Обеспечение качества при производстве и эксплуатации асинхронных рольганговых двигателей

Актуальность работы. Асинхронные двигатели (АД) мощностью до 100 кВт, выпускаемые в нашей стране, потребляют более 40% вырабатываемой электроэнергии. Поэтому исследования этих двигателей, к которым относятся двигатели общепромышленных серий, их модификации и специсполнения, в том числе и специальные рольганговые двигатели, продолжаются с целью улучшения их технико-экономических показателей.

Основными потребителями асинхронных рольганговых двигателей являются заводы металлургической промышленности, где они используются для индивидуального привода роликов транспортных и рабочих рольгангов и являются одним из ответственных звеньев в электроприводе металлургических предприятий.

В СССР асинхронные трехфазные рольганговые электродвигатели с короткозамкнутым ротором выпускаются ПО «Сибэлектромотор». Этими двигателями, в основном, обеспечивается потребность металлургической промышленности в индивидуальном приводе роликов рольгангов. Кроме того, рольганговые двигатели поставляются более чем в двадцать стран: в ЧССР, Болгарию, Польшу, Индию, Финляндию, Италию, Иран, Турцию и другие.

В настоящее время в металлургической промышленности нашей страны работает более 300 тысяч рольганговых двигателей серии АР и свыше 25 тысяч за рубежом.

Простои прокатных станов металлургических заводов приносят большие убытки, поэтому понятны требования эксплуатационников к надежности рольганговых двигателей, которая определяется конструкцией, качеством изготовления, а также правильностью их выбора и эксплуатации. Только с учетом указанных условий может быть решена комплексная задача повышения качества этих специальных двигателей для исключительно тяжелых условий работы.

В разработку конструкции, обоснование характеристик и теории асинхронных рольганговых электродвигателей и роликов рольгангов в СССР значительный вклад внесли Б. И. Кузнецов, Л.Л.Пантю-хов, Н. А. Тищенко, Т. Г. Амбарцумов, М. А. Сонькин, С. Н. Вешеневский, Н. Н. Дружинин, Г. Л. Химич, В. М. Мамкин, Н. В. Еремеев, А. Б. Верник и другие /41,100/. Следует отметить работы иностранных авторов: В. Каухера, Н. Виклера, Б. Юрковича, И. Гака, В. Эбершпрехера, Х. Грай-нера, В. Гелиаса, И. Хейдбредера и др. /120,122,128/.

Рольганговые электродвигатели выпускаются рядом зарубежных фирм: ВВС (Швейцария и ФРГ) — 1) егг>а.д) Ва иеъ, ¿-^(ФРГ) — Яе&апсе ?г^ес^пс, ]Ме 5>Л/? Л ¿-¿-¿-/¿-((Ж.) — ОЕТ (Италия) — ВТ — Н (Англия) — I ег^б (Франция) — (ГДР) — Я, а ¿-е г.

Югославия) — г*т (Польша) и другие.

Серия рольганговых электродвигателей АР спроектирована в 1956;1958гг. и выпускается уже в течение более 25 лет. Хотя эти двигатели по надежности и долговечности не уступают, а в большинстве даже превосходят двигатели последних моделей зарубежных фирм, однако по сравнению с машинами ряда передовых фирм, например, (ГДР), являются более тяжелыми, имеют большие высоты оси вращения при одних и тех же частотах вращения и начальных пусковых моментах. Двигатели серии АР имеют установочные размеры, отличающиеся от рекомендаций МЭК. Следует отметить, что у всех двигателей зарубежных фирм, кроме ВВС, установочные размеры также отличаются от рекомендаций МЭК.

В связи с этим спроектирована новая серия рольганговых двигателей 2АР, у которой масса двигателей уменьшена на 20−30%9 а основные установочные размеры соответствуют рекомендациям МЭК.

Если серия рольганговых двигателей АР была спроектирована на горячекатаных сталях, то при проектировании новой серии 2АР с целью снижения массы двигателей были применены холоднокатаные электротехнические стали, которые после термообработки и оксидации имеют меньшие удельные потери и большую магнитную проницаемость по сравнению с горячекатаными сталями I2II-I2I3 /30,31/. В связи с этим необходимо было рассмотреть вопросы обеспечения качества сердечников статоров.

