостатки, обусловленные допущениями, принятыми в математических моделях. Основные подходы к созданию математических моделей и выбору программной среды моделирования приведены в [2].
При анализе существующих методик тепловых расчетов был сформулирован вывод, что существующие методы определения температурного поля, не учитывающие геометрию коллектора, являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов. Такие методы, как, например, метод тепловых схем замещения, имитирующий только пути передачи тепловых потоков, не дают полной картины теплограммы коллектора, а определяют лишь средние значения температуры отдельных элементов. При расчете теплового поля коллектора методом тепловых схем замещения используются выражения для расчета нагревания однородного тела, при этом коллектор в действительности не является однородным телом, так как в своем составе имеет не только медные коллекторные пластины, но и миканит, имеющий свою теплопроводность отличной от теплопроводности меди. Также возможно использование других композиционных материалов, теоретические основы создания и применения которых приведены в [7, 9]. Другими словами, коллектор тягового электродвигателя – это сложный объект исследования, требующий тщательного подхода к разработке его модели. Поэтому применение метода конечных элементов [1] в данном случае является более приемлемым при решении тепловых задач расчета теплограммы коллектора. Этот метод позволяет учитывать не только геометрию моделируемого тела, но и разнородность материалов и их разную теплопроводность, что в первую очередь сказывается на точности расчетов моделирования.
Согласно закону Джоуля – Ленца, нагрев в проводнике происходит от прохождения по нему электрического тока, и, как известно, изменение величины плотности тока влияет на величину тока, причем прямо пропорционально. Следовательно, тепловая модель коллектора электродвигателя должна быть связанной с моделью распределения плотности тока в коллекторной пластине. Поэтому с целью обнаружения наиболее нагреваемого места в коллекторе необходимо провести анализ распределения плотности тока в пластине электрической машины.
При построении модели по распределению плотности тока в коллекторной пластине ТЭД НБ-418 К6 преследовалась цель обнаружения наиболее нагреваемого места в коллекторе, что необходимо для получения более достоверной диагностической информации при выявлении такого типа дефекта, как «некачественная пайка в петушках коллектора электродвигателя». В ходе моделирования получена следующая модель, представленная на рис. 1.
Рис. 1. Геометрия модели коллекторной пластины ТЭД НБ-418 К6 в программной среде Elcut
Рис. 2. Распределение плотности тока в коллекторной пластине ТЭД НБ-418 К6
Рис. 3. Распределение плотности тока в зоне 1 и в зоне 2
На рис. 1 представлены следующие элементы: 1 – коллекторная пластина, 2 – место пайки в петушках коллектора электродвигателя, 3 – щетки двигателя, 4 – медные вставки (токопровод).
Результаты моделирования распределения плотности тока в коллекторной пластине представлены на рис. 2.
При расчете методом конечных элементов распределения плотности тока в пластине были получены следующие результаты, которые представлены на рис. 3–5.
По результатам моделирования выявлено, что большее распределение плотности тока происходит в двух условно обозначенных зонах. Это явление объясняется тем, что ток стремится пройти по кратчайшему пути (т.е. меньшее расстояние). А кратчайшему расстоянию для прохождения тока между системой «щетка – петушок – место пайки обмотки и петушка» как раз соответствуют условно обозначенные зоны (рис. 3). Таким образом, в результате моделирования были выявлены две основных зоны большего распределения плотности тока в месте соединения «петушок – обмотка» (выделенные красным цветом зоны и представленные на рис. 3). При еще более точном моделировании необходимо учитывать, что ток не распределяется равномерно по всей контактной поверхности щётки.
Причины этого весьма разнообразны, в частности:
– внешние факторы (пыль, газ, избыточная влажность, низкая температура);
– марка щётки не подходит к условиям работы машины (слишком толстый слой политуры, слишком большая или слишком малая плотность тока в щётках, вентиляция и т.д.).
При идентичном процессе ток может распределяться неравномерно между щётками на одном и том же щёткодержателе на коллекторе или на одной и той же траектории на кольце. Часто причиной этого может быть разное усилие нажатия, прикладываемое к щёткам. Все эти факторы можно учесть при моделировании, что сильно усложнит модель и увеличит время расчетов. Поэтому в модели не были учтены эти факторы.
