Автоматизированная установка магнитопорошкового контроля оси колесной пары

При работе с седлообразным НУ необходимо учитывать характер распределения магнитного поля вокруг его проводников, обусловленный особенностями его конструкции. В центре намагничивающего устройства в пространстве между проводниками катушки магнитное поле имеет большую нормальную составляющую, а необходимая для выявления дефектов тангенциальная составляющая практически отсутствует (рисунок 1.12 в). С двух меньших по отношению к проводникам катушки сторон магнитное поле содержит незначительную нормальную составляющую и достаточную для выявления дефектов тангенциальную составляющую. Учитывая сказанное выше, необходимо контролировать участки детали с внешних сторон от проводников катушки седлообразного НУ. Участок детали, находящийся под центральной частью между проводниками катушки седлообразного устройства, является неконтролируемой зоной (на этом участке дефекты могут не выявляться).

Дефектоскоп МД-13ПР предназначен для контроля средней части оси КП в сборе и при контроле бандажа «сухим» способом нанесения порошка ПЖВ5-160 и состоит из блоков управления и контроля, соединенных кабелем (рисунок 1.13). БУ выполнен в виде навесной конструкции и предназначен для подключения дефектоскопа к сети 220 В (50 Гц).

Рисунок 1.13 - Основные блоки дефектоскопа МД-13ПР:

1 - разъемный соленоид; 2 - блок управления; 3 - блок контроля.

На его лицевой панели имеются стрелочные приборы для контроля за напряжением сети и намагничивающим током, выключатели сети и ручного светильника на 12 В. БК расположен на тележке, перемещаемой по направляющим, и предназначен для преобразования напряжения сети в напряжение питания разъемного соленоида 3,5 В. Соленоид размещен на той же тележке. Подъемным устройством с рычажной подачей можно устанавливать его на нужную высоту при контроле средней части оси колесной пары. Максимальное значение намагничивающего тока составляет 1320 А, а напряженность магнитного поля в центре соленоида - 160 А/см. Диаметр рабочего отверстия соленоида - 240 мм. Дефектоскоп МД-13ПР может быть использован при контроле средней части оси «мокрым» способом, если блок контроля и проводники соленоида защищены от попадания на них суспензии.

Дефектоскоп МД-14ПКМ состоит из переносного блока управления и комплекта ручных намагничивающих устройств, включающего в себя два неразъемных соленоида с диаметром рабочих отверстий 200 и 270 мм и два разъемных (200 и 280 мм), электромагнит и гибкий силовой кабель, которые поставляются по требованию заказчика.

БУ обеспечивает питание неразъемных соленоидов и электромагнита переменным током с напряжением 42 В, питание разъемных соленоидов и гибкого кабеля переменным и импульсным током напряжением 4 В. На лицевой панели блока управления имеются потенциометр и стрелочный прибор, с помощью которых осуществляются соответственно регулирование и измерение намагничивающего тока. БУ обеспечивает автоматическое размагничивание.

Неразъемные соленоиды предназначены для контроля шеек осей колесных пар и других деталей, контролируемая часть которых имеет диаметр или поперечный размер соответственно не более 150 и 220 мм. Разъемные соленоиды предназначены для контроля средней части оси сформированной колесной пары.

Ручной электромагнит переменного тока имеет съемные полюсы шарнирного типа, что позволяет изменить расстояние между полюсами и контролировать детали сложных форм. Максимальное расстояние между полюсами - 200 мм.

Гибкий ручной кабель предназначен для циркулярного или полюсного намагничивания различных по форме деталей. Циркулярное намагничивание осуществляется пропусканием тока по кабелю, помещенному в центральное отверстие или полость в детали. Для полюсного намагничивания кабель складывается в витки, охватывающие контролируемую деталь. С помощью гибкого кабеля можно создать контур намагничивания, соответствующий по форме и размерам контролируемой детали.

Рисунок 1.14 - Устройство намагничивающее УНМ-300/2000:

а - блок питания; б - двухсекционный соленоид; в - электромагнит;

г - ручные электроконтакты с кабелями; д - гибкий кабель.

Переносной дефектоскоп УНМ 300/2000 позволяет работать в режиме автоматического размагничивания импульсным или переменным током с использованием кабелей, электроконтактов или соленоида, а также в режиме намагничивания одиночными импульсами тока при контроле способом остаточной намагниченности (СОН), непрерывно следующими импульсами тока с частотой 2 Гц при контроле способом приложенного поля (СПП) (рисунок 1.14).

Регулирование тока от нуля до максимального значения плавное. Система измерения тока с цифровым индикатором обеспечивает измерение с погрешностью не более 10 %.

Средняя потребляемая мощность в режиме импульсного намагничивания - не более 1 кВ·А. Потребляемая мощность в режиме намагничивания полем переменного тока - не более 2,2 кВ·А. Максимальный импульсный ток через электроконтакты - 1500 А. Частота следования импульсов - 2 Гц. Длительность процесса автоматического размагничивания - 45 с. Внешний вид дефектоскопа и НУ приведен на рисунке 1.14.

Механизированная установка типа Р 8617 для магнитопорошковой дефектоскопии вагонных колесных пар в сборе. Установки серии Р 8617 предназначены для контроля средней части оси и внутренних колец роликоподшипников, напрессованных на шейки оси, и выпускаются в нескольких модификациях, отличающихся комплектностью. Общий вид базовой модели установки серии Р 8617 приведен на рисунке 1.15.

В состав базовой модели установки Р 8617 входят электропривод для перемещения разъемного соленоида, пневмопривод для прижима контактных головок, устройство для вращения колесной пары с пневматическим сбрасывателем, устройство для циркуляции магнитной суспензии.

Действие установки основано на выявлении магнитных полей рассеяния, возникающих над трещинами в средней части оси и шейках в приложенном переменном магнитном поле, а в кольцах - после их импульсного комбинированного намагничивания по технологии СОН. Среднюю часть оси контролируют сухим порошком типа ПЖВ5-160 в магнитном поле, создаваемом дефектоскопами типа МД-13ПР. Некоторые депо контролируют среднюю часть оси КП дефектоскопом МД-12ПС, подвешенным на поворотной балке-укосине. Свободные шейки оси контролируют дефектоскопом МД-12ПШ в СПП магнитной суспензией. Напрессованные на шейки внутренние кольца подшипников намагничивают комбинированным способом импульсами тока разряда конденсаторной батареи одновременно через ось и соленоиды, охватывающие шейки оси, и дефектоскопируют по технологии СОН. Размагничивание шеек оси и напрессованных на них колец производится соленоидами с помощью катушек, используемых для создания продольного поля при импульсном намагничивании.

