ГЛАВА 4
ДИАГНОСТИКА И НАСТРОЙКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ
ДИАГНОСТИКА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
При диагностировании тяговых электрических машин и их цепей в качестве признаков целесообразно использовать установленные Правилами деповского ремонта параметры: омическое сопротивление обмоток и изоляции, переходное сопротивление контактов, характеристику влажности изоляции, электромагнитные и емкостные характеристики и т. д. Определению состояния машин должно предшествовать диагностирование цепей, которое производится чаще всего методом сравнения разницы падения напряжения. Эту проверку возможно проводить от постороннего источника питания, имеющего выходной ток порядка 1000 А. Диагностика электрических машин сопровождается, как правило, оценкой состояния вспомогательного оборудования.
Проведенный под руководством Н. А. Малоземова в РИИЖТе анализ надежности тяговых электродвигателей показал прямую зависимость уровня надежности ТЭД от безотказности вентиляторов охлаждения. При этом с увеличением расхода воздуха через ТЭД увеличивается отвод тепла и растет мощность, затрачиваемая на вентиляцию. Техническое состояние вентиляторов охлаждения ТЭД определяется износом его деталей, величиной дисбаланса и качеством центровки. О техническом состоянии можно судить и по подшипниковому узлу. Экспериментальные исследования вибрационных характеристик вентиляторов ТЭД показали возможность по параметрам вибрации определять качество монтажа и корректировать межремонтные пробеги [33].
Опыт эксплуатации показал, что наибольшее число случаев пробоя изоляции обмоток якорей ТЭД наблюдается в зимнее время. При этом пробою изоляции больше подвергаются углы изгибов секций на выходе из пазов сердечника якоря. В результате многократного изменения центробежных сил и подвижности лобовых участков секций по отношению к пазовым частям, укрепленным текстолитовыми клиньями, в углах изгиба секций образуются трещины и расслоение изоляции. В этих местах скапливается большое количество пыли и при попадании атмосферной влаги образуется электролит. Через открытые угловые участки обмоток пыль может проникнуть также между верхним и нижним слоями обмоток, между головками секций и нажимной шайбой и т. д., что повышает вероятность пробоя изоляции в этих местах. Следовательно, защита обмоток от загрязнения является одним из эффективных средств повышения эксплуатационной надежности тяговых двигателей. При этом должно обеспечиваться плотное прилегание клиньев в пазах сердечника и между собой, совпадение концов клиньев с торцами сердечника, тщательное заполнение пастой угловых впадин, просушка изоляции обмоток после пропитки их в лаке и т. д.
Значительное количество тяговых двигателей выводится из строя вследствие несовершенства существующих устройств снегозащиты, что приводит к попаданию снега в двигатели, понижению сопротивления изоляции и пробою в якорях и реже в обмотках возбуждения. Снежная пыль вместе с вентилируемым воздухом проникает через сетки в двигатели. Следует также при этом учесть, что увлажнение электрощеток значительно увеличивает загрязнение коллектора.
Для того чтобы своевременно предотвратить возможность работы тяговых двигателей с недостаточным охлаждением, необходимо систематически контролировать величину статического напора в коллекторных камерах двигателей при реостатных испытаниях. Напор целесообразно измерять U-образным дифференциальным манометром высотой 400 мм, соединенным с заборной трубкой. Трубка вводится в коллекторную камеру через отверстие в крышке нижнего люка камеры. При этом важно, чтобы при измерении буртик заборной трубки был плотно прижат своей резиновой прокладкой к крышке люка. Длина горизонтальной части заборной трубки должна быть достаточной для того, чтобы в случае необходимости замерять статический напор без постановки тепловоза на стойло.
При температуре окружающего воздуха ниже 0°С в дифференциальный манометр вместо воды следует заливать незамерзающую жидкость. В этом случае для перевода статического напора в миллиметрах водяного столба нужно высоту столба жидкости, полученную при измерении, умножить на плотность этой жидкости.
