ТРАНСВУЗ-2015.Часть 1

Ремонт и динамика подвижного состава

сдаточным испытаниям согласно требованиям стандарта, при этом контролируются такие параметры, как частота вращения при часовом режиме, испытание на повышенную частоту вращения и др. [1] Обычно такие испытания проводят на специализированных испытательных станциях. Для контроля частоты вращения ротора используют инкрементные датчики оборотов: оптические, индукционные либо основанные на эффекте Холла. Отрицательной стороной этих датчиков является то, что необходим определенный опыт в их установке и настройке, кроме того, увеличивается количество соединительных проводов. Также датчик может выйти из строя и исказить результаты испытаний.

За последнее время были разработаны методы определения частоты вращения асинхронных двигателей по току статора. Их можно разделить на две группы [2]:

1)методы, использующие математическую модель двигателя;

2)методы, использующие сигнатурный анализ компонент спектра напряжения или тока двигателя.

Методы, основанные на математической модели, дают преимущества в скорости обработки данных, но требуют большого количества параметров двигателя. Кроме того, необходимо измерение как тока, так и напряжения [3].

Методы, основанные на сигнатурном анализе, независимы от электромагнитных параметров двигателя и требуют только измерения тока или напряжения, однако им необходимо большее количество вычислений. Наиболее распространены методы, использующие Z-преобразование, быстрое преобразование Фурье и его разновидности, преобразование Гильберта. Сравнение этих методов дано в [4, 5].

Базовый принцип оценки угловой скорости по спектру тока статора основан на вычислении особых частот. Эти частоты описываются выражением

(1)и включают в себя частоты эксцентриситета с пазовыми гармониками [6][7]:

где fseh – связанные со скоростью частоты; f1 – частота питания сети; k – целое; p – число пар полюсов двигателя; R – число пазов ротора; s – сколь-

жение; nd – порядок эксцентриситета, при nd 0 статический эксцентриситет,

260

ТРАНСВУЗ – 2015

при nd 1 динамический; nw – порядок гармоники статорной магнитодвижущей силы.

Из формулы (1) выделяется метод поиска спектральных компонент пазовых гармоник, описываемый формулой (2), которая получается из (1) при k 1, nw 1, nd 0 :

Формула (2) используется для расчета пазовых гармоник [6].

Пазовая гармоника вызывается особенностями конструктивного исполнения электрической машины переменного тока, у которой на статоре и на роторе обмотка всегда укладывается в пазах. При вращении ротора в зазоре двигателя возникает периодическое чередование ферромагнитных пазов статора и ротора. Это приводит к модуляции магнитного потока в зазоре частотой, связанной с количеством пазов на роторе и статоре электрической машины [8].

Для оценки скорости с применением пазовых гармоник необходимо знать число пазов ротора, которое можно получить из документации на двигатель, либо попытаться определить их по спектру тока, как предложено в работе [7].

Продемонстрируем применение этого метода на примере.

Для проведения опыта была создана экспериментальная установка, состоящая из асинхронного двигателя M2 АИРМ63В4У3, характеристики которого приведены в табл. 1, и генератора M1 постоянного тока, нагруженного на реостат R. Генератор и двигатель соединены гибкой муфтой.

Таблица 1

Технические характеристики двигателя АИРМ63В4У3

Частота вращения ротора измеряется с помощью датчика Холла. Сигнал тока статора снимается с помощью токовых клещей Fluke i5s, установленных

261

Ремонт и динамика подвижного состава

на одной из фаз АД. Оцифровку преобразованного сигнала тока выполняет система сбора данных фирмы L-Card LTR-EU-2 с модулем АЦП LTR22. Частота дискретизации во всех опытах составляет 78.125 кГц. Спектр тока получен с помощью программного обеспечения LGraph2 фирмы L-Card.

Схема испытания приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема опыта для оценки частоты вращения двигателя, R-реостат, ДО-датчик оборотов, ПК-персональный компьютер, АЦП-аналого-цифровой преобразователь

Проведем оценку частоты вращения ротора методом поиска пазовых гармоник. Рассмотрим спектр тока двигателя работающего на холостом ходу. Частота вращения ротора, измеренная датчиком оборотов, составляет 1492.4 об/мин. Используя формулу (2) вычислим частоту пазовых гармоник:

На рис. 2 приведен участок спектра тока статора в диапазоне расположения пазовых гармоник. Можно увидеть пики амплитуд на рассчитанных частотах.

Теперь изменим частоту вращения ротора с помощью увеличения нагрузки генератора. Новая частота вращения составляет 1466,6 об/мин. Соответственно, частота пазовых гармоник будет находиться как:

262

ТРАНСВУЗ – 2015

Рис. 2. Спектр тока статора при частоте вращения 1492,4 об/мин

На рис. 3 приведен спектр тока статора для этого случая. Как мы видим, пазовые гармоники сместились на 12,923 Гц влево, что соответствует новой скорости вращения двигателя.