Дефектоскопная установка содержит основание с приводом, роликовой опорой и механизмами сбрасывания и отсечки, размагничивающий трансформатор, контактные головки, намагничивающе-размагничивающие устройства (НРУ), разъемный соленоид для средней части оси и пульт управления (рисунок 1.15).



Рисунок 1.15 - Общий вид базовой модели установки серии Р 8617:

1 - пульт управления; 2 - шкаф с электроаппаратурой; 3 - разъемный соленоид с тележкой для намагничивания средней части оси; 4 - шеечный соленоид для намагничивания и размагничивания шейки оси (при снятых внутренних кольцах); 5 - соленоиды для продольного намагничивания и размагничивания внутренних колец; 6 - контактные головки с пневматическим приводом для циркулярного намагничивания внутренних колец подшипников, напрессованных на шейки оси, пропусканием импульсного тока по оси; 7 - гибкий кабель.

Основание дефектоскопной установки представляет собой сварную конструкцию, на которой закреплены рельсы для перемещения колесной пары. На нем также смонтированы роликовая опора с приводом, обеспечивающая вращение КП. Механизм сбрасывания выполнен в виде пневматического цилиндра, связанного с рычагом с помощью зубчатой рейки и шестерни.

Механизм отсечки КП играет роль запирающего устройства для предотвращения самопроизвольного их накатывания на дефектоскопическую установку. Он смонтирован на раме и установлен на некотором расстоянии от роликовой опоры.

Размагничивающий трансформатор расположен ниже уровня пола в металлическом ящике, там же расположен рубильник для поочередного включения вторичной обмотки на соленоиды НРУ.

Пульт управления смонтирован рядом с роликовой опорой в месте, удобном для обслуживания. На верхней панели пульта расположены сигнальная лампа индикации напряжения сети, вольтметр для контроля заряда и разряда конденсаторной батареи, кнопка намагничивания и амперметр для контроля тока в первичной обмотке трансформатора, питающего МД-13ПР или МД-12ПС.

Контактные головки обеспечивают прохождение импульса тока по оси КП при намагничивании. При этом создается циркулярная составляющая магнитного поля.

Соленоиды НРУ представляют собой трехвитковые катушки из медной шины, изолированные полимерным компаундом. Каждый соленоид имеет две текстолитовые ручки, в одну из которых встроена кнопка, включающая магнитный пускатель, соединяющий катушку этого соленоида с вторичной обмоткой размагничивающего трансформатора. Намагничивание осуществляется импульсным током, а размагничивание - переменным током после соответствующего переключения обмоток.

Особенности работы на установке следующие. Перед дефектоскопированием контролируемые поверхности КП очищают от грязи, смазки, краски, пыли и т. д. Среднюю часть оси, кроме того, просушивают для лучшего движения магнитного порошка при контроле. Особое внимание при этом уделяют очистке галтелей до блеска напрессованных на шейки оси внутренних колец подшипников.

Среднюю часть оси дефектоскопируют по обычной технологии СПП. Зона контроля - не более 200 мм от края катушки соленоида.

Напрессованные внутренние кольца подшипников контролируют после импульсного намагничивания. Для этого на обе шейки надевают катушки НРУ1 и НРУ2, а к торцам шеек прикрепляют контактные головки КГ1 и КГ2. Затем нажатием кнопки К1 на пульте управления заряжают конденсаторную батарею БК до напряжения 280 В. После заряда батареи кнопку К1 отпускают, при этом тиристор Т открывается и импульс намагничивающего тока проходит через катушки НРУ и ось, намагничивая кольца подшипников. Разряд конденсаторной батареи контролируют по вольтметру: при полном разряде стрелка вольтметра показывает нуль.

Поиск и обнаружение трещин осуществляют после снятия с шеек оси катушек НРУ и контактных головок. Для этого приводят во вращение колесную пару (частота вращения - 6 об/мин), обильно поливают кольца подшипников и осматривают их. Особо тщательно выполняют осмотр бортов и галтелей внутренних колец.

Размагничивание шеек оси и напрессованных на них внутренних колец производится катушками НРУ, каждую из которых надевают на шейку, нажимают кнопку на ручке и после удаления катушки от торца шейки на расстояние 0,6 м ее отпускают.

Работоспособность установки проверяют по контрольному образцу КП, имеющей естественные или искусственные дефекты в средней части оси и во внутренних кольцах, напрессованных на одну из шеек оси.

Установки ТПС 9706 и УМДП-01. ТПС 9706 предназначена для контроля свободных внутренних и наружных колец диаметром от 100 до 400 мм и высотой до 132 мм буксовых подшипников колесных пар локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава (МВПС).

Рисунок 1.16 -Электрическая схема установки УМДП-01

УМДП-01 предназначена для контроля внутренних и наружных колец диаметром от 160 до 240 мм буксовых подшипников колесных пар вагонов. В установках используется комбинированное намагничивание импульсным током, одновременно протекающим по обмотке соленоида, охватывающего кольцо (полюсное продольное), и шинке, пропущенной по центру кольца (бесполюсное - циркулярное). Источник импульсов тока (амплитудой не менее 5 кА) - быстрый разряд батареи конденсаторов (рисунок 1.16). Способ дефектоскопирования - в остаточном магнитном поле. После намагничивания кольца обливают магнитной суспензией и осматривают, размагничивают их с помощью демагнитизатора с напряженностью магнитного поля не менее 18000 А/м путем воздействия на намагниченную деталь переменного магнитного поля с уменьшением амплитуды после каждого полупериода. Уменьшение поля обеспечивают вручную с помощью автотрансформатора. Установки оборудованы гидросистемами для полива детали суспензией. При необходимости с их помощью в депо проводят контроль упорных колец.

Устройство для контроля зубчатых колес и шестерен УМДЗ предназначено для намагничивания импульсным током венцов зубчатых колес и шестерен тяговых редукторов. В состав устройства входят блок питания и индукторы (рисунок 1.17).