Результаты измерений фиксируют в журнале реостатных испытаний, отмечают, при каком режиме проводились испытания — с открытыми или заглушенными боковыми выпускными вентиляционными окнами. Необходимо убедиться в том, что все заслонки, регулирующие распределение воздуха, надежно закреплены и не могут самопроизвольно изменить свое положение в процессе эксплуатации.
Если статический напор в коллекторной камере какого-либо двигателя окажется ниже нормы, следует прежде всего проверить плотность соединений крышек всех люков, осмотреть гармошку и сетку перед входным патрубком. В случае отсутствия дефектов, снижающих величину напора, и при наличии избыточного напора у других двигателей тележки распределение воздуха можно уравнять при помощи регулирующих заслонок. Если же у остальных двигателей тележки напоры имеют предельные значения или тем более они ниже нормы, необходимо проверить всю систему охлаждения, начиная от фильтров. В случае необходимости нужно заменить вентилятор.
Проведенные в ТашИИТе исследования надежности тяговых электродвигателей показали, что повреждения коллекторов от перебросов круговых огней и других причин составляют до 25% общего числа неисправностей, что вызвано высокой коммутационной напряженностью. На тепловозах с электрической передачей практически полностью отсутствует система обнаружения круговых огней и перебросов на коллекторах ТЭД, не считая применения инерционного реле заземления (РЗ) и реле максимального тока (РМ). Реле РЗ и РМ не реагируют на кратковременные перебросы и срабатывают лишь тогда, когда круговой огонь перебрасывается на корпус ТЭД или тягового генератора и успевает повредить коллектор, щеткодержатели и изоляторы. Срабатывание реле РЗ или РМ не приводит к резкому уменьшению напряжения Uτ (t) на зажимах тягового генератора до нуля из-за инерционности системы возбуждения. На тепловозах 2ТЭ10Л и 2ТЭ116 колебания токов при возникновении кругового огня и движения на ступенях ослабления возбуждения ОП1 и ОП2 обусловлены введением реле времени РВЗ, которое при срабатывании реле РЗ обеспечивает отключение поездных контакторов П1—П6 после снятия возбуждения. Одним из важнейших факторов, влияющих на надежность работы, является неравномерность распределения нагрузки по всем двигателям одной секции. Причинами, вызывающими эти неравномерности, могут быть: завышенное расхождение характеристик, изменение характеристик резисторов ослабления возбуждения; неисправность силовых контактов контакторов ослабления возбуждения, разность диаметров колесных пар.
Эти же причины вызывают частое боксование колесных пар и перегрев отдельных двигателей, особенно на затяжных подъемах при большом токе в силовой цепи. Следствием боксования колесных пар и перегрева обмоток могут быть: круговой огонь, перебросы по коллектору, нарушение, старение и преждевременное разрушение изоляции в обмотке якоря, распайка петушков коллектора и ослабление бандажей якорей. В депо, как правило, отсутствуют станции для испытания и подбора тяговых двигателей по скоростным характеристикам. Резисторы ослабления возбуждения тяговых электродвигателей не проверяют и не подбирают по номинальным параметрам даже при капитальном ремонте тепловозов.
