Разработка метода и средств диагностирования состояния коммутации тяговых двигателей карьерных самосвалов в условиях эксплуатации

Во введении обоснована актуальность и указана степень разработанности темы научного исследования, приведены цель и задачи, положения, выносимые на защиту, сформулирована научная новизна, практическая и теоретическая значимость работы, методы и методология исследования, степень достоверности и апробация полученных результатов.
Первый раздел диссертационной работы посвящен анализу условий работы ТЭД постоянного тока карьерного самосвала БЕЛАЗ и анализу статистических данных отказов ТЭД, который показывает, что значительное число отказов связано с повреждениями и неисправностями КЩУ, повышенным износом щеток и коллектора в связи с неудовлетворительной коммутацией (рис.1). Также предложена классификация отказов ТЭД постоянного тока для карьерных самосвалов по внешним признакам и причинам (рис. 2).
В главе проведен анализ основных факторов механической и электрической природы, воздействующих на процесс коммутации и изнашивания электрических щеток и коллектора.
На основе проведенного анализа состояния вопроса сформулированы цель исследования, поставлены задачи для её достижения.
Рис. 1– Распределение основных неисправностей гарантийных тяговых электродвигателей ЭДП-800 за 2015-2020 гг
Рис. 2– Причинно-следственные связи отказов ТЭД
Во втором разделе проведен анализ существующих методов и способов оценки состояния коммутации МПТ. Анализ показал, что существующие методы и способы невозможно или затруднительно использовать для диагностирования коммутации ТЭД карьерных самосвалов в условиях эксплуатации, поэтому для этих целей требуется их усовершенствование и адаптация.
Для оценки работы КЩУ тяговых электродвигателей постоянно тока, используемых в карьерных самосвалах БЕЛАЗ, предложен метод определения интенсивности искрения на сбегающем крае щетки в видимом спектре по видеоизображению. Разработан универсальный автоматизированный видеоизмерительный комплекс оценки состояния коммутации (АВК-ОК), позволяющий рассмотреть и оценить максимально полную картину работы коллекторно-щеточного узла при эксплуатации автосамосвала.
Структура автоматизированного видеоизмерительного комплекса оценки состояния коммутации приведена на рис. 3.
Рис. 3 – Структура автоматизированного видеоизмерительного комплекса (АВК-ОК)
Для получения видеосигнала служат IP видеокамеры и коммутатор, для получения данных от системы управления БЕЛАЗ по CAN шине служит комплект наладчика КН-1. Данные о режиме работы ТЭД по CAN шине от системы управления автосамосвала поступают на ПК через комплект наладчика КН-1. На ПК через коммутатор в онлайн режиме производится фиксация видеоизображений поступающих от IP видеокамер, установленных в заднем мосту самосвала направленных на сбегающий край коллекторно- щеточного узла.
Данные от системы управления и видеокамер поступают синхронно, что дает возможность оператору определить режим работы и оценить интенсивность искрения. Передача данных и питание IP видеокамер осуществляется по витой паре, поэтому коммутатор и видеокамеры должны поддерживать технологию PoE (Power over Ethernet), которая позволяет передавать удаленному устройству электрическую энергию вместе с данными по сети Ethernet.
Питание коммутатора осуществляется через инвертор 24/220 В от бортовой сети самосвала 24 В постоянного тока.
Для крепления видеокамеры в заднем мосту самосвала было разработано специальное крепление ИЦ09.14.000000 СБ, которое фиксируется в техническом проеме электродвигателя со стороны коллектора и позволяет направить обзор камеры на сбегающий край щеток (рис. 4).
8

В процессе опытной поездки в памяти устройства сохраняется видеоархив и переменные, полученные от системы управления, а после проведения оператором обработки хранятся ее результаты. Блок обработки – это программный блок, в котором происходит синхронизация, обработка и анализ сохраненных данных. Оператор имеет возможность провести оценку коммутации в он-лайн режиме или по средству сохраненного архива данных. Рабочее окно оператора приведено на рис.5.
