Учебное пособие 800516

УДК 620.179.1

Е. А. Быханова, Н. И. Климентов

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ ОТВЕТСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Рассматривается порядок диагностики дефектов усталостного и заводского происхождения для конструкционных элементов железнодорожного транспорта.

Ключевые слова: железнодорожный транспорт, методы контроля, дефекты «эксплуатационного» и «заводского» происхождения.

Для снижения вероятности аварии на железнодорожном транспорте по причине «разрушения» конструктивных элементов необходимо периодически проводить контроль их состояния. Это связано с тем, что разрушение может возникать вследствие дефектов «усталостного» характера, либо вследствие заводских дефектов. Для диагностики конструкций железнодорожного транспорта используются следующие методы контроля: магнитный, акустический и вихретоковый.

Наиболее часто используется простой и универсальный метод. Он основан на определении «магнитных полей рассеивания», возникающих над поврежденными участками. Область использования данного метода примерно 75 % от общего объема всех деталей, подлежащих контролю. К деталям, подлежащим контролю, относят: «оси колесных пар», «тяговосцепное оборудование», «тормозные механизмы».

Применение магнитопорошкового метода контроля (МПК) рассмотрим на примере колесной пары локомотива. Перед началом МПК необходимо визуально осмотреть рабочее место, объект контроля на предмет неисправностей в оборудовании и на выявление видимых дефектов.

Последовательность операций:

-включение оборудования и проверка его работоспособности;

-подготовка магнитной суспензии и проверка ее на выявляемость и работоспособность;

11

-включение намагничивающего устройства (НУ) и нанесение магнитной суспензии. После полного стекания суспензии производится отключение НУ и осмотр поверхности объекта контроля (ОК) на наличие дефектов;

-размагничивание ОК, измерение остаточной намагниченности, которая не должна превышать 3 А/см;

-занесение записи результатов контроля в журнал установленной формы в соответствии с инструкцией.

с искусственными пропилами, невидимыми для человеческого глаза.

Рис. 1. Стандартный образец и намагничивающее устройство

Тот же стандартный образец, но уже при включенном оборудовании в искусственно созданном магнитном поле внутри и по бокам намагничивающего устройства (рис. 2). На образец нанесена магнитная суспензия и в результате становятся видны искусственные пропилы разной ширины и глубины раскрытия.

12

Рис. 3. Эксплуатационный дефект бандажа колесной пары

Рис. 4. Литьевой дефект оси колесной пары

14

Этот эксплуатационный дефект был выявлен магнитопорошковым методом, т. к. этот метод позволяет обнаруживать как поверхностные, так и подповерхностные дефекты глубиной залегания 3-5 мм. Обнаружение плотного тугого валика и есть дефектограмма.

Возможно использование дополнительных методов неразрушающего контроля, таких как вихретоковый или ультразвуковой методы. Использование дополнительных методов контроля необходимы в случаях, если происходит ложное скопление частиц или дефект глубоко от поверхности. Также возможно после проточки обнаружить дефект, который был скрыт.

Для большей глубины и полноты контроля ответственных деталей железнодорожного подвижного состава применяют систему неразрушающего контроля, состоящую из нескольких методов.

Например, ось колесной пары контролируют как магнитопорошковым методом, так и ультразвуковым. С увеличением числа применяемых методов неразрушающего контроля возрастает вероятность обнаружения дефектов.

Ростовский государственный университет путей сообщения (Воронежский филиал)

15

УДК 621.313

Е. С. Голишев, С. А. Белозоров

РОЛЬ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ВО ВРЕМЕНА ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЁТОВ

Рассматривается актуальность использования аналитических вычислений и их использования при электромагнитных расчётах геометрии новых электрических машин.

Ключевые слова: аналитические методики, численные методы, автоматизация процессов.

В настоящее время большую популярность получили средства численного моделирования и анализа электрических машин. Этот обусловлено наличием разнообразных программных продуктов, использующих метод конечных элементов и позволяющих моделировать процессы, протекающие внутри электрических машин, с высокой точностью. Такой подход более прост в использовании, сокращает время и трудозатраты проектирования. Современные программные продукты имеют в своем составе средства оптимизации, что также повышает привлекательность такого подхода.

Автоматизация процесса проектирования позволяет использовать итерационный подход к решению задач. Т. е. создаётся параметрическая модель, с множеством изменяемых параметров геометрии, ставится задача оптимизации полученной модели, с требуемыми критериями на выходе (соответствие характеристик электрической машины требованиям технического задания). Модель рассчитывается в автоматическом режиме, и получается готовое решение или их набор для последующего принятия решения.

Из плюсов такого подхода можно отметить только возможность получения результата максимально приближенного к требованиям ТЗ, с минимальными затратами времени инженера. При этом всю работу по расчётам будет проводить вычислительная машина. Из минусов:

- временные затраты, обусловленные перебором всех возможных вариантов;

16

-геометрия изменяется только в пределах заданной конфигурации, т. е. имеет жёсткие ограничения;

-может не быть достигнут положительный результат из-за его отсутствия в заданной параметрической геометрии.