Проведенные ХИИТом и депо Основа исследования показали, что при увеличении разности реализуемых нагрузок (до 50—70 А) в параллельно включенных двигателях возникает завышение значений тока сверх допускаемых. В эксплуатации имеются случаи, при которых разность реализуемых нагрузок достигает 200 А, что, как правило, приводит к повреждению двигателей [34]. В связи с этим важное значение приобретает возможность проведения диагностики по уровню токовых нагрузок в процессе эксплуатации. Для проведения такой диагностики разработан и внедрен в депо Основа переносный прибор по оценке разности скоростных характеристик тяговых электродвигателей. Применительно к диагностике тепловозов 2ТЭ10Л схема прибора приведена на рис. 43. Прибор работает следующим образом. Провода I—IV подключают соответственно к проводам катушек реле боксования РБ и попарно соединяют с вольтметром для измерения разности потенциалов между двумя тяговыми двигателями через тумблеры ТВ1—ТВ5. Для исключения возможности одновременного включения двух тумблеров предусмотрена механическая блокировка. Полярность и разность потенциалов между двигателями определяют с помощью вольтметра М45М с пределами измерения 75 мВ; 3; 15; 150 В. При отклонении стрелки вольтметра в сторону, противоположную нормальным измерениям, тумблер ТВ6 переключается. Положение тумблера ТВ6 указывает также на большой потенциал в двигателе. В зависимости от надобности пределы измерения устанавливают тумблером ТВ7 и кнопкой Кн. Прибор используют при периодических контрольных поездках на тепловозах, склонных к повышенному боксованию, имеющих следы перегрева тяговых двигателей, незначительных перебросов по коллектору. В результате поездок выявляют причины неравномерности нагрузки двигателей. Диагностику расхождений нагрузок проводят по расчетной номограмме (рис. 44), прилагаемой к прибору. По показаниям прибора определяют разность потенциалов между двумя тяговыми двигателями в точках подсоединения РБ и по номограмме высчитывают соответствующую разность токов в данном режиме, которая переводится в значение для номинальной нагрузки по формуле
Рис. 43. Принципиальная схема переносного прибора оценки разности скоростных характеристик тяговых электродвигателей
где ΔIн — разность токов для номинального режима;
Iн — продолжительный ток в силовой цепи;
I — ток в силовой цепи в момент измерения;
ΔI — разность токов по номограмме.
Опыт показал, что допустимые значения разности токов в номинальном режиме находятся в пределах 50 и 70 А для всех тяговых двигателей одной секции. При больших значениях и выключенных реле переходов (РП) причинами завышения разности токов, как правило, являются расхождение скоростных характеристик, завышенная разность диаметров колес или нарушение коммутации. При включенных РП и завышенном расхождении по токам нагрузки чаще всего наблюдается нарушение силовых контактов контакторов ослабления возбуждения или значительный разброс величин резисторов.
Рис. 45. Структурная схема прибора для проверки коммутации
Приведенный метод возможно применять и при обкаточных испытаниях, так как пользование прибором позволяет своевременно выявить неравномерности нагрузки двигателя и их причины. Одним из актуальных вопросов диагностики тяговых электрических машин является объективная оценка искрения. При этом критериями оценки метода могут быть: четкость показаний; помехоустойчивость; простота, удобство в эксплуатации; универсальность прибора, т. е. возможность применения его как для стендовых, так и для эксплуатационных испытаний тяговых двигателей; безопасность работающего персонала. К таким приборам можно отнести: индикатор с использованием фотоэлектрического эффекта (ИИ-1); индикатор, реагирующий на высокочастотную составляющую напряжения (ИИ-5); катодный вольтметр ВКС-7Б; осциллоскоп 30-4; радиоприемник супергетеродинного типа; резонансный вольтметр; индикатор частичных разрядов. В результате всестороннего рассмотрения схем и технических возможностей приведенных выше приборов можно предложить индикатор ИИ-5, так как этот прибор обладает рядом достоинств.
Для выявления причин нарушения коммутации генераторов в эксплуатации в ОМИИТе разработан прибор для экспериментального исследования коммутации многоходовых обмоток. Структурная схема приведена на рис. 45.
Выделение импульсов напряжения, соответствующих искрению на пластинах, производится с помощью электронного ключа, который периодически открывается делителем частоты. Требуемая периодичность выбора пластин коллектора задается изменением модуля пересчета делителя частоты, а группу пластин выбирает регулятор задержки. Синхронизация устройств происходит непосредственно от коллекторных пластин с помощью фотодатчика.
