Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В КОЛЛЕКТОРНОЙ ПЛАСТИНЕ НА НАГРЕВ КОЛЛЕКТОРА

Чуйко А.Д. 1 Христосенков С.А. 1 Петуров В.И. 1
1 Забайкальский институт железнодорожного транспорта – филиал ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» Федерального агентства железнодорожного транспорта
Проведен анализ влияния распределения плотности тока в коллекторной пластине на нагрев коллектора тягового электродвигателя. Были приняты следующие допущения в модели, такие как сила нажатия щетки на коллектор, внешние факторы (пыль, газ, избыточная влажность, низкая температура), марка щётки не подходит к условиям работы машины (слишком толстый слой политуры, слишком большая или слишком малая плотность тока в щётках, вентиляция и т.д.), двухмерная модель системы «коллектор – щетка – петушок» вместо трехмерной. По результатам моделирования получены следующие выводы. При обосновании выбора источников выделения тепла необходимо учитывать факт распределения плотности тока в коллекторной пластине. Большинство методик расчетов распределения тепла в коллекторе (например, метод тепловых схем замещения) не учитывают геометрию коллектора и являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов. Максимальное тепловыделение при качественной пайке составляет 496,717 Вт, что соответствует плотности тока равной 168,475 А/м2. С учетом вышеизложенного возникает необходимость в расчете модели с использованием метода конечных элементов в программной среде трехмерного моделирования с целью исследования влияния рассмотренного типа дефекта на нагрев коллектора. По полученным данным моделирования выявлены условные тепловые зоны, зависящие от плотности тока в рассматриваемых участках.
коллектор
плотность тока
нагрев
тяговый электродвигатель
1. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 541 с.
2. Петуров В.И., Четвериков С.В. Математическое моделирование при исследовании диэлектрических характеристик изоляции электрических сетей напряжением 6, 10 кВ // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2014. – № 3 (43). – С. 68–71.
3. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособ. для вузов / Трофимова Т.И. – 15-е изд. – М.: Академия, 2007. – 560 с.
4. Тютрина С.В., Кузнецова Н.С., Бурнашова Н.Н. Спектральная характеристика силикатов Забайкальского края и композитов на их основе, полученных при воздействии ультразвуковых колебаний // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9. – С. 460–464.
5. Фоменко В.К. Разработка технологии тепловизионного контроля технического состояния якорей тяговых электродвигателей локомотивов: дис. … канд. техн. наук. – Омск, 2008. – 143 с.
6. ЦТ-ЦТВР-4782 – Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава.
7. Четвериков С.В., Петуров В.И. Теоретическое исследование возможностей повышения стойкости инструмента из композита // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2; URL: http://www.science-education.ru/116-12432.
8. Чуйко А.Д. Анализ существующих методов диагностирования паянных соединений петушков коллектора тягового электродвигателя // Управление, эксплуатация и ремонт железнодорожных узлов и агрегатов: межвузовский сборник научных трудов. – Чита: ЗабИЖТ, 2009 г.
9. Чуйко А.Д. Расчет теплового поля коллектора в программной среде Elcut 5.6 // Инновации и современные технологии экономике и транспорту: межвузовский сборник научных трудов. – Чита: ЗабИЖТ, 2013.

Тяговые электродвигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и типов дефектов. Согласно статистическим данным по отказам тяговых электрических двигателей (ТЭД) одной из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является выплавление припоя из петушков коллектора [8]. Работы в области разработки методов и средств диагностирования тяговых электродвигателей выполнялись учеными и специалистами ВНИИЖТ, вузов железнодорожного транспорта, а также силами специалистов локомотиворемонтных заводов и депо. Существуют различные направления в разработке методов диагностики тяговых электродвигателей, что объясняется разнообразием возможных неисправностей и типов дефектов ТЭД. В соответствии с правилами ремонта электрических двигателей техническое состояние паяного соединения считается удовлетворительным при степени пропайки контактного соединения не менее 80 % [5, 6], а превышение температуры является браковочным состоянием коллектора при оценке технического состояния якоря [9]. При некачественной пайке происходит увеличение переходного сопротивления в месте соединения и, как следствие, значительный нагрев, описываемый законом Джоуля – Ленца [3]. Для разработки методики диагностирования паяных соединений петушков коллектора возникает необходимость в создании и исследовании тепловой нестационарной модели коллектора ТЭД. Существуют различные методы расчета температурных полей двигателей постоянного тока, обладающие своими достоинствами и имеющие также свои недостатки, обусловленные допущениями, принятыми в математических моделях. Основные подходы к созданию математических моделей и выбору программной среды моделирования приведены в [2].