Рис. 3. Спектр тока статора при частоте вращения 1466,6 об/мин

В табл.2 приведены результаты измерения частоты пазовых гармоник для других значений нагрузки испытуемого двигателя.

Результаты полученных скоростей движения ротора, а также погрешность оценки приведены в табл. 3.

263

Ремонт и динамика подвижного состава

Приведенный метод может использоваться для создания программного модуля наблюдения за скоростью вращения АД, который подходит для

264

ТРАНСВУЗ – 2015

применения в составе автоматизированной испытательной станции вспомогательных машин. Можно выделить его следующие преимущества:

1)датчики тока могут устанавливаться в любом месте на линии питания двигателя без потери силы сигнала;

2)безопасность применения. Так как нет физического контакта между токовым трансформатором и испытуемым двигателем, этот метод обеспечивает гальваническую развязку между ними;

3)отсутствие соединительных проводов, подходящих к двигателю, что исключает их порчу рабочим персоналом.

Кроме того, токовые трансформаторы часто уже установлены в системах управления, что позволяет использовать их для определения частоты вращения ротора двигателя без глубокой модернизации оборудования.

Список литературы

1.Электрические машины. Общее руководство по ремонту. Стандарт ОАО «РЖД» СТО РЖД 1.13.001-2006 [Текст]. – М, 2006. – 169 с.

2.Aiello, M. An induction motor speed measurement method based on current

harmonic analysis with the chirp-Z transform [Текст] / M. Aiello, A. Cataliotti. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, – Vol. 54, – pp. 1811 – 1819. 2005.

3. Rajashekara, K. Sensorless Control of AC Motor Drives [Текст] /

K.Rajashekara, A. Kamamura, K. Matsure. Piscataway, New Jersey, IEEE Press, 1996.

4.Aiello, M. A comparison of spectrum estimation techniques for periodic and nonstationary signals [Текст] / M. Aiello, A. Cataliotti, S. Nuccio. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, – pp. 1130 – 1134, 2001.

5.Hurst, K. D. A comparison of spectrum estimation techniques for sensorless speed detection in induction machines [Текст] / K.D. Hurst, T.G. Habetler. IEEE Transactions on Industrial Applications, –Vol. 33, – pp. 898 – 905, 1997.

6.Arabaci, H. An articial neural network approach for sensorless speed estimation via rotor slot harmonics [Текст] / H. Arabaci. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, – pp. 1076 – 1084, 2014.

265

Ремонт и динамика подвижного состава

7.Wei Zhou, Incipient bearing fault detection for electric machines using stator current noise cancellation [Текст] / Wei Zhou. A Dissertation Presented to The Academic Faculty, Georgia Institute of Technology, 2007.

8.Русов, В. А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам [Текст] / В. А. Русов. – Пермь, 2012. – 252 с.

УДК 620.179.12

Е. С. Чернова

МАШИНЫ И МЕХАНИЗМЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ДЕФЕКТОСКОПИИ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

Предметом исследования является дефектоскопия веществ и материалов механическим методом неразрушающего контроля с применением модернизированной конструкции электромагнитного ударного устройства. Цель работы заключается в увеличении скорости удара бойка, амплитуды сигнала измерительной катушки прибора, повышении его чувствительности и, как следствие, надежности эксперимента.

Контроль материалов и конструкций с применением машин и механизмов, основанных на ударе, можно отнести к группе механических методов неразрушающего контроля. Он позволяет определить наличие и точное месторасположение в материалах скрытых дефектов, полостей и пустот в зависимости от их структуры, плотности и прочности.

Механический удар – кратковременное механическое воздействие твердых тел при их столкновении между собой и сопутствующие этому процессу явления [1]. Это одна из наиболее мощных и часто встречающихся динамических нагрузок. Ее необходимо учитывать при применении ударных машин и механизмов в технологических целях, а также при защите сооружений, конструкций, изделий и приборов от ударных перегрузок.

При конструировании приборов, основанных на ударе, прежде всего, ставится задача увеличить скорости удара тел, использовать совместное воздействие поступательного и вращательного ударных импульсов, увеличить энергию и частоту ударов.

266

ТРАНСВУЗ – 2015

Повышение скорости удара – это не только увеличение амплитуды ударного импульса, но и повышение удельной энергии на единицу веса и уменьшение реакции отдачи при одной и той же энергии удара [2].