Аналитические методики, которые сейчас считаются устаревшими и неточными, тем не менее, не теряют актуальности. Дело в том, что с помощью схем замещения магнитных цепей можно переконфигурировать геометрию в произвольных пределах. Время расчёта моделей, основанных на теории цепей, на порядок выше, следовательно, процесс оптимизации геометрии модели также займёт минимум процессорного времени.

Приемлемым алгоритмом проектирования нового электромеханического изделия является следующая последовательность действий:

1. Анализ ТЗ и двигателя аналога с целью получения необходимых знаний о будущей конструкции изделия (определяются тип машины, её размеры, характеристики и другие требования).

2. Создание модели на основе типовой конструкции с помощью аналитической методики. Корректировка методики при необходимости под заданные условия ТЗ.

3.Оптимизационный поиск наиболее подходящего под требования ТЗ решения.

4.Составление численной КЭ модели и проверка результатов аналитического расчёта. В случае необходимости корректировка

ипереход к п.2.

5.Подготовка опытного образца изделия. Вышеобозначенный подход позволяет минимизировать

временные затраты процессорного времени и повысить результативность процесса проектирования. При этом к проектировщику предъявляются повышенные требования в плане теоретических и практических знаний и навыков.

Международный институт компьютерных технологий

17

более тяжелый в обслуживании, но все же классический вариант исполнения машин постоянного тока. Исключением не являются и потребители, занимающиеся производством спецтехники. Существует ряд задач, которые необходимо решить для удовлетворения их потребностей. Важное положение среди этих задач занимает решение проблемы увеличения ресурса работы щеточно-коллекторного узла двигателя постоянного тока.

Технический параметр, вопрос улучшения которого поднимается в настоящей работе, напрямую зависит от процесса коммутации [1]. Кратко определим этот термин. Коммутация

вэлектрических машинах постоянного тока – комплекс процессов, сопровождающих изменение направления тока в коммутируемой секции при ее переходе из одной параллельной ветви обмотки якоря

вдругую. Коммутация, как известно [2], осуществляется посредством электрического скользящего контакта между щеткой и коллектором, что сопровождается широким набором неблагоприятных физических явлений [1]. К указанному комплексу процессов относятся следующие: протекание электрического тока,

нагревание, трение, химические реакции. Все эти явления в совокупности приводят к взаимному изнашиванию элементов скользящего контакта и снижению качества коммутации. Ухудшение качества коммутации влечет за собой ухудшение эксплуатационных характеристик электрической машины, а в крайней степени – выход устройства из строя или даже аварийную ситуацию. Таким образом, увеличение ресурса работы щеточно-коллекторного узла двигателя постоянного тока связывается с рядом мер, направленных на повышение качества процесса коммутации.

Для проработки этих мер необходимо определить основные факторы, влияющие на характеристики контакта «щетка-коллектор» и, следовательно, на ресурс ЩКУ. Анализ доступной информации [1, 2] по этому вопросу позволяет говорить о следующих основных факторах, воздействующих на коммутацию:

-химический состав элементов контакта;

-химический состав окружающей контакт среды, давление

вней, температура;

-механические показатели условий работы скользящего контакта, в том числе: вибрации узла, в котором размещается электрическая машина; ее собственные вибрации, обусловленные особенностями конструкции подшипниковых узлов, качеством

19

балансировки якоря, точностью выполнения геометрии коллектора, сборки машины; величина и стабильность нажимного усилия щетки на коллектор;

-электрические показатели работы скользящего контакта, связанные с режимом работы электрической машины, величиной ее питающего напряжения и формой, мощностью, значением падения напряжения на контакте «щетка-коллектор» и сопряженных участках цепи протекания тока якоря;

-конфигурация результирующего электромагнитного поля

вмашине и расположение щеток на коллекторе относительно этой конфигурации.

По полученному перечню факторов, как и предполагалось ранее, определим методы увеличения ресурса работы ЩКУ. Под методами здесь будем понимать те конструкторско-технологические особенности рассматриваемой системы, на которые непосредственно может повлиять своим решением разработчик.

Как показывает история развития скользящего электрического контакта в электромеханике, важным фактором, определяющим качество коммутации в различных условиях эксплуатации двигателей постоянного тока, являются материалы этого контакта. Усилие нажатия, передаваемое на щетку нажимной пружиной, выбирается индивидуально для каждой марки применяемой щетки. Кроме того, стабильность обеспечения усилия нажатия с течением времени и в разных режимах работы определяет устойчивость коммутации. Соответственно, подлежит тщательной разработке конструкция щеткодержателя.

Необходимо обратить особое внимание на точность выполнения геометрии коллектора. Разработчику нужно заложить

вконструкторскую документацию грамотные параметры обработки, чистоты поверхности коллектора, определиться с вопросами продораживания межламельных канавок и материалом межламельной изоляции, устранением острых кромок после обработки. То есть важно обеспечить качество коллектора отдельно.

Работа скользящего контакта не ограничивается работой его элементов. Поскольку коллектор размещается на валу, входит в состав якоря, то важно предъявить достаточно жесткие требования к балансировке этой сборочной единицы, поскольку плохо устраненный небаланс является причиной вибраций. Вибрации приведут к нестабильности контакта «щетка-коллектор» и коммутации в целом независимо от качества выполнения

20