При анализе существующих методик тепловых расчетов был сформулирован вывод, что существующие методы определения температурного поля, не учитывающие геометрию коллектора, являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов. Такие методы, как, например, метод тепловых схем замещения, имитирующий только пути передачи тепловых потоков, не дают полной картины теплограммы коллектора, а определяют лишь средние значения температуры отдельных элементов. При расчете теплового поля коллектора методом тепловых схем замещения используются выражения для расчета нагревания однородного тела, при этом коллектор в действительности не является однородным телом, так как в своем составе имеет не только медные коллекторные пластины, но и миканит, имеющий свою теплопроводность отличной от теплопроводности меди. Также возможно использование других композиционных материалов, теоретические основы создания и применения которых приведены в [7, 9]. Другими словами, коллектор тягового электродвигателя – это сложный объект исследования, требующий тщательного подхода к разработке его модели. Поэтому применение метода конечных элементов [1] в данном случае является более приемлемым при решении тепловых задач расчета теплограммы коллектора. Этот метод позволяет учитывать не только геометрию моделируемого тела, но и разнородность материалов и их разную теплопроводность, что в первую очередь сказывается на точности расчетов моделирования.

Согласно закону Джоуля – Ленца, нагрев в проводнике происходит от прохождения по нему электрического тока, и, как известно, изменение величины плотности тока влияет на величину тока, причем прямо пропорционально. Следовательно, тепловая модель коллектора электродвигателя должна быть связанной с моделью распределения плотности тока в коллекторной пластине. Поэтому с целью обнаружения наиболее нагреваемого места в коллекторе необходимо провести анализ распределения плотности тока в пластине электрической машины.

При построении модели по распределению плотности тока в коллекторной пластине ТЭД НБ-418 К6 преследовалась цель обнаружения наиболее нагреваемого места в коллекторе, что необходимо для получения более достоверной диагностической информации при выявлении такого типа дефекта, как «некачественная пайка в петушках коллектора электродвигателя». В ходе моделирования получена следующая модель, представленная на рис. 1.

pic_57.tif

Рис. 1. Геометрия модели коллекторной пластины ТЭД НБ-418 К6 в программной среде Elcut

pic_58.tif

Рис. 2. Распределение плотности тока в коллекторной пластине ТЭД НБ-418 К6

pic_59.tif

Рис. 3. Распределение плотности тока в зоне 1 и в зоне 2

На рис. 1 представлены следующие элементы: 1 – коллекторная пластина, 2 – место пайки в петушках коллектора электродвигателя, 3 – щетки двигателя, 4 – медные вставки (токопровод).

Результаты моделирования распределения плотности тока в коллекторной пластине представлены на рис. 2.

При расчете методом конечных элементов распределения плотности тока в пластине были получены следующие результаты, которые представлены на рис. 3–5.

По результатам моделирования выявлено, что большее распределение плотности тока происходит в двух условно обозначенных зонах. Это явление объясняется тем, что ток стремится пройти по кратчайшему пути (т.е. меньшее расстояние). А кратчайшему расстоянию для прохождения тока между системой «щетка – петушок – место пайки обмотки и петушка» как раз соответствуют условно обозначенные зоны (рис. 3). Таким образом, в результате моделирования были выявлены две основных зоны большего распределения плотности тока в месте соединения «петушок – обмотка» (выделенные красным цветом зоны и представленные на рис. 3). При еще более точном моделировании необходимо учитывать, что ток не распределяется равномерно по всей контактной поверхности щётки.

Причины этого весьма разнообразны, в частности:

– внешние факторы (пыль, газ, избыточная влажность, низкая температура);

– марка щётки не подходит к условиям работы машины (слишком толстый слой политуры, слишком большая или слишком малая плотность тока в щётках, вентиляция и т.д.).

