CC BY
36
УДК 621.9.048.7:621.785.53
Д. Ю. БЕЛАН
Омский государственный университет путей сообщения
ПРИМЕНЕНИЕ
ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ РЕМОНТА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Данная статья посвящена описанию методики насыщения углеродом медных пластин коллектора тягового электродвигателя методом химико-термической обработки при помощи теплового пистолета для повышения его эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: тяговый электродвигатель, коллекторно-щеточный узел, термообработка, химико-термической метод, упрочнение, износостойкость.
В последние годы наблюдался устойчивый рост объемов перевозок темпами, большими, чем прогнозировалось. Растущие перевозки требовали обеспечения надежным парком локомотивов. Между тем имеющийся инвентарный парк ОАО «РЖД» сегодня изношен более 73 %, особенно пассажирские электровозы постоянного тока. В настоящий момент все локомотивы ЧС2 выработали нормативный срок службы, однако их эксплуатация продолжается после соответствующих видов технических обслуживаний и ремонтов.
Тяговые электрические двигатели (ТЭД) локомотивов работают в тяжелых климатических условиях: большой перепад температур и атмосферного давления, повышенная влажность и запыленность воздуха. В процессе эксплуатации идет интенсивное воздействие на поверхность коллектора, в результате чего происходит его износ, который имеет неравномерный характер; увеличивается шероховатость.
Дефекты коллектора, возникающие в эксплуатации, имеют две основные причины возникновения: механическую и электрическую, которые тесно связаны между собой.
Проблема повышения эксплуатационных свойств деталей электрических машин постоянного тока (ЭМПТ), инструментов, приборов методами поверхностного легирования и упрочнения приобретает все большую актуальность. Одним из наиболее перспективных методов упрочнения поверхностей коллекторных пластин ТЭД является объемное и поверхностное изменение структуры и свойств термообработкой [1]. При ремонте коллектора (рис. 1а) необходимо стремиться получать значение шероховатости поверхности коллектора не ниже Я = 3,2 мкм.
а '
В существующем технологическом процессе это достигается шлифованием и полированием коллектора абразивными материалами. Абразивная обработка рабочей поверхности коллектора якоря ТЭД ТЛ-2К1 (рис. 1б) отрицательно сказывается на работе КЩУ [2, 3].
Для того чтобы обеспечить стабильную передачу тока от щетки к коллектору, безыскровую работу коллекторно-щеточного узла и сократить время на приработку электрической машины после очередного технического обслуживания или ремонта в объеме ТР-3, предлагается использовать метод создания окисной углеродосодержащей плёнки на поверхности коллектора для применения в технологических процессах изготовления и ремонта тяговых электродвигателей.
При этом, чтобы учесть специфику технологического процесса ремонта ТЭД и его конструктивные особенности, необходимо реализовать следующий порядок выполнения технологических операций, пренебрегая операциями сборки и разборки: 1) обточка коллектора на специализированном токарном станке; 2) продорожка коллекторных пластин; 3) отделочные операции; 4) формированием адсорбционного слоя, содержащего атомы углерода, на коллекторе ТЭД.
Суть инновационной технологии заключатся в создании адсорбционного слоя (окисного слоя) на медной пластине коллектора тягового электродвигателя, что позволит сократить время на приработку электрических машин постоянного тока, по свойствам аналогичного материалу электрографитной щетки марки ЭГ-74 (графитом). Химико-термический метод (ХТМ) обработки несколько изменяет физико-химические свойства адсорбционных слоев: повышает износостойкость при трении и стойкость к различным видам коррозии, снижает переходное сопротивление и улучшает коммутационные характеристики коллекторно-щеточного узла [4].
Известно, что температура плавления меди составляет 1084 0С и непосредственное создание адсорбционного слоя на рабочей поверхности медных пластин всего коллектора тягового электродвигателя в печи при температуре 1000 0С невозможно, т.к. у коллекторного изоляционного материала максимальная допустимая рабочая температура составляет 180 — 200 0С, что приведет к его расплавлению
Рис. 1. Коллектор (а) и якорь (б) тягового электродвигателя ТЛ-2К1: 1 — стяжные болты; 2 — нажимной конус; 3 — коллекторные пластины; 4 — цилиндр; 5 — миканитовые манжеты; 6 — нажимная шайба
Рис. 2. Тепловой пистолет GTV16: 1 — тепловой пистолет; 2 — резервуар для хранения графитового порошка; 3 — специализированная насадка; 4 — рукоятка
Рис. 3. Специализированная насадка для локального нагрева медной пластины коллектора тягового электродвигателя ТЛ-2К1
и потере всей изоляции в коллекторной электрической машине.
В связи с этим предлагается для получения адсорбционного углеродсодержащего слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора тяговых электродвигателей использовать тепловой пистолет СГУ16 со специально спроектированной насадкой (рис. 2).
Тепловой пистолет 1 позволит осуществлять местные локальные нагревы медной пластины кол-
Рис. 4. Композиционная структура контактного элемента тягового электродвигателя 1 — медная пластина; 2 — изоляционный материал (миканит); 3 — внедренные зерна графита
лектора на глубину не более 1,2 мм и ширину 4 мм с помощью специальной спроектированной насадки 3 из жаропрочной высоколегированной стали марки 20Х25Н20С2. При нагреве медной пластины коллектора до определенной температуры из резервуара 2 подается графитный порошок в сопло, а затем через насадку попадает на поверхность обрабатываемой детали и оседает в виде паров. В результате, перемещая насадку теплового пистолета с помощью рукоятки 4, создается окисная пленка на коллекторных пластинах ТЭД. Конструкция специальной спроектированной насадки представлена на рис. 3.
