CC BY
50
УДК 629.423.31
К. В. ЛВЕРКОВ Д. Ю. БЕЛАН
Омский государственный университет путей сообщения
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОЛЛЕКТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
В статье дан краткий анализ основных неисправностей коллекторов тяговых электродвигателей, обозначены проблемы, связанные с операцией продораживания рабочей поверхности коллекторов электрических машин с предложенной схемой базирования, рассмотрен новый метод продорожки коллектора с использованием специального режущего инструмента, в значительной степени влияющий на качество обработанной поверхности. Получен профиль зуба червячной фрезы аналитическим способом. Ключевые слова: рабочая поверхность коллектора тягового электродвигателя, червячная фреза, величина подачи, базирование.
Улучшение эксплуатационных характеристик локомотивов зависит от их технического состояния. Повышение качества их ремонта, увеличение ресурса агрегатов и узлов требуют совершенствования технического обслуживания и ремонта. Анализ технического состояния локомотивного парка по сети железных дорог России за 2008 — 2009 годы показал, что количество отказов остается на высоком уровне. Анализ причин заходов на неплановый ремонт электровозов показал, что отказы тяговых электродвигателей (ТЭД) составили 17,1 %. Причинами этого являются низкий уровень технического оснащения и несоблюдение технологических процессов ремонта, и нарушение режимов эксплуатации. Если первая причина отражается на сроках и качестве проведения ремонтов, то вторая связана с отсутствием в существующей системе ремонта объективной оценки текущего состояния эксплуатируемых электровозов, их основных агрегатов и узлов.
При этом неисправности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) ТЭД составили 15 %, из них выплавления припоя из петушков коллектора — 10 % и перебросы, оплавления, подгары, затяжка ламелей коллектора — 5 %.
Наиболее интенсивный износ коллектора наблюдается при искрении в контакте. Поэтому для снижения износа коллектора очень важно обеспечить хорошие, безыскровые условия коммутации электрической машины.
Круговой огонь на коллекторе может развиться из отдельных «вспышек» под электрощетками, которые возникают из-за появления между коллекторными пластинамитокопроводящих «мостиков». Снизить возможность появления таких «мостиков» можно путем уменьшения глубины канавки до 0,5 — 0,7 мм. При такой уменьшенной глубине канавки значительно уменьшается загрязненность коллектора благодаря более эффективному выдуванию продуктов износа. Принятая при изготовлении новых тяговых двигателей и выпуске из ремонта глубина канавки составляет 1,4—1,6 мм. Более глубокая продорожка нецелесообразна, так как тогда канавка между коллекторными пластинами приобретает вид щели, которая в эксплуатации быстро засоряется угольной пылью, пыль плотно оседает в ней, особенно при увлаж-
нении коллектора, что в дальнейшем вызывает перекрытия и замыкания между соседними пластинами и повышенное искрение на коллекторе.
При проведении продорожки необходимо следить за тем, чтобы глубина канавки между всеми пластинами была одинаковой и миканитовая (или слюдо-пластовая) изоляция расчищалась по всей ширине канавки и не оставалась на стенках коллекторных пластин, дно канавки должно быть ровным. Недопустим также подрез медных пластин. Выполнение этих требований обеспечит устойчивую работу коллектора и уменьшит количество неплановых ремонтов двигателей для продорожки. Продорожку коллектора выполняют с припуском на величину износа так, чтобы после обточки коллектора глубина межламель -ных канавок в эксплуатации была не менее 0,5 мм.
Продораживание предотвращает появление на рабочей поверхности коллектора слюды, влияющей на износ угольных щеток при эксплуатации электрической машины. Если бы не было продораживания, выступающая из миканитовых прокладок слюда ухудшила бы контакт между угольными щетками и коллектором, усилила бы износ щеток и искрение на коллекторе.
