Диагностика базик

тивно поглощается свет той длины волны, которая соответствует переходу

атома в возбужденное состояние с основного нижнего энергетического уровня (так называемое резонансное поглощение).

Чтобы добиться атомно-резонансного поглощения, необходимо задать резонансное излучение, соответствующее спектру искомого элемента, и пропустить через него атомизированную пробу. Если измерить исходное излучение до прохождения пробы и после неё, то при наличии атомов ис- комого элемента в пробе первоначальное излучение уменьшится вследст- вие поглощения излучения данного элемента и в тем большей степени, чем больше его в пробе. По уменьшению интенсивности заданного излу- чения можно судить о количестве искомого элемента.

Для анализа масла данным методом (рис. 6.6) используется спектро- фотометр С-302. При работе этого прибора жидкая проба масла распыля- ется и поступает в пламя пропан – воздух, где атомизируется, а излучение определенной длины волны искомого элемента задается специальным из- лучателем прибора. Падение интенсивности излучения измеряется после прохождения пара пробы через пламя.

воздух

пропан

проба масла

Рис. 6.6. Схема абсорбционного метода

Чувствительность этого метода в 1000 раз выше рассмотренного ранее эмиссионного метода. С его помощью легко определить 1 атом из миллио- на и даже более других атомов пробы.

6.2. Состав картерного масла как диагностический показатель

Анализ проб масла из картера двигателя и отложений в масляном фильтре выполняется с целью определения количественного содержания не только для продуктов износа, но и примесей, попадающих в масло из- вне, а также элементов, входящих в паспортный состав масла.

81

По концентрации железа Fe, алюминия, Al, хрома Cr, свинца Pb, олова Su

идругих металлов можно судить о скорости изнашивания конкретных, со- держащих эти элементы, деталей двигателя. Например, по измерению кон- центрации железа в работавшем масле оценивают износ таких деталей, как гильзы цилиндров, поршневые кольца, шейки коленчатых валов. В табл. 6.2 приведены ориентировочные сведения, позволяющие соотнести концентра- цию элемента с изнашиваемым узлом. Более точные сведения могут быть получены только с учетом типа двигателя, его конструктивных особенностей

иусловий эксплуатации.

Продукты почвенной пыли (кварц, кальций, окислы алюминия и др.) ха- рактеризуют состояние воздушного тракта и фильтров, а также состояние и работу маслоочистителей. Например, плохая работа воздухоочистителя или нарушение герметичности воздушного тракта (подсос нефильтрован- ного воздуха) приводит к попаданию в цилиндр большого количества аб- разивных частиц, вследствие чего резко повышается износ деталей ци- линдропоршневой группы, а при смешивании частиц с маслом в воздуш- ном клапанном канале нарушается герметичность впускного клапана.

По изменению содержания элементов, входящих в состав присадок к маслу (барий, фосфор, молибден и др.), можно судить о работоспособно- сти масла и своевременно производить его замену. Появление в масле комплекса таких элементов, как натрий, бор, хром свидетельствует о по- падании в масло охлаждающей жидкости из-за потери герметичности сис- темы охлаждения.

Таблица 6.2

Диагностическая ценность состава картерного масла

82

6.3. Методика определения скорости изнашивания деталей двигателя

Как показывает опыт, при условии своевременной доливки масла концен- трация элементов износа в картерном масле зависит прежде всего от скоро- сти изнашивания деталей двигателя. После наработки (через 120–150 ч ра- боты) уровень концентрации стабилизируется и в условиях данного вида ра- бот может незначительно колебаться около некоторого уровня.

Справедливо сопоставить скорость износа деталей двигателя и ско- рость поступления продуктов износа в картерное масла, а, следовательно, и концентрацию этих элементов в пробе. Рассмотрим наиболее общие за-

кономерности изменения этих характеристик во времени на примере «жизненного цикла» двигателя, оценивая только один элемент – железо,

повышение концентрации которого связано с износом стальных и чугунных деталей двигателя (рис. 6.7).

Из рисунка следует, что, наблюдая за скоростью изменения концентра- ции железа в масле, можно вполне объективно прогнозировать приближе- ние отказа и своевременно предотвратить его. Некоторая сложность воз- никает в связи с тем, что масло в двигателе за весь его жизненный цикл меняется несколько десятков раз, а в период между заменами может до- ливаться из-за нормального или повышенного расхода «на угар». Замена и очистка фильтров масляной системы также изменяет текущую концен-

83

трацию элементов износа в картерном масле. Поэтому, методика расчета скорости концентрации продуктов износа должна учитывать и эти факты.

Количество железа GFe , мг поступившее в масло за период t , ч опре-

деляется уравнением

где g – скорость поступления железа в масло, мг/ч;

В любой момент времени существует баланс, устанавливаемый равен-

ством

держащееся в отложения фильтра, мг; GFeУ – железо, потерянное с израс-

ходованным (на угар) маслом, мг.