Рисунок 1.17 - Устройство для контроля зубчатых колес и шестерен УМДЗ:

а - блок питания; б - индуктор для шестерен; в - индуктор для зубчатого колеса

Индуктор для венца зубчатого колеса обеспечивает одновременное намагничивание не менее 10 зубьев и межзубных впадин. Для намагничивания всех зубьев и впадин между ними индуктор следует перемещать по окружности зубчатого колеса не менее пяти раз, отмечая мелом впадины, в которые вставлялся крайний зуб индуктора. Индуктор шестерни охватывает все его зубья, что позволяет намагничивать всю шестерню одновременно.

Стенд СМК-11 для магнитопорошкового контроля деталей (рисунок 1.18) предназначен для контроля деталей длиной до 1200 мм и диаметром или максимальным размером поперечного сечения до 250 мм.

Конструкция стенда позволяет размещать на нем один или два одинаковых соленоида диаметром рабочего отверстия от 200 до 300 мм (например, дефектоскопы типа МД-12ПШ, МД-12ПЭ).

В состав стенда входит механизированное устройство, обеспечивающее перемешивание, подачу (циркуляцию), нанесение на контролируемые детали и сбор магнитной суспензии.

К вспомогательным средствам контроля относятся устройства для нанесения магнитных индикаторов на контролируемую поверхность деталей, устройства для осмотра контролируемой поверхности деталей, приборы и устройства для проверки режима намагничивания и степени размагничивания деталей, приборы и устройства для проверки выявляющей способности магнитных индикаторов.

Устройства для нанесения магнитных индикаторов должны обеспечивать равномерное распределение магнитных частиц на контролируемой поверхности деталей. Они изготовлены из немагнитных материалов (алюминий, медь, латунь, пластмасса и т. п.). Для нанесения магнитного порошка применяют распылители - емкости диаметром 40 - 50 мм, покрытые проволочной сеткой с ячейками размером от 0,5 до 1,0 мм. При нанесении магнитной суспензии вручную применяют фляжки, кружки, лейки, распылители, ванночки, поддоны для ее сбора. В состав дефектоскопов стационарного типа входят механизированные устройства, обеспечивающие перемешивание, подачу и сбор (циркуляцию) суспензии.

При осмотре деталей применяют переносные светильники, ультрафиолетовые облучатели (УФ-облучатели), изготовленные по ГОСТ 28369, а также различные оптические устройства (лупы, эндоскопы и др.).

Для проверки режимов намагничивания и степени размагничивания деталей применяют приборы для измерения напряженности магнитного поля МФ-107А, МФ-109, МФ-23И, ТП-2У.

Работоспособность (порог чувствительности) средств контроля проверяют с помощью СОП с искусственными дефектами. Допускается проверку работоспособности средств контроля проводить с помощью СОП с естественными дефектами (трещинами) при обеспечении выявляющей способности магнитных индикаторов и режима намагничивания деталей.

Рисунок 1.18 - Стенд СМК-11 с размещенными на нем двумя дефектоскопами МД-12ПШ:

1 - подставка для размещения блока питания дефектоскопов;

2 - стойки для установки соленоидов; 3 - устройство для перемешивания и подачи суспензии; 4 - рабочий стол с поддоном для сбора суспензии;

5 - поворотный стол для намагничивания деталей; 6 - опоры для установки контролируемых деталей; 7 - емкость для нанесения суспензии;

8 - емкость для сбора суспензии; 9 - контролируемая деталь

1.6 Анализ статистических данных

Во время преддипломной практики в вагоно - ремонтном депо ВЧД-21 города Ленинск - Кузнецкого, мною были собранны статистические данные по затратам времени на МПК оси колесной пары в течение трех недель четырьмя рабочими бригадами, которые вели работу посменно. МПК оси колесной пары проводился согласно РД. 32.159-2000. Контроль был разбит на следующие операции:

1) КП на позицию контроля подать;

2) Контролируемую поверхность очистить и осмотреть, переместить соленоид к ступице одного из колес;

3) Ось разметить на пять равных частей мелом по окружности (72?);

4) Магнитный индикатор нанести, включить соленоид и переместить к противоположной ступице, осмотр;

5) Поворот на 72?;

6) Магнитный индикатор нанести, включить соленоид и переместить к противоположной ступице, осмотр;

7) Поворот на 72?

8) Магнитный индикатор нанести, включить соленоид и переместить к противоположной ступице, осмотр;

9) Поворот на 72?

10) Магнитный индикатор нанести, включить соленоид и переместить к противоположной ступице, осмотр;

11) Поворот на 72?

12) Магнитный индикатор нанести, включить соленоид и переместить к противоположной ступице, осмотр;

13) Соленоид переместить к оси и выключить;

14) Суммарное время.

Затраты времени на каждую контролируемую среднюю часть оси «ручным» способом были сведены и представлены в таблице

По гистограммам затрат времени на контроль средней части оси колесной пары с учетом всех вспомогательных операций и без них наблюдаем значительную разницу по времени. Это зависит от следующих факторов:

1) От плановых и неплановых проверок. При проверке работники производят контроль в полном объеме, т.е. выполняются все операции технологического процесса, что приводит к значительному увеличению затрат времени и уменьшению объема проконтролированных деталей.

2) От качества очистки колесной пары. Детали, подвергавшиеся машинной мойке, дополнительно очищают вручную, если на подлежащей контролю поверхности остаются загрязнения. Выявленные дефекты при осмотре устраняют зачисткой вручную, что влияет на продолжительность контроля и приводит к дополнительным затратам времени.

3) От количества объектов контроля. При деповском ремонте дефектоскопирование колесных пар производится поточным методом. По плану, выдаваемому каждой смене, необходимо проконтролировать определенное количество колесных пар. Это количество (35 шт. в смену) несопоставимо с нормами времени (11,24 мин.) выделяемого на каждую операцию контроля, в результате чего происходит нарушение технологического процесса. Тем самым сокращаются затраты времени.

4) От личных и профессиональных факторов дефектоскопистов.

Сюда входят: уровень квалификации работников, профессиональная подготовка, ответственность за выполнение работы, добросовестное выполнение обязанностей или не качественное выполнение операции, от морального состояния человека.

5) От количества дефектоскопистов в смене. При наибольшем количестве работающих специалистов затраты времени сокращаются и увеличивается объем выполняемой работы.

6) От состояния здоровья и возраста рабочих. Необходимо учитывать особенности зрительных ощущений, восприятия, стаж работы. Молодые специалисты затрачивают больше времени на контроль, но при этом обладают большей бдительностью. В то же время человек, имеющий больший опыт работы, затрачивает меньше времени на идентичную операцию, но менее внимателен.