Процесс установки при обработке заготовки (коллектора) включает базирование и закрепление. При базировании заготовке придают определенное положение, неизменность которого в процессе обработки обеспечивается за счет сил закрепления. В результате наличия геометрических отклонений базовых поверхностей заготовок, погрешности изготовления и износа опорных элементов приспособления, нестабильности усилия закрепления возникают пространственные отклонения заготовок. Погрешность обработки, которая формируется вследствие указанных причин, называют погрешностью установки Еу.
Погрешность установки заготовки в приспособлениях еу в общем случае следует вычислять с учетом погрешностей базирования гб и закрепления вз заготовок, а также с учетом точности изготовления и износа опорных элементов приспособлений г . Погрешность установки определяют как предельное поле рассеяния положения рассматриваемой поверхности в направлении получаемого размера. Так как указанные выше погрешности являются случайными
Рис. 1. Возможные схемы установки якоря при обработке коллектора: а) установка на опоры по нижней образующей вала; б) установка в центрах; в) установка в патрон и центр;
1 — коллектор; 2 — дисковая фреза
величинами, то наиболее вероятное значение погрешности установки при механической обработке (фрезеровании пазов) можно определить по формуле:
V
О©
(1)
Сведение к минимуму этих величин уменьшает допуск на готовое изделие. Величина допуска биения на коллектор по правилам заводского ремонта составляет ±0,08 мм, точность станка зависит от его конструкции, инструмент имеет точность ±0,01 мм. На перечисленные величины во время технологического процесса ремонта воздействовать весьма трудно, поэтому следует обратить особое внимание на величину ошибки, которая возникает при базировании. Из технологии машиностроения известно, что если конструкторская и технологическая база совпадают, то ошибка при базировании отсутствует. Тяговый электродвигатель по конструкторско-технологическим признакам относится к деталям типа «тела вращения», поэтому обрабатываемый размер может быть задан от верхней образующей, от центра вала якоря или от нижней образующей. Таким образом, схема базирования (схема установки) обрабатываемой детали будет влиять на точность обработки. Рассмотрим несколько схем установки якоря на станок.
При обработке якоря ТЭД в условиях депо возможны следующие схемы установки (рис. 1) .
Обработанный размер — паз, который ограничен с двух сторон медными пластинами, а дно паза изготовлено из миканита (рис. 2).
Конструкторский размер назначается от верхней образующей. Конструкторская и технологическая базы не совпадают, а величина ошибки базирования составляет допуск на диаметр вала (рис. 1а). У схемы базирования в центрах (рис. 16) ошибка составляет 0,5 мм от допуска на размер вала. Также не лишена недостатков схема (рис. 1в), кроме базирования в центрах, имеет место ошибка несоосности центра вращения трехкулачкового патрона и заднего центра. В результате перечисления схем базирования глубина диаметрально противоположных пазов в лучшем случае будет отличаться на 0,5 Двала и составлять ХД. Все эти погрешности влияют на геометрические размеры паза, что влияет на эксплуатационные характеристики ТЭД. В связи с этим предлагается следующая схема базирования, которая учитывает положение вала якоря (рис. 3). В этом случае базой установки является конусная поверхность вала якоря и ось вращения корпуса установки 2, которая совпадает с осью вала якоря.
Якорь ТЭД крепится в центрах и имеет возможность прерывистого вращения в этой схеме. Режущим инструментом является дисковая фреза, которая вращаясь, перемещается вдоль ламели и, снимая мика-I нит, образует паз. После фрезерования паза фреза
Рис. 2. Схема обработки паза: 1 — медная пластина; 2 — изолирующая прокладка из диэлектрика (миканит); 3 — дисковая фреза
А-А
Рис. 3. Схемы установки якоря при обработке коллектора с червячной фрезой: 1 — коллектор; 2 — корпус установки; 3 — червячная фреза
возвращается в исходное положение, а коллектор поворачивается на одну ламель с помощью механизма поворота и технологический процесс ремонта коллектора ТЭД повторяется до тех пор, пока не будут обработаны все ламели.