При расчете модели по распределению плотности тока в зоне 1 и в зоне 2 для возможности анализа в этих зонах выделения тепла рассчитывается связанная модель тепловыделения в коллекторной пластине, представленная на рис. 4.
Первая зона имеет существенное значение для такого типа дефекта, как некачественная пайка, так как в ней расположено место пайки петушка и якорной обмотки. Следовательно, существенное влияние на дополнительный нагрев в этой зоне оказывает не только некачественная пайка «петушка» коллектора, но и распределение плотности тока в этой зоне. Результаты моделирования первой зоны представлены на рис. 5–6.
Рис. 4. Тепловыделение в системе «коллекторная пластина – щетки»
Рис. 5. Тепловыделение первой зоны «петушка» коллектора
Рис. 6. Максимальное тепловыделение в первой зоне
Расчетные значения первой зоны
|
L (мм) |
x (мм) |
y (мм) |
j (А/м2) |
r (Ом∙м) |
w (Вт/м3) |
|
0,00000 |
980,402 |
454,836 |
11,1100 |
0,120000 |
14,8119 |
|
1,04155 |
979,361 |
454,799 |
11,1411 |
0,120000 |
14,8950 |
|
2,08305 |
979,000 |
454,101 |
14,0465 |
0,0175000 |
3,45283 |
|
3,12458 |
979,000 |
453,059 |
15,4502 |
0,0175000 |
4,17740 |
|
4,16609 |
979,000 |
452,018 |
16,6557 |
0,0175000 |
4,85469 |
|
6,24916 |
978,142 |
450,368 |
21,5017 |
0,0175000 |
8,09062 |
|
7,29066 |
977,611 |
449,538 |
20,5925 |
0,0175000 |
7,42089 |
|
8,33219 |
977,736 |
448,527 |
20,8788 |
0,0175000 |
7,62870 |
|
9,37369 |
978,234 |
447,640 |
21,1040 |
0,0175000 |
7,79414 |
|
8,22802 |
978,872 |
446,816 |
20,8329 |
0,0175000 |
7,59516 |
|
9,74774 |
979,713 |
446,234 |
20,5695 |
0,0175000 |
7,40433 |
|
11,26379 |
980,194 |
446,569 |
21,2654 |
0,0175000 |
7,91376 |
|
13,5398 |
980,243 |
447,609 |
23,8182 |
0,0175000 |
9,92784 |
|
14,5813 |
980,292 |
448,650 |
28,8116 |
0,0175000 |
14,5269 |
|
15,6228 |
980,341 |
449,690 |
42,8324 |
0,0175000 |
32,1057 |
|
16,6644 |
980,402 |
450,730 |
168,475 |
0,0175000 |
496,717 |
Из рис. 5–6 видно, что максимальное тепловыделение при качественной пайке в первой зоне составляет W = 496,717 Вт. Также из рисунка видно, что самое большое значение тепловыделения происходит еще под краем щетки W = 1550 Вт. Расчетные значения для первой зоны сводим в таблицу.
Выводы по результатам моделирования
1. При обосновании выбора источников выделения тепла учитываем факт неравномерного распределения плотности тока в коллекторной пластине, что видно из проведенного анализа и из рисунков, что особенно характерно для первой зоны, где имеет место распределение большего значения плотности тока, соответствующего большему нагреву в этом месте.
2. Большинство методик расчетов распределения тепла в коллекторе (например, метод тепловых схем замещения) не учитывают геометрию коллектора и являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов.
3. Максимальное тепловыделение при качественной пайке составляет
W = 496,717 Вт.
4. С учетом вышеизложенного возникает необходимость в расчете модели с использованием метода конечных элементов в программной среде трехмерного моделирования с целью исследования влияния рассмотренного типа дефекта на нагрев коллектора.
Рецензенты:
Бабокин Г.И., д.т.н., профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий», Горный институт, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва;
Баландин О.А., д.т.н., заведующий кафедрой прикладной механики и инженерной графики, Забайкальский институт железнодорожного транспорта Иркутского государственного университета путей сообщения (ЗабИЖТ), г. Чита.
Работа поступила в редакцию 04.02.2015.