7) От состояния объекта контроля. При поступлении колесной пары на позицию контроля оценивается её техническое состояние. Следует сфокусировать внимание на то, какое количество времени колесная пара подвергалась эксплуатации. И в зависимости от выявленного состояния оценить объем работы. Примерные варианты оценки состояния объекта контроля и время, затрачиваемое на выявление дефектов:

а) колесная пара, прошедшая эксплуатационный срок в течение 1 года, время, затраченное на контроль, уменьшается;

б) колесная пара, прошедшая эксплуатационный срок в течение 7 лет, время, затраченное на контроль, возрастает;

в) колесная пара, прошедшая эксплуатационный срок в течение 12 лет, время, затраченное на контроль, намного больше, чем в пункте а и б.

8) От времени суток выполнения работы (дневная, ночная смена). Это зависит от физиологии человека. В дневное время человек бодрствует, а в ночное испытывает сонливость, притупляется восприятие происходящей ситуации.

9) От работоспособности в течение дня. Фазы рабочего времени делятся на следующие периоды:

а) период врабатывания;

б) период наивысшей производительности;

в) период приема пищи и отдыха;

г) период врабатывания (после обеда);

д) период наивысшей производительности;

е) утомление.

10) От магнитного индикатора. К этому фактору следует отнести: цвет индикатора для обеспечения контрастности порошка и контролируемой поверхности (серый, красный, черный, желтый, синий, зеленый, с люминесцентными частицами), от размеров частиц. Выбор цвета и размера частиц магнитного индикатора зависит от цвета и шероховатости объекта контроля, что позволяет получить более точный индикаторный рисунок. Чем больше шероховатость объекта, тем крупнее должны быть частицы магнитного индикатора и наоборот.

11) От освещенности помещения, в котором проводится контроль. От условий освещенности зависит восприятие глаз работника. Это влияет на остроту зрения, скорость различения, на контрастную чувствительность, аккомодацию глаза. При недостаточной освещенности работник может плохо различать не четкие индикаторные рисунки, тем самым на выявление дефекта затрачивается большее количество времени. При достаточном же освещении некоторые дефекты работник может выявить без особых усилий, что сократит затраты времени при контроле.

Проведена аппроксимация плотности распределения по представленным гистограммам в виде нормального закона распределения. Аппроксимация была сделана с помощью программы STATISTIKA 7

Вывод: проанализировав выше перечисленные факторы можно прийти к следующему выводу, что при неавтоматизированной системе контроля наблюдаются большие перепады по времени затрачиваемого на контроль. Разработка и внедрение в производственный процесс автоматизированной системы позволит свести к нулю влияние человеческого фактора. Данная автоматизированная система позволит наиболее тщательно с меньшими затратами времени контролировать детали и узлы подвижного состава.

Сравнивая затраты времени по гистограммам на весь цикл МПК средней части оси колесной пары (включая все вспомогательные операции) и «собственно» МПК (основные операции), можно прийти к выводу о целесообразности автоматизации МПК, если принять данные по второй гистограмме (рисунок 1.21 а) за исходные, а по первой как результат автоматизации (рисунок 1.21 б).



Рисунок 1.19 - Гистограммы затрат времени на магнитопорошковый контроль средней части оси колесной пары

Рисунок 1.20 - Гистограммы затрат времени на магнитопорошковый контроль средней части оси колесной пары (основные операции)

Рисунок 1.21 - Гистограммы затрат времени на магнитопорошковый контроль средней части оси колесной пары:

а - основные и вспомогательные операции; б - основные операции

2 Намагничивающее устройство

С технической точки зрения возможны два варианта исполнения намагничивающего устройства:

1) Седлообразный соленоид МД-12ПС. Для определения конфигурации магнитного поля седлообразного намагничивающего устройства и обоснования возможности его использования при магнитопорошковом контроле оси колёсной пары в свободном состоянии была создана математическая модель этого поля.

2) Приставное намагничивающее устройство.Произведен расчет приставного намагничивающего устройства.

2.1 Расчет составляющих напряженности магнитного поля седлообразного намагничивающего устройства

2.1.1 Исходные предпосылки

В основу расчета положен Закон Био-Савара-Лапласа [3]:

, (2.1)

где r - радиус-вектор анализируемой точки, м (рисунок 2.1);

dl - элемент проводника;

I - сила постоянного тока, А.

Рисунок 2.1 - К закону Био-Савара-Лапласа

Выражение (2.1) в скалярной форме:

, (2.2)

Для определения напряжённости поля, образованного проводником конечной длины, необходимо произвести суммирование по всей длине проводника. Рассмотрим случай кругового расположения проводника. Для проекций на декартовые оси координат вектора напряжённости (рисунок 2.2) справедливы следующие выражения:

, (2.3)

. (2.4)

Проекция на ось ординат равна нулю из-за симметрии кругового витка.

Рисунок 2.2 - Виток с током

Для нахождения напряжённости поля в точке А необходимо произвести интегрирование по всему витку проводника. Поэтому удобнее заменить переменную интегрирования на угол б в плоскости витка, при этом нижний предел интегрирования будет 0, а верхний 2р. Исходя из малости угла dг справедливо выражение:

, (2.5)

Так как точка А смещена относительно центральной оси на величину с, значения g, r, б, р являются функциями от угла интегрирования г. Для составления подынтегральной функции найдём эти зависимости.

Проекция радиус-вектора на плоскость витка выражается по теореме косинусов:

, (2.6)

где с - координата по оси х, м;

g(г) находим из условия соотношения сторон в прямоугольном треугольнике:

. (2.7)

Для нахождения угла б необходимо построить дополнительную плоскость, которой будут принадлежать отрезки z и ED, при этом ED всегда параллелен вектору тока. Из полученного построения вытекают следующие соотношения:

, (2.8)

, (2.9)

. (2.10)

После подстановки выражений (2.5), (2.7), (2.8), (2.9) в (2.3) и (2.4) и преобразований получаем выражение, описывающее распределение проекций вектора напряженности магнитного поля нитка с током:

, (2.11)

. (2.12)

Взять такие интегралы в аналитической форме сложно. Поэтому, подставив значения величин, характеризующих виток с током, интегрируем эти выражения посредством ЭВМ в заранее заданном интервале координат анализируемых точек поля. Результатом является распределение поля в заранее заданной области.