Размягчение наружного слоя меди даёт возможность осуществлять насыщение атомами углерода адсорбционного слоя рабочей поверхности без повреждения изоляции тягового электродвигателя (коллекторного миканита). При нагреве меди на данную глубину, учитывая теплопроводность меди, возможность повреждения изоляции ТЭД отсутствует. В качестве измерительного прибора для контроля температурных изменений рекомендуется использовать дистанционные измерители температур — инфракрасный термометр ЬаБв^дМ, который обеспечивает профессиональное неконтактное измерение температуры объектов размером от 1 мм в широком диапазоне температуры от -35 0С до +900 0С.
кп
Время термообработки, час
1 — t = 800 0С; 2 — t = 1000 0С
печ печ
Рис. 5. Зависимость толщины адсорбционного слоя от времени нагрева медной пластины с углеродистым покрытием
После создания окисной пленки поверхностный слой должен приобрести гетерогенную структуру с небольшими включениями, что является признаком завершения процесса адсорбции. В результате на медной поверхности коллекторной пластины тягового электродвигателя ТЛ-2К1 формируется адсорбционный слой (рис. 4). Благодаря данному методу создания адсорбционного слоя на поверхности медных коллекторных пластин значительно уменьшается время приработки ТЭД за счет быстрого образования политуры, следовательно, улучшаются коммутационные свойства тягового электродвигателя.
Для определения толщины адсорбционного слоя в процессе термообработки предлагается использовать методику, за основу которой принято уравнение 1:
h Д = К (t) -т,
раметр, пропорциональный коэффициенту адсорбции (зависит от температуры); т — время образования адсорбционного слоя толщиной hд.
В результате дифференцирования уравнения получили выражение 2:
Ы°д
K(t) -Ат 2 - 0„ '
(2)
где hд — толщина адсорбционного слоя, образующаяся за время Ат.
Толщина адсорбционного слоя в г—1 и I в I момент времени определя ется по формуле 3:
0Д б Vi +Аhдi-1,
(3)
где h,
АЛ,
— толщина абсорбционного слоя
(1) в i—1 и i моменты времени, соответственно h
где h, — толщина адсор бционного слоя; K(t) — па- с
Ai-f
Данные расчеты проводятся непосредственно измерительными данными после эксперимен-
тального опыта. На рис. 5 представлен график, иллюстрирующий зависимость времени обработки и толщины получаемого адсорбционного слоя.
В результате эксперимента был получен адсорбционный слой на медной пластине коллектора ТЭД ТЛ-2К1 определенной толщины, порядка 4 мкм.
Для подтверждения результатов насыщения поверхности атомами углерода проведен атомно-эмис-сионный спектральный анализ с использованием стандартных образцов сравнения. Тип прибора — «Аргон — 5СФ».
Окно программы спектрометра со спектрами исходного (чистого) и науглероженного приведены на рис. 6.
На спектрограммах отмечены спектральные линии основы — меди (спектральная линия Си 182,535 нм) и углерода С 193,090 нм. Анализ сравнения спектров чистого и поверхности подвергнутой обработки экспериментальным тепловым пистолетом образцов показал, что в образце с адсорбционным слоем интенсивность выше в 2 раза, что соответствует массовой доле углерода (Сс) около 0,085 %.
Таким образом, при создании окисной пленки поверхности медных пластин коллектора тягового электродвигателя приобрела с измененными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, что непосредственно влияет на стадию приработки коллекторно-щеточного узла, сокращает ее длительность, что позволит оптимизировать процессы производства и ремонта ТЭД.
Библиографический список
1. Белая, Д. Ю. Повышение надежности работы коллек-торно-щеточного узла тяговых электродвигателей / Д. Ю. Бе-лан, А. А. Ражковский // Известия Транссиба. — 2012. — № 2 (4). — С. 14—18.
2. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисеенок // Известия Транссиба. — 2010. — № 2 (2). — С. 2 — 6.
3. Авилов, В. Д. Методика нормирования качества коммутации в тяговых электрических машинах / В. Д. Авилов, Ш. К. Исмаилов // Известия Транссиба. — 2012. — № 2 (10). — С. 2 — 7.
4. Белан, Д. Ю. Повышение эксплуатационных характеристик электрических машин методом химико-термической обработки / Д. Ю. Белан, А. А. Ражковский // Известия Транссиба. — 2012. — № 2 (4). — С. 14—18.
БЕЛАН Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.12.2015 г. © Д. Ю. Белан
УДК 621.3.°5:519.65 Д. А. ЕЛИЗАРОВ
Омский государственный университет путей сообщения
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯ
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ_
В статье приводится анализ методов оценки гармонических составляющих напряжения при натурном эксперименте. Точность полученных результатов быстрым методом корреляционных функций сопоставима с модернизированным методом корреляционных функций.
Ключевые слова: качество электрической энергии, спектральный анализ сигнала, гармонические составляющие, метод корреляционных функций.
Повышение качества электроэнергии (КЭ) является основным фактором повышения энергетической эффективности промышленных предприятий. Введение новых стандартов в области КЭ повлекло за собой изменение требований к составу показателей КЭ, точности их измерений, характеристикам средств измерений [1—2].
Одними из важных показателей КЭ, являются показатели, характеризующие несинусоидальность напряжения: коэффициенты гармонических составляющих напряжения и суммарный коэффи-
циент гармонических составляющих напряжения. Для анализа несинусоидальности режимов напряжения разлагаются на гармонические составляющие.
Высокую точность оценки гармонических составляющих напряжения может обеспечить цифровая обработка сигналов, в этом случае его математической основой является быстрое преобразование Фурье (БПФ) [3 — 4]. Применение дополнительных методов для определения гармонических составляющих напряжения обусловлено неспособностью