При идентичном процессе ток может распределяться неравномерно между щётками на одном и том же щёткодержателе на коллекторе или на одной и той же траектории на кольце. Часто причиной этого может быть разное усилие нажатия, прикладываемое к щёткам. Все эти факторы можно учесть при моделировании, что сильно усложнит модель и увеличит время расчетов. Поэтому в модели не были учтены эти факторы.

При расчете модели по распределению плотности тока в зоне 1 и в зоне 2 для возможности анализа в этих зонах выделения тепла рассчитывается связанная модель тепловыделения в коллекторной пластине, представленная на рис. 4.

Первая зона имеет существенное значение для такого типа дефекта, как некачественная пайка, так как в ней расположено место пайки петушка и якорной обмотки. Следовательно, существенное влияние на дополнительный нагрев в этой зоне оказывает не только некачественная пайка «петушка» коллектора, но и распределение плотности тока в этой зоне. Результаты моделирования первой зоны представлены на рис. 5–6.

pic_60.tif

Рис. 4. Тепловыделение в системе «коллекторная пластина – щетки»

pic_61.tif

Рис. 5. Тепловыделение первой зоны «петушка» коллектора

pic_62.tif

Рис. 6. Максимальное тепловыделение в первой зоне

Расчетные значения первой зоны

L (мм)

x (мм)

y (мм)

j (А/м2)

r (Ом∙м)

w (Вт/м3)

0,00000

980,402

454,836

11,1100

0,120000

14,8119

1,04155

979,361

454,799

11,1411

0,120000

14,8950

2,08305

979,000

454,101

14,0465

0,0175000

3,45283

3,12458

979,000

453,059

15,4502

0,0175000

4,17740

4,16609

979,000

452,018

16,6557

0,0175000

4,85469

6,24916

978,142

450,368

21,5017

0,0175000

8,09062

7,29066

977,611

449,538

20,5925

0,0175000

7,42089

8,33219

977,736

448,527

20,8788

0,0175000

7,62870

9,37369

978,234

447,640

21,1040

0,0175000

7,79414

8,22802

978,872

446,816

20,8329

0,0175000

7,59516

9,74774

979,713

446,234

20,5695

0,0175000

7,40433

11,26379

980,194

446,569

21,2654

0,0175000

7,91376

13,5398

980,243

447,609

23,8182

0,0175000

9,92784

14,5813

980,292

448,650

28,8116

0,0175000

14,5269

15,6228

980,341

449,690

42,8324

0,0175000

32,1057

16,6644

980,402

450,730

168,475

0,0175000

496,717

Из рис. 5–6 видно, что максимальное тепловыделение при качественной пайке в первой зоне составляет W = 496,717 Вт. Также из рисунка видно, что самое большое значение тепловыделения происходит еще под краем щетки W = 1550 Вт. Расчетные значения для первой зоны сводим в таблицу.

Выводы по результатам моделирования

1. При обосновании выбора источников выделения тепла учитываем факт неравномерного распределения плотности тока в коллекторной пластине, что видно из проведенного анализа и из рисунков, что особенно характерно для первой зоны, где имеет место распределение большего значения плотности тока, соответствующего большему нагреву в этом месте.

2. Большинство методик расчетов распределения тепла в коллекторе (например, метод тепловых схем замещения) не учитывают геометрию коллектора и являются менее точными по сравнению с методом конечных элементов.

3. Максимальное тепловыделение при качественной пайке составляет

W = 496,717 Вт.

4. С учетом вышеизложенного возникает необходимость в расчете модели с использованием метода конечных элементов в программной среде трехмерного моделирования с целью исследования влияния рассмотренного типа дефекта на нагрев коллектора.

Рецензенты:

Бабокин Г.И., д.т.н., профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий», Горный институт, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва;

Баландин О.А., д.т.н., заведующий кафедрой прикладной механики и инженерной графики, Забайкальский институт железнодорожного транспорта Иркутского государственного университета путей сообщения (ЗабИЖТ), г. Чита.

Работа поступила в редакцию 04.02.2015.


Библиографическая ссылка

Чуйко А.Д., Христосенков С.А., Петуров В.И. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ТОКА В КОЛЛЕКТОРНОЙ ПЛАСТИНЕ НА НАГРЕВ КОЛЛЕКТОРА // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 4. – С. 163-168;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37141 (дата обращения: 23.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074