Стремление напряженности в бесконечность при приближении к витку, не соответствующее реальности, объясняется особенностью закона Био-Савара-Лапласа, где производится деление на квадрат радиус-вектора анализируемой точки. Если в расчетах учитывать отличие электромагнитных характеристик материала проводника и окружающей среды, то при приближении к витку напряженность будет стремиться к пограничному значению напряженности внутри проводника.

2.1.2 Математическая модель витка седлообразного намагничивающего устройства МД-12ПС

Для построения математической модели обмотка МД-12ПС была разбита на 4 участка, представляющих из себя полуокружности (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Разбиение обмотки МД-12ПС на участки

Расположение координатных осей представлено на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Расположение координатных осей при построении математической модели МД-12ПС

Проекция витка седлообразного намагничивающего устройства на ось Z

Проекция на ось Z больших полуокружностей:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

Проекция на ось Z малых полуокружностей:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

Проекция на ось Z витка седлообразной конфигурации:

(2.19)

Рисунок 2.5 - Проекция на ось Z витка седлообразной конфигурации

Проекция витка седлообразного намагничивающего устройства на ось Y

Проекция на ось Y больших полуокружностей:

(2.20)

(2.21)

(2.22)

Проекция на ось Y малых полуокружностей:

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Проекция на ось Y витка седлообразной конфигурации:

(2.26)

Рисунок 2.6 - Проекция на ось Y витка седлообразной конфигурации

2.1.3 Расчетные значения напряженности магнитного поля МД-12ПС

Обмотка МД-12ПС собрана в жгут квадратного сечения 36x36 мм. Диаметр провода 3,5 мм. Внутренний радиус больших полуокружностей 16,25 см. малых - 6 см. Соленоид содержит 100 витков. Конфигурация обмотки МД-12ПС представлена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - МД-12ПС без корпуса

Учитывая пространственное распределение витков седлообразного соленоида, из выражения (2.26) получаем формулу (2.27) для расчёта нормальной составляющей поля МД12-ПС (Hy).

(2.27)

Где R1 и R2 - радиусы больших и малых полуокружностей витка МД-12ПС соответственно:

Распределение нормальной составляющей магнитного поля МД-12ПС представлено в таблице 2.1. По результатам расчета построено распределение нормальной составляющей магнитного поля МД-12ПС (рисунок 2.8).

Таблица 2.1 - Распределение нормальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

z, см	Hy (Hn), А/м
	x, см
	0	5	10	15
1	2	3	4	5
20	189	-8	-430	-852
19	170	-85	-465	-990
18	145	-84	-491	-1156
17	113	-75	-502	-1356
16	73	-55	-491	-1599
15	25	-2	-442	-1892
14	-3	33	-339	-2242
13	-94	106	-158	-2641
12	-166	203	127	-3034
11	-244	324	544	-3213
10	-327	469	1108	-2430
9	-414	635	1818	481
8	-501	816	2647	5289
7	-586	1005	3541	11033
6	-667	1194	4429	16256
5	-741	1373	5246	18913
4	-804	1533	5939	19472
3	-857	1665	6481	19340
2	-895	1765	6864	19076
1	-919	1826	7090	18874
0	-927	1847	7164	18801
-1	-919	1826	7090	18874
-2	-895	1765	6864	19076
-3	-857	1665	6481	19340
-4	-804	1533	5939	19472
-5	-741	1373	5246	18913
-6	-667	1194	4429	16256
-7	-586	1005	3541	11033
-8	-501	816	2647	5289
-9	-414	635	1818	481
-10	-327	469	1108	-2430
-11	-244	324	544	-3213
-12	-166	203	127	-3034
-13	-94	106	-158	-2641
Окончание таблицы 2.1
1	2	3	4	5
-14	-3	33	-339	-2242
-15	25	-2	-442	-1892
16	73	-55	-491	-1599
-17	113	-75	-502	-1356
-18	145	-84	-491	-1156
-19	17	-85	-465	-990
-20	189	-8	-430	-852

Рисунок 2.8 - Распределение нормальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

Учитывая пространственное распределение витков седлообразного соленоида, из выражения (2.19) получаем формулу (2.28) для расчёта тангенциальной составляющей поля МД-12ПС (Hz).

 (2.28)

Где R1 и R2 - радиусы больших и малых полуокружностей витка МД-12ПС соответственно:

Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля МД-12ПС представлено в таблице 2.2. По результатам расчета построено распределение тангенциальной составляющей магнитного поля МД-12ПС (рисунок 2.9).

Таблица 2.2 - Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

z, см	Hz (Ht), А/м
	x, см
	0	5	10	15
1	2	3	4	5
20	1301	1300	1205	774
19	1404	1420	1360	889
18	1507	1547	1539	1036
17	1610	1678	1748	1227
16	1710	1813	1990	1481
15	1801	1946	2268	1831
14	1882	2073	2581	2327
13	1946	2187	2924	3054
12	1989	2281	3282	4154
11	2006	2347	3631	5866
10	1992	2375	3931	8430
9	1945	2358	4137	11206
8	1860	2289	4203	12826
7	1736	2164	4099	12814
Окончание таблицы 2.2
1	2	3	4	5
6	1575	1982	3819	10889
5	1377	1746	3380	7860
4	1145	1461	2817	5351
3	885	1134	2168	3528
2	603	774	1467	2148
1	305	393	739	1018
0	0	0	0	0
-1	-305	-393	-739	-1018
-2	-603	-774	-1467	-2148
-3	-885	-1134	-2168	-3528
-4	-1145	-1461	-2817	-5351
-5	-1377	-1746	-3380	-7860
-6	-1575	-1982	-3819	-10889
-7	-1736	-2164	-4099	-12814
-8	-1860	-2289	-4203	-12826
-9	-1945	-2358	-4137	-11206
-10	-1992	-2375	-3931	-8430
-11	-2006	-2347	-3631	-5866
-12	-1989	-2281	-3282	-4154
-13	-1946	-2187	-2924	-3054
-14	-1882	-2073	-2581	-2327
-15	-1801	-1946	-2268	-1831
-16	-1710	-1813	-1990	-1481
-17	-1610	-1678	-1748	-1227
-18	-1507	-1547	-1539	-1036
-19	-1404	-1420	-1360	-889
-20	-1301	-1300	-1205	-774



Рисунок 2.9 - Распределение тангенциальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

2.1.4 Экспериментальные значения напряженности магнитного поля

Для подтверждения достоверности математической модели было проведено измерение нормальной и тангенциальной составляющей поля МД-12ПС феррозондовым дефектоскопом Ф205.38 каждые 10 мм вдоль оси Z. Схема измерения представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Схема измерения нормальной и тангенциальной составляющих поля МД-12ПС

Экспериментальные значения нормальной и тангенциальной составляющих поля МД-12ПС представлены на рисунках 2.11 и 2.12 соответственно.