Скорость отскока бойка при ударе по контролируемому материалу зависит от многих факторов: плотности, однородности структуры или наличия в ней несплошностей, прочности и других свойств. Данный метод контроля позволяет определить наличие полостей и пустот в материалах, а также их местонахождение во внутренних слоях, что позволяет свидетельствовать о качестве изделия в целом. За время удара твердых тел в месте их контакта возникают упругие волны деформаций, которые отражаются от свободных поверхностей, оказывая влияние на величину скорости отскока бойка. Данный метод контроля является безвредным, охватывает значительную толщину исследуемого материала и позволяет контролировать широкий спектр изделий.

Разработанные конструкции ударных устройств, в числе которых устройство [3], содержащее корпус, размещенный в нем ударник со штоком; наконечник, взаимодействующий с ударником, выполненный в виде шарового сегмента, сферическая часть которого обращена к ударнику, а плоская предназначена для взаимодействия с испытуемым объектом; электромагнитный датчик скорости отскока ударника; соленоид, расположенный коаксиально ударнику и связанный через диод с источником переменного тока. Его значительный недостаток состоит в низкой производительности вследствие небольшой частоты ударов.

Разработанное устройство [4] снабжено ферромагнитным колпачком, жестко соединенным со штоком и постоянным магнитом электромагнитного датчика скорости, что повышает чувствительность за счет увеличения сигнала датчика скорости отскока ударника. Недостатком является малая амплитуда сигнала датчика и, как следствие, низкая чувствительность устройства.

В целях увеличения амплитуды сигнала измерительной катушки на порядок и более и в связи с этим повышения чувствительности, была разработана конструкция ударного устройства (рис. 1) с размещением дополнительного кольца магнита, закрепленного жестко на корпусе и расположенного между верхней частью ферромагнитного бойка и измерительной катушкой, подключенной к регистрирующему прибору.

267

Ремонт и динамика подвижного состава

Данная конструкция [5] содержит корпус 1, выполненный из неферромагнитного материала, в котором размещается ферромагнитный боек 2 со штоком 3, соленоид 4, закрепленный коаксиально бойку и связанный через диод 10 с источником переменного тока, возвратную пружину 5. На корпусе устройства жестко устанавливается кольцо магнита 6 между верхней частью ферромагнитного бойка и измерительной катушкой 7 с ферромагнитной головкой 8, содержащей постоянный магнит, связанной через пиковый детектор 11 с регистрирующим прибором 9. Испытуемый объект 12 имеет полость или дефект 13.

Рис. 1. Ударное устройство с измерительным кольцевым магнитом для определения дефектов:

1 – корпус; 2 – ферромагнитный боек; 3 – шток; 4 – соленоид; 5 – возвратная пружина; 6 – кольцо магнита; 7 – измерительная катушка;

8 – ферромагнитная головка; 9 – регистрирующий прибор; 10 – диод; 11 – пиковый детектор;

12 – испытуемый объект; 13 – полость или дефект

268

ТРАНСВУЗ – 2015

Действие устройства основано на том, что при подключении источника переменного тока включается соленоид, притягивающий ферромагнитный боек, что приводит к сжатию возвратной пружины. Соленоид выключается на половину периода переменного тока из-за диода. Боек ударяет по испытуемому материалу и отскакивает от него с определенной скоростью.

При отскоке бойка ферромагнитная головка измерительной катушки, соединенная с постоянным магнитом, совершает механический отрыв от неподвижного магнитопровода на некоторое расстояние. Сигнал при отрыве ферромагнитной головки поступает через пиковый детектор на регистрирующий прибор. Цикл повторяется. Кроме этого, сигнал в катушке значительно увеличивается за счет электромагнитного поля между ферромагнитным бойком и кольцом магнита.

Установка на неферромагнитном корпусе устройства дополнительного кольца магнита позволяет увеличить амплитуду сигнала измерительной катушки в несколько раз и повысить чувствительность прибора. Варианты размещения кольца магнита рассматривались в разных положениях на корпусе устройства, главным критерием выбора являлась величина сигнала измерительной катушки. Оптимальное положение показано на рис. 1, в таком варианте размещения амплитуда сигнала увеличилась в несколько раз.

Для увеличения сигнала измерительной катушки необходим разрыв по наибольшей площади ее магнитопровода при нулевом зазоре в момент отскока бойка от объекта, т.е. когда электромагнитная сила F максимальна, т.к. при этом имеем и наибольшую мощность P сигнала: Pmax = Fmax ∙ U. Это достигается, например, когда ферромагнитная головка разрывает магнитопровод измерительной катушки при минимальном зазоре.

Контроль веществ и материалов с использованием данной конструкции устройства позволяет решить задачу повышения чувствительности и увеличения амплитуды сигнала измерительной катушки на порядок и более.

В результате контроля получены зависимости изменения отношения средних значений напряжений при ударе по образцу с полостями от средних значений напряжений при ударе по сплошному образцу функции удельного веса испытуемых материалов. Тарировка сигнала проводилась сначала по

269