4.4 Измерение геометрических параметров коллекторов тяговых и вспомогательных электрических машин подвижного состава

Одним из основных факторов, влияющих на условия коммутации машин постоянного тока, является механическая устойчивость скользящего контакта. Устойчивость контакта определяется состоянием элементов коллекторно-щеточного узла (КЩУ), и в первую очередь профиля коллектора. Наличие неровностей на коллекторе приводит к возникновению радиальных колебаний щеток, вызывающих пульсацию контактного давления. В результате происходит изменение падения напряжения под щеткой, а, следовательно, и нарушение оптимальных условий коммутации, что вызывает искрение щеток, неравномерно распределенное по коллектору. Поэтому необходимо контролировать поверхность коллектора при производстве, эксплуатации и ремонте МПТ.

Для диагностирования состояния профиля коллектора наибольшее применение получил вихретоковый метод с использованием бесконтактного преобразователя измерения перемещений. Разработанный кафедрой «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа на основе данного метода профилометр ПКП позволяет производить оценку профиля коллектора в статических и динамических режимах. Датчиком прибора является дифференциальный вихретоковый параметрический преобразователь перемещений контролируемой поверхности, осуществляющий амплитудную модуляцию высокочастотного сигнала в функции расстояния между преобразователем и поверхностью.

В статическом режиме контроль состояния рабочей поверхности коллектора осуществляется по стрелочному индикатору, установленному на лицевой панели прибора. Чувствительность стрелочного индикатора выбирается переключателем «Множитель», имеющим четыре положения: 0,5; 1; 2; и 5.

В динамическом режиме к выходу прибора может подключаться электронный осциллограф, с помощью которого осуществляется оперативный контроль динамического состояния профиля коллектора.

В режиме «Биение» осуществляется автоматическое определение величины общего биения коллектора при его вращении. Контроль этой величины производится по стрелочному индикатору.

Регистрация профиля коллектора осуществляется цифровым накопителем, который осуществляет аналого-цифровое преобразование сигнала, запись полученной информации во встроенное оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) и передачу содержимого ОЗУ через СОМ порт в персональный компьютер для дальнейшей обработки и анализа результатов измерений.

Чувствительность измерительного канала 10 мВ/мкм  5%.

Диапазон измерения 0 – 400 мкм.

Установочный зазор 100 – 250 мкм.

Минимальная ширина коллекторных пластин на поверхности коллектора 3 мм.

Диапазон коллекторной частоты 0 – 20000 Гц.

Прибор сохраняет свои характеристики при температуре воздуха от +10⁰ С до +35⁰ С.

Время прогревания прибора после включения не менее 15 мин.

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В 10 %.

Потребляемая мощность не более 60 Вт.

Длина ВЧ кабеля вихретокового датчика 2 м.

Масса прибора не более 2 кг.

Габаритные размеры 300  200  100 мм.

Контроль профиля коллектора в статическом режиме производится по показаниям стрелочного индикатора, установленного на лицевой панели прибора. В динамическом режиме контроль ведется с помощью электронного осциллографа (ЭО), подключенного к выходу профилометра. При работе прибора в режиме «Биение» осуществляется автоматическое определение величины общего биения коллектора машины при его вращении.

Прибор ПКП-4М (рисунок 4.3) состоит из генератора высокочастотных колебаний 1, измерительного и компенсационного вихретокового преобразователя 2 и 3, детекторов 4 и 5, схемы линеаризации 6, дифференциального усилителя 7, блока определения биения коллектора 8, усилителя постоянного тока 9, цифрового регистратора 10, индикатора прибора 11. Блок определения биения коллектора 8 содержит сумматор 12, амплитудный вольтметр 13, линейный ключ 15, формирователь импульсов 14 и амплитудный вольтметр 16.