Рольганговые электродвигатели являются в основном многополюсными и работают большими группами. Поэтому очень важно иметь стабильные, с малым рассеиванием показатели электродвигателей в части моментной характеристики, частоты вращения, токовых нагрузок и потерь. Для получения более стабильных показателей двигателей и увеличения их надежности принимается ряд конструктивных решений. Например, ротор делается длиннее статора на 3−5 ммв б, 7 и 8-ом габаритах в роторе вводятся специальные крайние листы для более прочного соединения клетки с короткозамыкающими кольцамисечение короткозамыкающих колец принимается таким, чтобы износ прессформы и некоторая неплотность металла в кольцах не влияли на показатели двигателей. Кроме того, для получения высоких и стабильных показателей необходим контроль качества изготовления сердечников статоров в серийном производстве.

Рольганговые электродвигатели, выпускаемые в СССР, предназначены для работы в различных режимах работы: с номинальной мощностью в продолжительном режиме и в режимах частых включений с различными инерционными и статическими нагрузками. Выбор электродвигателя зависит от режима работы. Сложные режимы проверяются по методике, приведенной в /108/. Хотя этот метод и отличается высокой точностью, однако он является трудоемким и требует большого числа исходных данных. Поэтому разработка новой методики выбора двигателей по динамической постоянной для двигателей, работающих в режимах частых включений по циклу: пуск, работа с установившейся частотой вращения, торможение с учетом статической нагрузки, значительно облегчила и ускорила бы выбор двигателей. Решение этого вопроса заключается в нахождении зависимости новой динамической постоянной от момента нагрузки.

Успешная работа асинхронных рольганговых двигателей определяется не только высокой надежностью конструкций, качественным изготовлением, но и правильным их выбором и применением. Решением проблемы качества при проектировании, изготовлении и эксплуатации ДД по единому плану занимаются в Томском политехническом институте совместно с ВНИПТИЭМ (г.Владимир), СКВ ПО «Сибэлектро-мотор» (г.Томск) и кафедрой ОЭА ТИСИ. На основании этого автору было поручено решить вопросы влияния технологии изготовления на потери в стали сердечников статоров АД и выбора этих двигателей, связанные с обеспечением и совершенствованием качества при изготовлении и эксплуатации.

Настоящая работа проведена по плану научно-исследовательских работ Томского политехнического института по программе САПР тема 07.01.18 «Научно-исследовательские работы по обеспечению перспективной серии электродвигателей 5А», выполняемых на основании приказа Минвуза РСФСР № 394 от 17 сентября 1976 г. и № 599 от 15 октября 1981 г. (номер государственной регистрации 76 086 162) и отраслевому плану Минэлектротехпрома по теме Д 02.7510 «Исследование магнитных свойств нелегированных электротехнических сталей в технологическом процессе производства АД и обоснование контроля свойств стали» (номер государственной регистрации 77 027 310). Она посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям потерь в стали сердечников статоров АД, стабилизации этих потерь при изготовлении, разработке методики выбора, которые позволяют дать рекомендации по повышению качества при изготовлении и эксплуатации ДЦ, что несомненно является актуальным.

Цель работы заключается в разработке математической модели технологического процесса изготовления сердечников статоров, обосновании допусков на их характеристики с учетом экономической целесообразности как при изготовлении, так и при эксплуатации, а также решении вопросов выбора асинхронных двигателей.

Методика исследования базируется на применении аналитических и экспериментальных методов. Для решения вопросов обеспечения качества изготовления асинхронных двигателей использовались методы теории вероятности, математической статистики, планирования эксперимента, матричного и регрессионного анализа. Расчеты выполнены на ЭШ серии ЕС с использованием численных методов интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах и серийно выпускаемых ДД серии 4А и АР.

Научная новизна работы представлена теоретическими и экспериментальными исследованиями, содержание которых отражено в следующих рассмотренных и решенных вопросах.

I. Разработана математическая модель технологического процесса изготовления сердечников статоров в матричной форме, на основе которой установлены границы регулирования для контроля электромагнитных характеристик сердечников статоров с учетом экономической эффективности использования АД.

2. Предложен новый метод тарирования фазных роторов, предназначенных для контроля качества сердечников статоров, позволяющий повысить точность определения потерь в стали.