Перепишем это уравнение баланса, представив каждое слагаемое про-

изведением концентрации железа на количество масла

где K FeМ , KFeО , K FeУ – концентрации железа, соответственно в картерном масле, отложениях фильтра и израсходованном масле, мг/кг; Q – количе- ство масла, кг, поступившее в двигатель с учетом первой заправки и доли- вок за интервал времени t ; QМ , QО , QУ – количество, кг, соответственно

картерного масла, отложений фильтра, израсходованного на угар масла за время t .

Если период t приравнять к промежутку времени между сменами мас- ла и учесть количество очисток (замен) фильтра n и доливок m масла, то

скорость поступления железа в масло можно рассчитать из равенства

Наблюдая за динамикой изменения g , можно своевременно прогнозиро- вать чрезмерный износ деталей и оценивать текущее состояние двигателя.

84

7. ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВОЗА

Современные тепловозы имеют электрическую передачу мощности от источника энергии – дизеля – к колесным парам, где эта мощность реали- зуется в тягу. Тяговые электродвигатели (ТЭД) располагают непосредст- венно на колесных парах, образующих вместе с редуктором колесомотор- ный блок. В результате условия работы ТЭД во многом определяются ус- ловиями окружающей среды. Опыт локомотивных депо показывает, что в период с ноября по март, при низких температурах и высокой влажности окружающей среды, количество отказов ТЭД резко возрастает. Основной причиной отказов является нарушение изоляции. На Сахалинской желез- ной дороге из-за высокого уровня осадков в зимний период и близости

морского побережья тепловозы оснащаются гидравлической передачей мощности. Сегодня это единственная в нашей стране дорога, на которой эксплуатируются магистральные тепловозы с гидропередачей. В послед- ние годы намечено переоснащение Сахалинской железной дороги и, воз- можно, что в ближайшее время современные тепловозы с электропереда- чей заменят морально устаревшие тепловозы ТГ16. В табл. 7.1 приведены сведения о типах электрических машин магистральных тепловозов, рабо- тающих на железных дорогах нашей страны. Анализ приведенных данных показывает, что большинство ТЭД, в том числе и современных теплово- зов, являются машинами постоянного тока. Наличие коллекторного узла снижает надежность этих машин. Износ, неправильная установка щеток вызывают возникновения дуги – пробоя воздушного зазора между щеткой и коллектором. Этот процесс сопровождается выделением значительной энергии, которая частично расходуется на эрозию – перенос частиц веще- ства деталей коллекторного узла, а остальная часть выделяется в виде теплоты. Очевидно, что обе эти составляющие отрицательно сказываются на техническом состоянии машины. При развитом искрении дуга с одной коллекторной пластины может переброситься на соседние пластины. В этом случае возникает эффект «кругового огня».

Таблица 7.1

Электрические машин магистральных тепловозов

85

Схема, изображенная на рис. 7.1, дает представление о наиболее ти- пичных для эксплуатации дефектах ТЭД.

Дефекты ТЭД

Рис. 7.1. Распространенные дефекты ТЭД

Определению неисправностей электрических машин локомотивов в эксплуатации посвящено множество работ. Среди их авторов ученые же- лезнодорожных вузов страны Глущенко М.Д., Попов В.Н., Гиоев В.Г., Зе- ленчеко А.П. и многие другие. Вопросами исследования качества комму- тации занимаются ученые и нашего университета. В настоящей главе по-

собия будут рассмотрены основные методы оценки состояния изоляции обмоток электрических машин и качества коммутации в коллекторных уз- лах. Первоочередное внимание уделено методам, позволяющим выявить изменение технического состояния элементов на ранних стадиях разви- тия дефектов.

7.1. Физико-химические свойства изоляции и схемы ее замещения

Для понимания принципов контроля свойств изоляции в эксплуатации необходимы знания о природе процессов, протекающих в диэлектриках. Известно, что если к диэлектрику приложить высокое напряжение, то бу- дет наблюдаться его нагрев. При небольших напряжениях нагрев практи- чески незаметен. При переменном напряжении нагрев оказывается боль- шим по сравнению с постоянным. Очевидно, что часть электрической энергии при нагреве необратимо преобразуется в тепловую – расходуется на нагрев. Эту электрическую мощность (теряемую на нагрев) называют диэлектрическими потерями. На практике обычно определяют не величину диэлектрических потерь, а связанное с ней значение угла диэлектрических потерь δ или его тангенс ( tgδ ). Если бы в диэлектрике отсутствовали по-

тери, то вектор тока I , возникающего при приложении напряжения U , был бы всегда направлен под углом 90° к вектору U (рис. 7.2, а).

86

Рис. 7.2. Векторные диаграммы и схемы замещения: а – идеального диэлектрика;

б– диэлектрика с потерями

Вдействительности из-за потерь, приводящих к протеканию активного тока Iа , совпадающего по фазе с напряжением, угол между векторами I

иU будет всегда меньше 90° на величину δ . Из геометрических сообра- жений следует, что

и углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющих до 90° фазный угол ϕ (рис. 7.2, б). Как следует из вышесказанного, в случае с

идеальным диэлектриком его можно рассматривать как конденсатор. Схе- ма замещения такой изоляции показана на рис. 7.2, а. Индекс « ∞ » указы- вает на то, что активное сопротивление этого участка цепи бесконечно. Схемы замещения реальных диэлектриков (рис. 7.2, б) дополняют актив- ным сопротивлением R , включенным последовательно или параллельно с емкостью C . Мощность диэлектрических потерь и угол диэлектрических

потерь связаны равенством

где ω – круговая частота.