Рисунок 2.11 - Экспериментальные значения нормальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

Рисунок 2.12 - Экспериментальные значения тангенциальной составляющей магнитного поля МД-12ПС

2.1.5 Относительная погрешность математической модели

Относительная погрешность математической модели магнитного поля МД12-ПС представлена на рисунке 2.13.

Рисунок 2.13 - Относительная погрешность математической модели

Относительная погрешность нормальной и тангенциальной составляющей поля не превышает 13-15% в зоне контроля по обе стороны от МД-12ПС (100 мм). Отклонение экспериментальных значений от расчетных вызвано тем, что при создании математической модели рассматривалась только обмотка МД-12ПС, но не учитывались металлические вставки внутренних поверхностей корпуса, которые вызывают некоторое искажение магнитного поля. Но в зоне контроля теоретические значения магнитного поля близки к экспериментальным.

2.2 Расчет приставного намагничивающего устройства

2.2.1 Исходные предпосылки

В качестве намагничивающего устройства при магнитопорошковом контроле возможно применение приставного намагничивающего устройства, представляющего собой электромагнит в виде магнитопровода с намотанной на него катушкой. Магнитопровод и ось образуют магнитную цепь (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 - Приставное намагничивающее устройство

Магнитной цепью называют совокупность тел или сред, по которым замыкается магнитный поток.

Для любого участка магнитной цепи можно получить выражение, устанавливающее связь между магнитным потоком, магнитодвижущая сила (МДС), действующей в данной цепи, а также ее геометрическими размерами, пользуясь понятием магнитного потока и законом полного тока.

Пусть имеется цилиндрическая катушка с числом витков W, по которым протекает ток I. Выделив трубку магнитного потока, охватывающую все витки катушки, МДС вдоль ее контура можно определить по формуле (2.29)

(2.29)

В изотропной среде направление векторов B и H совпадает. Поэтому вектор H направлен по касательной к оси трубки и cos? =1.

(2.30)

В тоже время, элементарный магнитный поток, проходящий через сечение перпендикулярное оси трубки, и напряженность магнитного поля равны:

(2.31)

где магнитная проницаемость.

Подставив полученное выражение для напряженности в выражение (2.30) и с учетом того, что элементарный поток dФ вдоль трубки имеет постоянное значение, получим:

(2.32)

Если распространить приведенные рассуждения на весь магнитный поток катушки, то при условии, что размеры сечений магнитных трубок существенно меньше их длины, из выражения (2.32) получаем:

(2.33)

где величина Rm называется магнитным сопротивлением

(2.34)

В этом выражении ? - абсолютная магнитная проницаемость среды; l - длина средней линии, т.е. линии проходящей через центр поперечного сечения магнитопровода S. Магнитное сопротивление измеряется в [Гн-1]

Обычно для расчета магнитных цепей применяют закон полного тока. Если разбить магнитную цепь на участки так, чтобы в пределах каждого из них площадь поперечного сечения и магнитная среда были одинаковыми, то можно считать, что магнитный поток проходит по каждому участку вдоль его средней линии. При этом индукция в пределах каждого участка будет постоянной, следовательно, постоянной будет и напряженность магнитного поля. Тогда в левой части выражения (2.30) интеграл вдоль замкнутого контура, проходящего по средним линиям сечений всех участков магнитной цепи, можно представить суммой:

(2.35)

где p - число участков магнитной цепи длиной l, в пределах которых H=const;

n - число обмоток, охватываемых средней линией контура;

W - числом витков;

I - ток.

2.2.2 Расчет магнитной цепи

Расчет магнитной цепи (рисунок 2.14) производится при следующих начальных условиях:

1) разбиваем магнитопровод на 14 участков так, чтобы в пределах каждого из них площадь поперечного сечения и магнитная среда были одинаковыми.

2) напряженность магнитного поля на поверхности оси должна быть не менее 1500А/м. Поэтому принимаем напряженность магнитного поля на участках с максимальным диаметром (f-g и h-i) равной 1500А/м.

3) принимаем магнитопровод прямоугольного сечения 100х130 мм.

4) воздушные зазоры (c-d и k-l) принимаем равными 1 мм.

5) магнитные проницаемости ? осевой стали, магнитопровода и воздуха равны соответственно 300, 400 и 1.

Из выражения (2.34) находим магнитные сопротивления всех участков цепи. Значения магнитных сопротивлений приведены в таблице 2.3

Таблица 2.3 - Значения магнитных сопротивлений участков цепи

	Магнитопровод прямоугольного сечения	Воздушный зазор
Участок магнитной цепи	a-n	a-b	b-c	i-m	m-n	c-d	k-i
Длина, м	2,318	0,3	0,05	0,05	0,3	0,001	0,001
Диаметр, м						0,13	0,13
Магнитное сопротивление (Rm), Гн-1	371474	48077	8012,8	8012,8	48077	62785	62785
	Ось РУ1Ш
Участок магнитной цепи	d-e	e-f	f-g	g-h	h-i	i-j	j-k
Длина, м	0,19	0,076	0,25	1,184	0,25	0,076	0,19
Диаметр, м	0,13	0,165	0,194	0,172	0,194	0,165	0,13
Магнитное сопротивление (Rm), Гн-1	39764	9873,4	23494	141552	23494	9873,4	39764

Общее магнитное сопротивление цепи составляет 897037,6 Гн-1

Из выражения (2.31) находим магнитный поток на участке f-g

Из выражения (2.33) находим необходимое число витков при токе 1А

витков.

При токе в 6А необходимое число витков равно

витков.

2.3 Выбор намагничивающего устройства

Приставное намагничивающее устройство позволяет намагничивать всю ось и избавляет от необходимости сканирования. Но применение видеокамеры не позволяет рассматривать всю поверхность оси сразу, поэтому из рассмотренных вариантов намагничивания наиболее целесообразным является применение седлообразного соленоида МД12-ПС.