Достоинством видеоизмерительного комплекса являются:
1)измерения проводятся дистанционно – оператор находится на пассажирском
сиденье в кабине водителя вдали от движущихся частей и высокого напряжения; 2)универсальность применения – возможно применять для мониторинга
различных моделей тяговых электродвигателей благодаря специальному креплению; 3)наглядность результатов исследования и простота обработки результатов
мониторинга благодаря специальному программному обеспечению;
Рис. 4 – Приспособление для закрепления видеокамеры к остову ТЭД
Рис. 5 – Окно оператора АВК-ОК
4)простота и скорость монтажа и демонтажа – суммарное время монтажа- демонтажа не превышает 1 часа;
5) возможность модернизации комплекса путем внедрения новых компонентов.
Для реализации блока обработки переменных и видеофайлов разработана программа «DC motor commutation» (рис. 6), которая позволяет синхронизировать видеоархив и архив данных, оценить состояние коммутации по видеоизображению и рассчитать необходимые переменные для анализа результатов. Программа позволяет
обработать видеоизображение, построить графики интенсивности искрения в баллах согласно ГОСТ 2582-2013. Алгоритм реализован в программе MatLab (рис. 7).
Рис. 6 – Окно программы «DC motor commutation» 1
Начало
Загрузка видиофайла и переменных от ЭМТ БЕЛАЗ
9 15 Расчет коэффициента возбуждения
2
5 Нет
K Fкрит, то можно принять гипотезу о статистической значимости параметров уравнения регрессии.
В четвертом разделе предложена методика повышения коммутационной устойчивости ТЭД, описан процесс реализации данной методики.
В соответствии с ГОСТ 2582-2013, коммутацию ТЭД можно считать удовлетворительной, если степень искрения не превышает 11⁄2 балла в длительных рабочих режимах в пределах рабочих характеристик.
С использованием регрессионной модели можно определить допустимые диапазоны изменения напряжения якоря, тока якоря и возбуждения ТЭД, для которых вероятность появления искрения в КЩУ со степенью искрения 2 балла (и больше) будет равна минимальному заданному значениюp.
В качестве примера зададим вероятность возникновения искрения со степенью 2 балла равной p = 0,05. По выражению (11) можно найти значение Pz.model, при котором
+1

вероятность искрения 2 балла будет равна значению 0,05. Для пояснения на рис. 10 приведена кривая распределения плотности вероятности «процента засветки», площадь заштрихованной области равна заданной вероятности возникновения искрения 2 балла.
Математическое ожидание величины «процента засветки», определяемое по выражению (7), не
должно превышать 0,032 для рассматриваемого примера.
Таким образом, с использованием выражения (7) можно определить максимально допустимое значение напряжения якоря при различных коэффициентах ослабления возбуждения и токе якоря, при котором вероятность
Рис. 10 – Плотность распределения вероятности при Pz.model = 0,032
возникновения искрения в 2 балла равна p:
3 + − 1− ( ) 2
∗( ∗, )= √ . . 0 1 ∗ 3
где β– коэффициент ослабления возбуждения: = в∗.
∗
2 ∗
,
(15)
(16)
На рис. 11 приведены области допустимых значений напряжения якоря (Ua) при различных значениях коэффициента ослабления возбуждения (β) и тока якоря (Ia). Для заданного коэффициента ослабления возбуждения область допустимых значений напряжения якоря и тока якоря ограничена соответствующей кривой и осями абсцисс и ординат.
Зависимость (15) позволяет рассчитать допустимые интервалы изменения напряжения якоря, тока якоря и тока возбуждения, при которых вероятность появления искрения в 2 балла будет равна заданному минимальному значению.
Для определения допустимых режимов работы ТЭД карьерного самосвала и для обеспечения удовлетворительной коммутации разработана методика, алгоритм которой приведен на рис. 12.