Рис. 46. Зависимость между уровнем искрения и условными баллами состояния коллекторнощеточного узла
Разработанным прибором производились экспериментальные исследования генераторов ГП-311 и, в частности, выяснено, что наименьший уровень искрения щеток имели генераторы, у которых щеточная траверса была смещена с нейтрали на 6 мм по направлению вращения. Так как состояние коллекторно-щеточного узла при эксплуатации генератора, в конечном итоге, определяется степенью искрения его щеток, то была найдена корреляционная зависимость (рис. 46) между уровнем искрения, замеренным вышеописанным методом, и количественной оценкой (условные баллы) состояния коллекторно-щеточного узла методом экспертных оценок. Это позволило прогнозировать состояние коллекторно-щеточного узла и качество токосъема генератора. Качество коммутации тяговых электрических машин в эксплуатации во многом определяется соблюдением технических требований по силе нажатия пальцев щеткодержателей на щетки. С целью диагностики и регулировки статической силы нажатия пальцев можно рекомендовать разработанный УралЦНИИ МПС прибор.
Прибор представляет собой тензометрический динамометр, состоящий из датчика с тензорезисторами, измерителя и соединительных проводов. Определение силы нажатия основано на деформации пластин датчика и на изменении сопротивлений тензорезисторов R1—R4, включенных в мостовую схему (рис. 47).
Измеритель состоит из потенциометра с реохордом и лимбом, градуированным в килограмм-силах, регулируемого калибровочного резистора R11, индикатора баланса моста, внутреннего источника питания, резисторов R5—R7, шунтирующих плечи моста R2, R3, добавочного резистора клемм и добавочного резистора R9 для подключения к внешнему источнику постоянного тока 50 В. С небольшими переделками прибор может быть применим для диагностики тяговых электрических машин тепловозов. Проведенное во ВНИТИ В. Л. Мельниковым статистическое исследование факторов, определяющих надежность ТЭД, показало, что отказы ТЭД, вызванные механическим воздействием (динамические нагрузки, вибрации, удары), составляют основную часть всех неисправностей при опорно-осевом подвешивании ТЭД (тепловозы серий ТЭП10Л и 2ТЭ10Л); доля отказов по механической части составляет около 50% всех отказов ТЭД. При этом чаще других возникают в эксплуатации отказы подшипникового узла. Основной метод диагностики якорных подшипников при ремонте тепловозов — прослушивание стетофонендоскопом по проекту ПКБ ЦТ ПР 1243. Вместе с тем опыт использования простейших стетоскопов показывает на необходимость повышения объективности и достоверности получаемой с их помощью акустической информации. В ХИИТе и депо Основа разработаны и внедрены электронные стетоскопы, начавшие применяться также на ряде дорог сети. Электронный стетоскоп представляет собой усилитель с пьезокристаллическим датчиком и элементами питания, вмонтированными в пластмассовый корпус, имеющий гнезда для подключения телефона и стержня.
Рис. 47. Прибор для измерения статической силы нажатия пальцев щеткодержателей на щетку в тяговых двигателях
На рис. 48 показана принципиальная схема описанного стетоскопа. Сигнал с датчика Д через электрический конденсатор С1 подается на базу транзистора Т1. С коллектора этого транзистора сигнал поступает на базу транзистора Т2, в цепи коллектора которого стоит телефон Тр. Схема получает питание от элементов Э332, соединенных последовательно.
Рис. 48. Принципиальная схема стетоскопа
Для стабилизации рабочей точки транзистора Т1 в схему введена цепочка С2, R2. Питание транзистора Т1 осуществляется через резистор R3. Для выбора режимов работы транзисторов имеются резисторы R1 и R4.
Для прослушивания якорных подшипников стетоскоп используют без футляра, ввертывают наконечник и вставляют штекер телефона в соответствующие гнезда, прикладывают наконечник к месту проверяемого узла и закрепляют головной телефон. Однако наиболее эффективны стетоскопы с выходом сигнала от датчика не на телефон, а на стрелочный прибор, отградуированный в единицах ускорения вибрации или фиксирующий три возможных состояния: «Годен», «Требуется смазка и осмотр», «Негоден». Такие опытные стетоскопы начали применяться на Южной дороге.