Недостатком этой схемы обработки коллектора является наличие холостого хода режущего инструмента, неточность работы механизма поворота (в связи с разной толщиной медных пластин коллектора), дисковая фреза затачивается только по передней поверхности, что приводит к увеличению затрат на переточку режущего инструмента и уменьшению прочности режущей части фрезы, механизм поворота и главного движения не совмещены. Для того, чтобы избавиться от этих недостатков, нужно принять схему подобную схеме нарезания зубчатых колес с помощью червячной фрезы. Профиль коллектора имеет свои особенности. Если рассматривать медную пластину как зуб шестерни, а миканит как впадину, то обработка коллектора ведется по следующей схеме (рис. 3).
Продорожка коллектора ТЭД осуществляется в вертикальном положении так, чтобы коллектор был сверху, а коническая часть вала якоря была освобождена и осмотрена на предмет отсутствия забоин на конической части, по которой базируется корпус установки. Процесс продораживания происходит за счет главного движения (движение резания), радиаль-
X
0,32
0,34
0,39
0,43
0,47
К
R
= VRe-0,75-a2
(2)
Расчет показывает величину Я = 632,99 — 659,99 мм. Таким образом, начальная окружность и окружность вершин практически совпадают.
Графический способ расчета профиля не дает достаточной точности, поэтому более целесообразно применение аналитического способа. Аналитический способ расчета профиля зуба фрезы ведется по формулам (3) — (5):
Угол профиля рассчитывается по формуле (3).
smy =
2R '
(3)
где Ь — ширина коллекторной пластины.
Угол обката для заданной точки профиля рассчитывается по формуле (4).
smy sma =-L +
smy
R
(4)
Рис. 4. Профиль зуба червячной фрезы
ного движения, которое обеспечивает подачу червячной фрезы на всю глубину обработки, и вращательно-делительного движения, которое обеспечивает перемещение режущего инструмента поперек образующим и поворотного движения — для непрерывного перемещения инструмента по ламелям коллектора после каждого прохода режущего инструмента.
Расчет червячной фрезы не эвольвентного профиля основывается на методике [1,2].
Зубчатые детали, имеющие прямолинейный профиль могут быть обработаны червячными фрезами. При этом профилирование происходит по методу обката, при котором профиль инструмента не совпадает с профилем изделия, а рассчитывается как элемент зубчатой или червячной передачи.
Для определения профиля червячной фрезы может быть использован графический и аналитический способ.
Графический способ отличается наибольшей простотой, он заключается в последовательном наложении и копировании профиля изделия. При этом наложение происходит в порядке обкатывания начальной прямой будущей фрезы по начальной окружности изделия. Радиус начальной окружности изделия может быть определен из выражения:
где у — ордината точки профиля.
Абсцисса точки профиля рассчитывается по формуле (5).
= R-[(a° -y°)-0,01745-(sina-siny)-cosa]
(5)
Рассчитанные координаты точек профиля червячной фрезы (рис. 4).
Таким образом, использование более рациональной схемы базирования установки для продорожки ламелей коллекторов электрических машин с применением спроектированной червячной фрезы позволит совершенствовать технологию ремонта коллекторов ТЭД, что приведет к безыскровым условиям коммутации электрической машины, снижению износа коллектора, к повышению надежности электровоза в целом, уменьшению простоя на различных видах текущего ремонта и технического обслуживания и позволит дополнительно оснастить ремонтные цеха технологическим оборудованием.
Библиографический список
1. Тепинкичиев, В. К. Металлорежущие станки / В. К. Тепин-кичиев. — М.: Машиностроение, 1973. — 472 с.
2. Романов, В. Ф. Расчет зуборезных инструментов / В. Ф. Романов. — М. : Машиностроение, 1969. — 251 с.
где — радиус наружной окружности, мм; а — расстояние от прямой профиля до центра окружности.
Диаметр коллектора ТЭД составляет 633 - 660 мм, расстояние от прямой профиля до центра окружности соответствует половине ширины коллекторной пластины (4 мм).
АВЕРКОВ Константин Васильевич, аспирант кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
БЕЛАН Дмитрий Юрьевич, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 21.01.2011 г. © К. В. Аверков, Д. Ю. Белан