Рис. 11 – Допустимые значения напряжения якоря при различных значениях тока якоря и коэффициента ослабления возбуждения для вероятности возникновения искрения 2 балла равной p = 0,05 (в абсолютных единицах)

Начало 1 Опытная поездка, запись
видеофайлов и переменных характеризующих работу ТЭД с помощью АВК-ОК (Ia(t); Iв(t); Ua(t))
Вывод результатов по опытной поездке
Коммутация удовлетворительная
Да
Конец
Построение регрессионной модели 6 Проверка адекватности регрессионной модели7
Обработка результатов эксперимента в программе «DC motor commutation»
( .экс. − . . )2 2=1− =1
∑ ( .экс. − .ср) =1
,
2
8
1) опытная поездка, получение данных измерений от АВК-ОК, установленного на карьерном самосвале (временные ряды данных изменения напряжения якоря, тока якоря, тока возбуждения, величины «процента засветки») (блок 2);
2)
3)обработка результатов эксперимента с помощью программы «DC motor commutation» (блок 3);
4) формирование отчета о качестве коммутации и режимах работы ТЭД (блок 4);
5) оценка интенсивности искрения ТЭД для выбранного участка эксплуатации карьерного самосвала (блок 5);
6) построение регрессионной модели для выявления связей между величиной «процента засветки» и напряжением якоря, током якоря, током возбуждения (блок 6);
7) проверка адекватности регрессионной модели с использованием показателей: коэффициента детерминации и критерия Фишера (блок 7);
8) определение допустимых диапазонов изменения напряжения якоря, тока якоря, тока возбуждения, при которых обеспечивается удовлетворительная коммутация КЩУ ТЭД карьерного самосвала (блок 8);
9)адаптация полученных результатов – настройка системы управления автосамосвала с учетом допустимых диапазонов изменения напряжения якоря, тока якоря, тока возбуждения (блок 9);
10) повторить опытную поездку и дать заключение по результатам проделанной работы (блок 2-4).
Используя результаты регрессионной модели автором, совместно со специалистами ООО «Сибэлектропривод», ОДО «СТРИМ» и ОАО «БЕЛАЗ», проведены опытные работы по настройке системы управления карьерного самосвала с учетом коммутации на ТЭД по предложенной методике. На полигоне ОАО «БЕЛАЗ» провели
Нет
Определение допустимых режимов работы
( , ) = ( , ) ( , ) = ( , )
Рис. 12 – Алгоритм определения допустимых режимов работы ТЭД
Предложенная методика состоит из следующих этапов:
Адаптация полученных результатов

подбор условий включения и ограничения режимов работы электромеханической трансмиссии, а также доработано программное обеспечение блока управления тиристорами ослабления поля и модулей высоковольтных сенсоров. Принятые меры позволили снизить коэффициент пульсации тока возбуждения и тока якоря, ограничить ослабление возбуждения и снизить скорость нарастания тока силовой цепи в переходных режимах.
В условиях УР «Березовский» на карьерном самосвале БЕЛАЗ 75306 ш. 1495 проводилась проверка изменений настроек системы управления с учетом коммутации ТЭД. В таблице 3 и на рис.13-14 приведена продолжительность работы ТЭД с интенсивностью искрения соответствующей стандартной шкале по ГОСТ 2582-2013 при исходных настройках системы управления и после её настройки по предложенной методике.
Таблица 3 Продолжительность работы в зависимости от класса коммутации
Баллы по ГОСТ 2582-2013 Продолжительность, % (новое ПО)
Продолжительность, % (зав. настройки)
1 11⁄4 94,80 3,29 79,86 9,50
11⁄2 2 1,67 0,24 6,38 4,26
Рис. 13 – Графики коммутации и электрических параметров правого ТЭД (груженый) с заводскими настройками (Bi – интенсивность искрения в баллах согласно
ГОСТ 2582-2013; t – продолжительность опытной поездки, с)
Рис. 14 – Графики коммутации и электрических параметров правого ТЭД (груженый) с учетом параметров, полученных по предложенной методике
(Bi – интенсивность искрения в баллах согласно ГОСТ 2582-2013; t – продолжительность опытной поездки, с)
В пятом разделе рассчитано ожидаемое снижение интенсивности изнашивания щеток за счет увеличения времени работы ТЭД с «темной» коммутацией, а также проведен расчет стоимости жизненного цикла ТЭД, дана оценка экономического эффекта от проведенных мероприятий по снижение интенсивности искрения.