Генератор высокочастотных колебаний 1 вырабатывает сигнал частотой 4,7 мГц и амплитудой 3 В. Переменное напряжение высокой частоты с выхода генератора 1 подается на измерительный и компенсационные преобразователи 2 и 3. При вращении коллектора на выходе измерительного преобразователя 2 появляется амплитудно-модулированный сигнал. Преобразователь 3 предназначен для компенсации температурной погрешности измерительного преобразователя. Сигналы с преобразователя 2 и 3 поступают на детекторы 4 и 5, в которых выделяется их огибающая.

С выхода детекторов сигналы подаются на дифференциальный усилитель 7, на выходе которого вырабатывается сигнал, соответствующий профилю коллектора. Далее сигнал поступает на схему линеаризации 6, осуществляющую линеаризацию характеристики вихретокового преобразователя по принципу кусочно-линейной аппроксимации. Усилителем постоянного тока 9 осуществляется усиление сигнала по току и напряжению. На выходе усилителя 9 через переключатель S1 включен стрелочный индикатор 11 на 100 мкА для установки рабочего зазора измерительного датчика, калибровки прибора и для измерения профиля коллектора в статическом состоянии.

Сигнал с выхода усилителя 9 подается также на входы электронного осциллографа, с помощью которого производится контроль динамического состояния профиля коллектора, цифрового регистратора 10 и блока определения биения коллектора 8.

Рисунок 4.3 – Функциональная схема прибора

В режиме «Биение» индикаторный прибор 11 переключателем S1 присоединяется к выходу блока определения биения коллектора 8. Этот блок формирует прямоугольные импульсы, максимальная амплитуда которых соответствует величине общего биения коллектора, и измеряет эту величину амплитудным вольтметром 16. При этом управление линейным ключом 15 осуществляется формирователем 14, вырабатывающим стробирующие импульсы, совпадающие с плоской частью вершины импульса от коллекторной пластины, а приведение вершины импульса, соответствующего максимально выступающей коллекторной пластине, к нулевому уровню производится амплитудным вольтметром 13 и сумматором 12.

Бесконтактный вихретоковый датчик (рисунок 4.4) конструктивно состоит из неподвижной части 1, на которой закреплен микрометрический винт 2, и подвижной части 3, содержащей бесконтактные измерительные и компенсационные вихретоковые преобразователи. Плавное передвижение подвижной части относительно контролируемой поверхности осуществляется микрометрическим винтом. Каждый вихретоковый преобразователь параметрического типа, выполнен без магнитопровода и содержит измерительную катушку в виде восьмерки, размещенную на текстолитовом каркасе и подключенную к контактным точкам, к которым присоединяется коаксиальный кабель. Катушка измерительного преобразователя расположена над исследуемой поверхностью, причем плоскость измерительной обмотки параллельна поверхности пластин коллектора. Датчик соединен коаксиальным кабелем с прибором ПКП-4М.

Рисунок 4.4 – Вихретоковый датчик

Цифровой регистратор информации предназначен для преобразования входного однополярного напряжения в диапазоне от 0 до +5В в двоичный код с точностью 12 двоичных разрядов и максимальной частотой дискретизации 10кГц. Входное сопротивление не менее 500 кОм. Запуск АЦП осуществляется переходом из 0 в 1 сигналом ТТЛ уровня. Упрощенная структурная схема ЦР представлена на рисунке 4.5. Основу регистратора составляет однокристальная ЭВМ серии MCS-51, функции которой заключаются в следующем: ожидание управляющих команд оператора с панели управления; прием данных от АЦП и запись в ОЗУ; передача содержимого ОЗУ через СОМ порт в персональный компьютер (ПК) для дальнейшей обработки и анализа результатов измерений. В качестве АЦП используется ИС фирмы Analog Devices AD7896 с последовательным способом передачи цифровых данных, а для хранения информации – МС ОЗУ статического типа HY6264 объемом 8 КБ.

Рисунок 4.5 – Структурная схема цифрового регистратора