3 Разработка автоматизированной установки магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

3.1 Краткое описание технологии магнитопорошкового контроля[7]

3.1.1 Подготовительные операции:

1) подготовка дефектоскопа МД12-ПС, стенда для контроля и вспомогательного оборудования к работе;

2) проверка дефектоскопа МД12-ПС на стандартном образце ОСО-М-Г-110;

3) очистка шейки, предподступичной и средней части оси от грязи, ржавчины, смазки и других покрытий;

4) осмотр поверхности детали с целью выявления видимых дефектов;

5) зачистка глубоких рисок, задиров, забоин с обеспечением плавных переходов в соответствии с технологией ремонта.

3.1.2 Операции контроля

1) установка колесной пары на роликовые опоры;

2) установка дефектоскопа МД12-ПС над осью у торца, с сохранением зазора между осью и МД12-ПС не более 40 - 60мм;

3) включение МД12-ПС и нанесение суспензии на участок оси в пределах зоны достаточной намагниченности (зоны ДН) с внешней стороны МД12-ПС;

4) осмотреть поверхность оси в пределах зоны ДН после стекания суспензии в течение 5 - 10с;

5) медленное перемещение МД-12ПС вдоль оси со скоростью 5 - 8 см в секунду, одновременное нанесение суспензии перед МД12-ПС в пределах зоны ДН;

6) осмотр поверхности оси за движущимся МД1-2ПС с одновременным освещением поверхности контроля переносной лампой;

7) довод МД-12ПС до другого торца оси. Начальное и конечное положения СНУ относительно двух торцов оси должно быть симметричными. Прекрашение нанесения суспензии, выключение СНУ;

8) выполнение операций контроля п.п.2 - 7 поочередно еще два раза, при повороте оси (12010).

3.1.3 Размагничивание

1) установка МД1-2ПС над подступичной частью оси, включение намагничивающего тока;

2) плавный перевод соленоида к шейке оси на расстояние не менее 50см;

3) выключение намагничивающего тока;

4) установка СНУ над другой подступичной частью и повтор операции размагничивания по п.п.1 - 3.

3.2 Цели, задачи и исходные данные для создания установки

3.2.1 Ознакомление с существующей системой магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

Долгое время автоматизация процесса магнитопорошкового контроля была затруднена в связи с тем, что распознавание дефектов при этом виде неразрушающего контроля осуществляется визуально. Проведение основных и вспомогательных операций и переключение между ними осуществлялось вручную операторами, так как считалось, что эти операции автоматизировать нецелесообразно.

С развитием вычислительной техники и повышением надежности средств автоматизации стало возможным автоматизировать различные операции магнитопорошкового контроля (МПК) и вынести оператора из рабочего конвейера и зоны действия магнитных полей.

3.2.2 Цели и задачи, решаемые при создании автоматизированной установки магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов

В соответствии с заданием на дипломное проектирование необходимо разработать автоматизированную установку магнитопорошкового контроля осей колёсных пар вагонов.

Разработка установки включает следующие этапы:

1) определение исходных данных;

2) проектирование автоматизированной установки;

3) изготовление, монтаж и пусконаладка автоматизированной установки;

В данном дипломном проекте планируется осуществить проектирование и запуск отдельных узлов автоматизированной системы. При этом необходимо решить следующие задачи:

1) выбор программно-технического комплекса для реализации системы автоматизированного управления установкой;

2) разработка катковой станции;

3) разработка сканирующего устройства;

4) разработка системы подачи суспензии;

5) разработка видеосистемы.

3.3 Структура и функционирование разрабатываемой установки

Технические средства автоматизации выбираются таким образом, чтобы в рамках автоматизированной установки соблюдались такие принципы Государственной системы приборов (ГСП), как:

1) агрегатирование с учетом всех видов совместимостей;

2) минимизация номенклатуры;

3) реализация эстетических и эргономических требований с точки зрения рациональности.

Функционально систему автоматизации МПК можно разделить на пять основных систем (рисунок 3.1):

1) система управления установкой;

2) катковая станция;

3) система сканирования;

4) система подачи суспензии;

5) видеосистема.

Рисунок 3.1 - Структурная схема автоматизированной установки МПК оси колесной пары вагона

Схема разработанной автоматизированной установки магнитопорошкового контроля оси колёсной пары вагона представлена на рисунке 3.2.

Отличительными особенностями разработанной установки являются:

1) частичная автоматизация технологических процессов;

2) вынесение пульта оператора за пределы технологической линии;

3) создание комфортных условий труда.

Контроль производится мокрым способом. Сбор и подачу суспензии в зону контроля осуществляет система подачи суспензии 2. Намагничивание происходит при помощи седлообразного соленоида МД12-ПС 8, который имеет возможность перемещения вдоль объекта контроля (ОК). Также имеется возможность вращения ОК вокруг своей оси. Оператор, находящийся за пультом управления 1, распознаёт дефекты посредством видеокамеры 6.



Рисунок 3.2 - Схема автоматизированной установки магнитопорошкового контроля оси колёсной пары вагона:

1 - управляющее устройство; 2 - система подачи суспензии; 3 - блок питания седлообразного соленоида; 4 - привод вращения колесной пары; 5 - привод сканера; 6 - видеокамера; 7 - монитор; 8 - седлообразный соленоид МД12-ПС

Рисунок 3.3 - Общий вид автоматизированной установки магнитопорошкового контроля оси колёсной пары вагона:

1 - бак для сбора и подачи суспензии; 2 - привод перемещения сканера; 3 - седлообразный соленоид МД12-ПС; 4 - видеокамера; 5 - ось колесной пары вагона; 6 - роликовые опоры; 7 - емкость для сбора суспензии; 8 - привод вращения оси; 9 - рама; 10 - шкаф электрический; 11 - монитор; 12 - пульт оператора.

4 Конструкция катковой станции

4.1 Принцип работы катковой станции

Катковая станция предназначена для поворота оси колесной пары при проведении контроля. Конструкция катковой станции включает в себя следующие основные элементы: мотор - редуктор, цепная передача, один ведущий и три ведомых ролика, на которые укладывается контролируемая ось. Все это закреплено на металлической конструкции. Тип двигателя (мотора) - асинхронный трехфазный с короткозамкнутым ротором. Редуктор выбираем цилиндрический. Ведомые ролики выполнены из полиуретана, ведущий ролик - из стали 45.

Рисунок 4.1 - Катковая станция

При подаче трехфазного напряжения на приводной двигатель приводится в движение редуктор, на выходном валу которого закреплена звездочка цепной передачи, с помощью которой передается вращение приводной ролик. Последний приводит во вращение контролируемую ось.

По заданию скорость вращения оси должна быть равной 3-6 об/мин.