Благодаря проведенным работам удалось увеличить время работы ТЭД с «темной» коммутацией на 14,94%, что позволяет экономить на эксплуатационных расходах за счет снижения износа щеток и увеличения межсервисных интервалов технического обслуживания ТЭД.
СЭ = Кп.з.ТО + Кп.з.Р + Кзч.ТО + Кзч.Р, (17) где СЭ – эксплуатационные расходы при использовании электродвигателя по назначению,
тыс. руб
Кп.з.ТО – затраты на оплату труда персонала, выполняющего работы по ТО, тыс. руб;
Кп.з.Р – затраты на оплату труда персонала, выполняющего работы по ремонту, тыс. руб;
Кзч.ТО – затраты на запасные части и расходные материалы для проведения технического обслуживания, тыс. руб;
Кзч.Р – затраты на запасные части для проведения ремонтных и восстановительных работ, тыс. руб.
Данные мероприятия позволяют экономить более 134 тыс. руб на каждом ТЭД за жизненный цикл изделия (10 лет), см. рис. 15.
Рис. 15 – Влияние повышения коммутационной устойчивости на эксплуатационные расходы
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены технические и технологические решения, направленные на повышение коммутационной устойчивости ТЭД постоянного тока карьерных самосвалов с использованием разработанного метода оценки коммутации в условиях эксплуатации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1) В результате анализа отказов ТЭД карьерных самосвалов выявлено, что 72% из них приходится на повышенное биение коллектора, повышенный износ щеток, круговые огни по коллектору и пробой на корпус якоря. При этом одной из наиболее частых причин возникновения отказов ТЭД остается неудовлетворительная коммутация и техническое состояние КЩУ. Для более точной оценки неисправностей ТЭД была предложена классификация отказов по внешним признакам и причинам.
2) Анализ причин неудовлетворительной коммутации ТЭД в условиях завода изготовителя показал, что в стационарном режиме не происходит нарушений в работе КЩУ, однако в процессе эксплуатации наблюдается неудовлетворительная коммутация, которая существенно ухудшает техническое состояние электродвигателя.
3)Разработан метод оценки интенсивности искрения по видеоизображению, который позволяет провести исследование и анализ режимов работы ТЭД и их влияния на процесс коммутации в условиях эксплуатации. Разработано устройство регистрации интенсивности искрения тяговых двигателей в эксплуатации, позволяющее оперативно оценить качество работы КЩУ и получить информацию для более детального анализа.
4) Разработана нелинейная регрессионная модель коммутации ТЭД карьерных самосвалов с учетом режимов эксплуатации, позволяющая определить допустимые режимы
работы автосамосвала и разработать организационные и технические мероприятий направленные на повышение коммутационной устойчивости ТЭД в эксплуатации.
5)Предложена методика определения допустимых режимов работы ТЭД карьерного самосвала для обеспечения удовлетворительной коммутации. Методика позволяет на основании анализа экспериментальных данных определить допустимые диапазоны изменения напряжения, тока якоря и коэффициента ослабления возбуждения, при которых степень искрения не превышает 11⁄2 балла в соответствии с требованиями стандартов.
6) Сформированы и реализованы рекомендации по выбору режимов работы ТЭД карьерных самосвалов, обеспечивающих минимальных уровень искрения. В результате реализации предложенных изменений удалось увеличить время работы ТЭД с «темной» коммутацией с 80,1% до 94,8%, что существенно повышает коммутационную устойчивость и надежность работы КЩУ. Экономическая эффективность применения предложенных разработок заключается в снижении эксплуатационных расходов, за счет возможности увеличения интервалов технического обслуживания до 500 мч и снижения интенсивности износа щеток.
В качестве рекомендаций и перспективы дальнейшей разработки темы диссертации предлагается разработать и реализовать технические мероприятия, направленные на повышение коммутационной устойчивости непосредственно ТЭД, с целью улучшения потенциальных условий и оптимальную настройку добавочных полюсов с учетом режимов эксплуатации.