Природа диэлектрических потерь кроется в эффекте поляризации – изменении свойств вещества, при котором его элементарный объем при- обретает электрических момент. Возникновение электрического момента может происходить под действием электрического поля, механических на-

87

пряжений или самопроизвольно (спонтанно). Для целей настоящей главы интерес представляет первая причина поляризации. На рис. 7.3, а показа- на схема расположения зарядов молекул в отсутствие электрического по- ля. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают

(l = 0 ), а значит электрический момент M э = q × l такой молекулы будет равен нулю. В этом уравнении q – величина заряда. При приложении электрического поля с напряженностью E заряженные частицы сместятся: l > 0 и M э ¹ 0 .

метричное строение, центры тяжести положительных и отрицательных за- рядов совпадают. У диполей (полярных молекул) из-за асимметрии стро- ения центры тяжести разноименных зарядов не совпадают. Примером не- полярных диэлектриков, применяемых в качестве электроизоляционных ма- териалов, являются углеводородные масла, полиэтилен, полистирол и др. К полярным диэлектрикам относятся фенолформальдегидные смолы, кремнийорганические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Рис. 7.4. Диэлектрики: а – неполярные; б – полярные

Наличие диэлектрических потерь приводит к протеканию тока поляри- зации iабс (рис. 7.2, б), который принято называть абсорбционным. Этот термин происходит от слова «абсорбция» (латинское absorbeo погло-

88

щаю), которое в данном контексте означает поглощение, насыщение, впитывание материалом посторонних примесей, в первую очередь, влаги.

С точки зрения диагностики удобнее классифицировать поляризацию не по физическому признаку (дипольная, ионная и т. д.), а по временному признаку на быструю (порядка миллисекунд) и медленную (порядка не- скольких секунд и более). Протекание процесса поляризации во времени

можно описать уравнением

где t – время от момента приложения напряжения U; T – постоянная времени. Диэлектрические потери в изоляции могут изменяться в эксплуатации из-за ув- лажнения, появления микротрещин, проводящих примесей и т. п. При значи- тельном ухудшении свойств изоляции возникают так называемые «сквозные» каналы проводимости. Поэтому в схеме замещения диэлектрика (рис. 7.2, б) следует добавить третью ветвь с сопротивлением R, характеризующим прово- димость «сквозных» путей изоляции (рис. 7.5). Подводя итог вышесказанному

выделим составляющие тока в схеме замещения изоляции от приложенного «толчком» напряжения U: ток iс заряда емкости C∞ (импульсно); абсорбционный ток iабс; ток «сквозной» проводимости iпр.

7.2.1. Контроль изоляции по ее со-

противлению – наиболее доступный, Рис. 7.5. Обобщенная схема замещения легко реализуемый в условиях депо

изоляции

метод оценки состояния изоляции. Для контроля сопротивления применяются мегомметры. Принцип работы этих приборов (рис. 7.6) основан на измерении тока в измерительной цепи, состоящей из последовательно соединенных контролируемого сопротив-

89

ления (в нашем случае изоляции Rиз), подстроечного резистора и источни- ка тока с эдс E и сопротивлением Rg.

Шкала миллиамперметра градуиру- ется в величинах сопротивления (кОм,

МОм и т. д.). Для измерения больших сопротивлений (десятки, сотни и бо- лее МОм) источник эдс, как следует из (7.4) должен иметь высокое напря- жение для того, чтобы ток был различим миллиамперметром. В практике депо применяют мегомметры с напряжением постоянного тока от 500 В до 2500 В. Источником тока может быть маломощный генератор с ручным при- водом или преобразователь сетевого переменного тока.

Как отмечалось выше (рис. 7.5), ток в изоляции имеет несколько со- ставляющих, в том числе абсорбционную iабс, связанную с диэлектриче- скими потерями. Величина тока iабс изменяется во времени по экспоненци- альной зависимости (7.3). Поэтому диагностическим признаком является не только измеренное сопротивление изоляции (показания мегомметра), но и интервал времени от приложения U до момента считывания показа- ний по шкале прибора. Опытом установлено, что постоянная времени T в большинстве случаев меньше 1 мин. Это означает, что через промежуток времени около 1 мин после приложения напряжения U сопротивление изоляции R достигнет установившегося значения. Величина R определяет наличие сквозных проводящих путей в изоляции. Резкое падение R свиде- тельствует о значительном развитии дефекта. Обычно суждение об изо-

ляции составляется на основании сравнения с заводскими данными или результатами предыдущих измерений R. Предельно допустимое значение составляет 1…1,5 МОм.

Оценить степень влажности изоляции можно по характеру изменения показаний мегомметра или, иными словами, по величине постоянной вре- мени T. На рис. 7.7 в качестве примера показаны построенные с учетом уравнения (7.3) зависимости изменения сопротивления изоляции для раз- ных значений T.

90