3. Определено влияние электромагнитных переходных процессов на динамические постоянные и числа включений асинхронных рольганговых двигателей, позволившее оценить степень использования этих двигателей, работающих в повторно-кратковременных режимах.

4. Получена модель динамической постоянной для заданных продолжительности включения (ПВ), температуры окружающей среды и момента статической нагрузки, позволившая разработать новую методику выбора рольганговых двигателей, работающих в повторно-кратковременных режимах, по динамической постоянной с учетом статической нагрузки.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

I. Разработанная и внедренная в СКВ ПО «Сибэлектромотор» установка для определения качества сердечников статоров АД предназначена как для проведения контроля сердечников статоров в процессе серийного производства АД, так и для ускорения разработки новых образцов двигателей и технологии изготовления их сердечников статоров. Предложенный новый способ тарирования фазных роторов для этой установки позволяет с меньшей погрешностью определять потери в калиброванном роторе, что увеличивает точность определения потерь в стали сердечников статоров АД при проведении измерений.

2. Полученная математическая модель технологического процесса изготовления сердечников статоров позволяет количественно оценить влияние исходных свойств стали, конструкторско-техноло-гических параметров сердечника и станины. В результате проведенных исследований рекомендовано запрессовывать сердечники в нагретые станины, что снижает примерно на 5% среднее значение потерь в стали и уменьшает их поле рассеивания. Установленные с учетом условий эксплуатации переменные границы регулирования потерь в стали при контроле качества сердечников статоров позволяют улучшить экономичность изготовления и эксплуатации АД.

3. На основе полученной регрессионной модели динамической постоянной предложена методика выбора асинхронных рольганговых двигателей, позволяющая с меньшей трудоемкостью проводить проверку двигателей, работающих со статической нагрузкой, по динамической постоянной без снижения точности.

Реализация результатов работы. Разработанная установка для контроля качества сердечников статоров внедрена в СКВ объединения «Сибэлектромотор» и используется как для контроля качества сердечников статоров серийных АД, так и для ускорения разработки новых образцов двигателей и технологии изготовления их сердечников статоров, готовится ее внедрение в ПО «Сибэлектромотор» при производстве сердечников статоров высоконадежных двигателей. Техническая документация на изготовление установки передана в НИИ ПО «Кузбассэлектромотор» для контроля качества изготовления сердечников статоров специальных асинхронных двигателей с высотами оси вращения 160 и 180 мм. Методика выбора рольганговых электродвигателей по динамической постоянной с учетом статических моментов нагрузки и полученные результаты расчетов динамических постоянных при различных моментах сопротивления используются проектными организациями при проектировании электроприводов с рольганговыми электродвигателями во ВНИИЭЛЕКТРОПРИВОДЕ, в ТЯЖПРОМЭЛЕКТРОПРОЕКТЕ, УРШАШЗАВОДЕ и других проектных организациях.

Автор защищает:

— результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологического процесса изготовления сердечников статоров на показатели качества АД;

— новый метод тарирования фазных роторов;

— новую методику выбора рольганговых двигателей по динамической постоянной с учетом статической нагрузки и расчет этой динамической постоянной при изменении температуры окружающей среды.

Публикации .По результатам выполненных работ опубликованы I монография, 16 статей и получено авторское свидетельство.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре по «Применению изотропных электротехнических сталей в производстве электродвигателей» (г.Владимир, 1976 г.), на международной конференции «Исследование и разработка асинхронных двигателей» (г.Владимир, 1978 г.), на У Всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития производства низковольтных асинхронных двигателей» (г.Владимир, 1980 г.), на региональной научно-практической конференции «Молодые ученые и специалисты — народному хозяйству» (г.Томск, 1977 г.), научно-технической конференции выпускников и сотрудников ТИСИ, посвященной 60-летию Великой Октябрьской социалистической революции и 25-летию института (г.Томск, 1977 г.), научно-технической конференции Томского инженерно-строительного института, посвященной итогам работы института в X пятилетке (г.Томск, 1980 г.), научно-технической конференции «Электромашинные и машинно-вентильные источники импульсной мощности» (г.Томск, 1981 г.), семинарах кафедр «Электрические машины и аппараты» Томского политехнического института им. С. М. Кирова и «Общей электротехники и автоматики» Томского инженерно-строительного института (1977;1984гг.). Результаты исследований обсуждались на техническом совете СКВ ПО «Сибэлектромотор» (г.Томск, 1979 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и трех приложений. Работа изложена на 122 стр. машинописного текста, содержит 42 рисунка и 28 таблиц.

