Діагностування авіаційних електричних машин постійного струму в умовах експлуатації

розділ 2
Діагностичні моделі авіаційних машин
постійного струму з хвильовою обмоткою якоря
Багато технічних пропозицій, спрямованих на створення простих і дешевих засобів
оцінки технічного стану МПС, не мають достатньої теоретичної обґрунтованості,
носять емпіричний характер, а сфера їхнього зас­тосування обмежується окремими
типами МПС.
Створення систем діагностування й контролю МПС обов’язково повинне включати
синтез їх фізичних та математичних моделей, необхідних для подальшого вибору
контрольованих параметрів, та вибору або побудови діагностичних засобів.
Причому аналіз фізичних моделей МПС, який полягає у дослідженні процесів в
об’єкті діагностування, необхідно проводити з урахуванням аналізу його відмов.
Це дозволить створити якісну модель МПС.
Як показано у першому розділі, найінформативнішими є методи
контролю МПС, засновані на оцінці змінювання параметрів процесу комутації, але
вони потребують удосконалення. Створення ж нових таких методів, прийнятних для
умов експлуатації авіаційних МПС, вимагає додаткових досліджень особливостей
процесу комутації, які можна використати для підвищення ефективності
діагностування й контролю цих машин.
Однією з таких особливостей є залежність перехідного щіткового контактного
опору Rщ від значної кількості механічних факторів технічного стану ЩКВ
авіаційних МПС, з якими пов’язана більша частина відмов ЩКВ: Rщ = f (Pщ, Dh, d
, J, S ,Q, V, …) , де Pщ – тиск на щітку, Dh– висота виступання КП, d – биття
поверхні колектора, J– щільність струму,
S – площа контакту, Q– температура, V– лінійна швидкість. Тому при певних
умовах залежності Rщ = f (Pщ) , Rщ = f (Dh), Rщ = f (d ), Rщ = f (S ) , …,
доцільно використати для оцінки величин Pщ, Dh, d , S , ... .
Таку оцінку можна здійснити непрямим параметричним методом за характеристиками
струму у контурі комутації, до якого входить цей опір. Аналіз залежності опору
Rщ від факторів механічного стану ЩКВ і його впливу на струм у контурі
комутації проведено за умов, коли машини з хвильовою ОЯ мають повний комплект
щіток, що відповідає широкому класу авіаційних ЕМП і інших МПС малої і
середньої потужності.
Діагностична модель машини з хвильовою обмоткою якоря
2.1.1. Теоретичні передумови. Як відомо [35], статична вольт-амперна
характеристика щіткового ковзного контакту DU = f (J), показана на рис. 2.1, а,
має нелінійний характер.
У діапазоні малих щільностей струму J (для авіаційних щіток марки МГС до 8
А/см2) [35] функція DU = f (J) може бути з достатньою точністю лінеаризована.
Тоді опір R щ за умов Q =const, V=const можна розглядати як лінійний
перетворювач величин Рщ , Dh, d, S,… у струм, який протікає через щітковий
контакт. Залежність Rщ = f (Pщ) при цьому є найбільш суттєвою, оскільки биття і
пере­пад рівнів КП у межах пружності щіткових пружин спричиняють за законом
Гука [130] пропорційну зміну тиску
Рщ = kпр Dh , де kпр - коефіцієнт пружності пружини, Н/м , Dh – лінійне
переміщення щітки у радіальному напрямку.
Зміна тиску Pщ у щітковому контакті згідно з природою цього контакту викликає
деформацію контактної поверхні і як наслідок зміну площі контакту S , змінюючи
при цьому його електричний опір Rщ . Залежність опору Rщ = f (Pщ) має
нелінійний характер і може бути визначена за близь­кою до гіперболічної
залежністю DU = f (Р) [131], яка показана на рис. 2.1, б. Оскільки допуски на
биття для авіаційних МПС дуже жорсткі, то у їх межах залежність Rщ = f (Pщ) з
відомою похибкою можна лінеаризувати і представити обернено пропорційною
залежністю
,
де kр – коефіцієнт пропорціональності між тиском і опором, ОмЧкПа.
Оцінити зміну опору Rщ в машині з хвильовою ОЯ можна за прямо виміряним струмом
у спільному колі комутації, утвореному одночасно комутуючими секціями, двома
однойменними щітками і провідником, який їх з'єднує. В машині з петльовою ОЯ
така можливість відсутня, оскільки в ній немає прямого доступу до контуру
комутації. З огляду на цю особливість запропоновано новий комплексний
діагностичний параметр для оцінки технічного стану ЩКВ, а також частково ОЯ
машин з хвильовою ОЯ [5], який має прямий зв’язок із струмами комутуючих
секцій. Цим параметром є різниця струмів першої і1 і другої і2 однойменних
щіток Dі = (і1 – і2) / 2 , названа різницевим струмом, який при умові рівності
струмів у паралельних вітках ОЯ є величиною, еквівалентною у будь-який момент
часу алгебраїчній сумі миттєвих значень струмів комутуючих секцій і залежною
від щіткових опорів Rщ .
Вимірювання струму Dі доцільно виконувати у колі щіток позитивної полярності,
оскільки через особливості ерозійних процесів у перехідному контакті вони
зношуються інтенсивніше, ніж щітки негативної по­лярності [35, 87].
Визначення залежності Dі = f (Rщ) у машині з хвильовою ОЯ утруднене складною
топологією електричного кола комутації, яке є спільним для кількох одночасно
комутуючих секцій. Це видно з рис. 2.2, на якому показана розгортка простої
хвильової ОЯ машини з числом пар полюсів
р = 2, числом КП z та укороченим результуючим кроком у момент часу t = 0, коли
секції 1 і y +2 закорочені щітками позитивної полярності.
Рис. 2.2. Розгортка простої хвильової ОЯ при g = 1
Аналіз кола комутації проведений при щітковому перекритті , де bщ – ширина
щітки, bкп – ширина КП без врахування товщини ізоляції, та струмі якоря Ik =
ia1 + ia2 , де ia1, ia2 – струми паралельних віток ОЯ, які у загальному випадку
можуть не дорівнювати один одному.
При обертанні якоря за період комутації Тк топологія кола комутації періодично
змінюється (рис. 2.3) залежно від кількості комутуючих секцій і повторюється з
періодом , який дорівнює зрушенню колектора на ширину однієї КП bкп . Це
з