Двигатель АИР 71В6 РУ УЗ в номинальном режиме обеспечивает скорость вращения 1360 об/мин.

Расчет передаточного числа понижающего редуктора и его выбор

Общее передаточной число составляет:

i?=х/1360 (4.1)

где х - скорость вращения объекта контроля, об/мин;

1360 - номинальная скорость вращения асинхронного двигателя, об/мин.

С другой стороны, данное передаточное число формируется следующими звеньями кинематической цепи:

1) цилиндрический редуктор, сопряженный с асинхронным двигателем в единую конструкцию - мотор - редуктор.

i1=nвх.р/nдв (4.2)

где i1 - передаточное число данной ступени;

nвх.р - частота вращения выходного вала редуктора, экспериментально равно 30 об/мин;

nдв - частота вращения двигателя, 1360 об/мин.

2) Цепная передача - отношение зубьев звездочек.

i2=z2/z1 (4.3)

где i2 - передаточное число ступени цепной передачи;

z2 - число зубьев первой звездочки, 15;

z1 - число зубьев второй звездочки, 11.

3) ролик - ось.

i3=dp/do (4.4)

где i3 - передаточное число ступени ролик - ось,

dp- диаметр ролика,100 мм;

do - диметр оси колесной пары, 194 мм.

i?= i1 • i2 • i3, (4.5)

.

Получение необходимого диапазона скоростей вращения оси, равной 3 - 6 об/мин, может быть достигнута за счет уменьшения на привод катковой станции. В этом случае, рассчитываем номинальную скорость вращения асинхронного двигателя.

При скорости вращения оси равной 3 об/мин выражение выглядит следующим образом:

(4.6)

n1=238 об/мин.

При скорости вращения оси равной 6 об/мин выражение имеет вид:

(4.7)

n2=476 об/мин.



Рисунок 4.2 - кинематическая схема катковой станции

4.2 Назначение и принцип действия асинхронных машин

Асинхронные машины наиболее распространенные электрические машины[4]. В основном они используются как электродвигатели. В настоящее время асинхронные двигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

В асинхронной машине одну из обмоток размещают на статоре 1 (рисунок3.3 а), а вторую - на роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещают равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора АХ, BY и CZ соединяют по схеме Y или ? и подключают к сети трехфазного тока (рисунок 3.3 б). Обмотку ротора 4 выполняют трехфазной или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы ее в простейшем случае замыкают накоротко.

При питании обмотки статора трехфазным током создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого (синхронная).

n1=60f1/p. (4.8)

а б

Рисунок 4.3. - Принципиальная схема асинхронной машины:

а -электромагнитная схема асинхронной машины, б - направления токов и электромагнитного момента при ее в двигательном режиме

Если ротор неподвижен или частота его вращения меньше синхронной, то вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. На рисунке 3.3 а показано, согласно правилу правой руки, направление ЭДС, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф по часовой стрелке, при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки. Активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной ЭДС, поэтому условные обозначения (крестики и точки) показывают одновременно и направление активной составляющей тока.

Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением:

s=(n1-n2)/n1. (4.9)

По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Рассматриваемые двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь выполнением обмотки ротора.

Двигатели с короткозамкнутым ротором. На статоре (рисунок 4.4) расположена трехфазная обмотка, которая подключении к сети трехфазного тока создает вращающееся магнитное поле. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки, является короткозамкнутой и никаких выводов не имеет. «Беличья клетка» состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рисунок 4.5 а). Стержни этой обмотки вставляют в пазы сердечника ротора без какой-либо изоляции. В двигателях малой и средней мощности «беличью клетку» обычно получают путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора (рисунок 4.5 6). Вместе со стержнями «беличьей клетки» отливают короткозамыкающие кольца и торцовые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. Для этой цели особенно пригоден алюминий, обладающий малой плотностью, легкоплавкостью и достаточно высокой электропроводностью. В машинах большой мощности пазы короткозамкнутого ротора выполняют полузакрытыми, в машинах малой мощности - закрытыми. Обе формы паза позволяют хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивают потоки рассеяния и индуктивное сопротивление роторной обмотки.

Рисунок 4.4 - Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: 1 - корпус; 2 - сердечник статора; 3 - сердечник ротора; 4 - обмотка ротора «беличья клетка»; 5 - обмотка статора; 6 - вентиляционные лопатки ротора, 7 - подшипниковый щит; 8 - кожух вентилятора; 9 - вентилятор

В двигателях большой мощности «беличью клетку» выполняют из медных стержней, концы которых вваривают в короткозамыкающие кольца (рисунок 4.5 в). Различные формы пазов ротора показаны на рисунке 4.5 г.

В электрическом отношении «беличья клетка» представляет собой многофазную обмотку, соединенную по схеме Y и замкнутую накоротко. Число фаз обмотки m2 равно числу пазов ротора z2, причем в каждую фазу входят один стержень и прилегающие к нему участки короткозамыкающих колец.

Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают для того, чтобы уменьшить высшие гармонические ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, снизить шум, вызываемый магнитными причинами, устранить явление прилипания ротора к статору, которое иногда наблюдается в микродвигателях.

а б в г

Рисунок 4.5 - Конструкция короткозамкнутого ротора:

1 - сердечник ротора; 2 - стержни; З - лопасти вентилятора;

4 - короткозамыкаюшие кольца

4.3 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором[5]

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя [3]

n=n1(1-s) (4.10)

Способы регулирования скорости вращения асинхронных двигателей, можно подразделить на два класса:

1) регулирование скорости вращения первичного магнитного поля, что достигается либо регулированием первичной частоты f1, либо изменением числа пар полюсов p двигателя

n1= f1 /p (4.11)

2) регулирование скольжения двигателя s при n1= const.

В первом случае КПД двигателя остается высоким, а во втором случае КПД снижается тем больше, чем больше s, так как при этом мощность скольжения теряется во вторичной цепи двигателя.

Ps=s•Pэм (4.12)

где Pэм - электромагнитная мощность;

s - скольжение двигателя.

4.3.1 Регулирование скорости изменением первичной частоты

Регулирование скорости изменением первичной частоты (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения, ионные или полупроводниковые преобразователи частоты и др.). Поэтому данный способ регулирования используется главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (n > 3000 об/мин.) скорости вращения или одновременно и плавно их регулировать. С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если заменить явнополюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый преобразователь (рисунок 4.6). Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Напряжение регулируется с помощью выпрямителя.