2. Результаты исследования технологического процесса показали, что опрессовка при давлениях в пределах от 3 до 30 МПа при заусенцах, не превышающих 0,05 мм, сборка и сварка сердечников, проточка по наружной поверхности не оказывают значимого влияния на потери в стали. Запрессовка сердечников в станину из чугуна увеличивает как потери в стали сердечников, так и рассеивание их значений. В результате проведенных исследований рекомендовано сердечники запрессовывать в нагретые станины, что позволяет снизить на 5% среднее значение потерь в стали и уменьшить их поле рассеивания.

3. Полученная математическая модель технологического процесса изготовления сердечников статоров в матричной форме позволяет количественно оценить влияние исходных свойств стали, кон-структорско-технологических параметров сердечника и станины на потери в стали сердечника, ток холостого хода, коэффициент мощности и может быть использована для назначения допусков при изготовлении сердечников. Разработанная методика определения норм для контроля электромагнитных характеристик сердечников на основе обеспечения показателей качества ДЦ с учетом экономической эффективности их использования позволила рассчитать допуски на потери в стали и ток намагничивания.

4. Проведенные исследования по оценке совместного влияния конструкторско-технологических параметров и эксплуатационных условий параллельно работающих двигателей показали, что наибольшее влияние оказывает технология изготовления, которая вызывает отклонение моментов до 23% и только б % приходится на условия эксплуатации. При выборе двигателей для транспортных роликов рольгангов, работающих группами на одну нагрузку, необходимо предусматривать запас по номинальной мощности 10%.

5. Разработанная усовершенствованная методика выбора рольганговых двигателей позволяет за счет введенных в методику уточнений, связанных с определением эквивалентных токов и времени торможения, выбирать двигатель на один типоразмер меньше.

6. Проведенные исследования показали, что динамические постоянные, определенные с учетом электромеханических переходных процессов, отличаются от рассчитанных по статическим характеристикам, а числа включений, определенные с учетом переходных процессов для небольших моментов инерции, на 6−13% больше чисел включения, рассчитанных по статическим характеристикам. Поэтому двигатели в электроприводах с небольшими моментами инерции, выбранные по статической характеристике, недоиспользуются, и для более полного использования их следует выбирать с учетом переходных процессов. С увеличением моментов инерции динамические постоянные, определенные в динамическом режиме, приближаются к статическим. Числа включений для моментов инерции, наиболее часто встречающихся в практике металлургических заводов, практически совпадают, и выбор двигателей можно проводить по статическим характеристикам, приведенным в данной работе.

7. Полученные зависимости для определения динамических постоянных с учетом статической нагрузки позволили методом планирования эксперимента получить модель динамической постоянной, которая позволяет быстро и с достаточной степенью точности определить эти значения при заданных ПВ, температуре окружающей среды и моменте статической нагрузки. Динамические постоянные для рольганговых двигателей рассчитаны и приведены в таблицах.

8. Предложена новая методика выбора рольганговых двигателей, работающих со статической нагрузкой, по динамическим постоянным, определенным с учетом моментов сопротивления. Сравнение предложенной и известной методики, основанной на определении средних эквивалентных потерь, показало, что при проектировании электроприводов новая методика позволяет с меньшей трудоемкостью и без снижения точности выбирать двигатели для заданных режимов работы. Погрешность расчета при этом составляет менее 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Спроектирована, изготовлена и внедрена промышленная установка для определения качества сердечников статоров АД, использующая калиброванный ротор, предназначена как для контроля сердечников статоров в процессе серийного производства АД, так и для ускорения разработки новых образцов двигателей и технологии изготовления их сердечников статоров. Предложенный способ тарирования фазных роторов защищен авторским свидетельством. Погрешность определения потерь в стали составляет 7%, при этом погрешность от неравномерности воздушного зазора не превосходит I %.