Мультипликативный волоконно-оптический датчик износа и температуры щеток электрических машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Кузнецов, Артём Анатольевич

• Кузнецов, Артём Анатольевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кузнецов, Артём Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ И НОРМАТИВНЫХ ССЫЛОК

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА И ТЕМПЕРАТУРЫ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1 Щетка электрической машины как объект контроля

1.2 Методы и средства контроля износа щеток электрических машин

1.2.1 Методы и средства контроля износа щеток электрических машин, основанные на использовании электрических датчиков

1.2.2. Методы и средства контроля износа щеток электрических машин, основанные на использовании волоконно-оптических технологий

1.3 Методы и средства контроля температуры щеток электрических машин

1.3.1 Бесконтактные методы и средства контроля температуры щеток электрических машин

1.3.2 Контактные методы и средства контроля температуры щеток электрических машин с использованием электрических датчиков

1.3.3 Контактные методыи средства контроля температуры щеток электрических машин с использованием волоконно-оптических световодов

1.4 Методы и средства одновременного контроля износа и температуры щеток электрических машин

1.5 Цель исследования и основные задачи, решаемые в диссертации

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИВОЛОКОННЫХ БРЭГГОВСКИХ СТРУКТУР В ЗАДАЧАХ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

2.1 ВБР с гауссовым профилем отражения

2.1.1 Исходные данные для построения модели

2.1.2 Математическая модель ВБР в задачах измерения износа щетки электрических машин

2.1.3 Исследование профиля спектра отражения ВБР при изменении

ее длины с использованием разработанной модели

2.1.4 Выводы по разделу

2.2 ВБР с фазовым к - сдвигом

2.2.1 Исходные данные для построения модели

2.2.2 Математическая модель ВБР с фазовым я-сдвигом в задачах измерения износа щеток электрических машин

2.2.3 Исследование профиля спектра отражения ВБР с фазовым я-сдвигом при изменении ее длины с использованием разработанной модели

2.2.4 Выводы по разделу

2.3 Внутриволоконный интерферометр Фабри-Перо с брэгговскими зеркалами

2.3.1 Исходные данные для построения модели

2.3.2 Математическая модель внутриволоконного ИФП в задачах измерения износа щеток электрических машин

2.3.3 Исследование профиля спектра отражения внутриволоконного

ИФП при изменении его длины с использованием разработанной модели

2.3.4 Выводы по разделу

2.4 Массив однотипных ВБР с гауссовым профилем отражения

2.4.1 Исходные данные для построения модели

2.4.2 Математическая модель массива однотипных ВБР в задачах измерения износа щеток электрических машин

2.4.3 Исследование профиля спектра отражения массива однотипных ВБР при изменении его длины с использованием разработанной модели

2.4.4 Выводы по разделу

2.5 Разработка структурных схем волоконно-оптических датчиков

контроля износа щеток электрических машин

2.6 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЩЕТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ВОЛОКОННО-ОШ^ШСКОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ

3.1 Математическое моделирование внутриволоконных брэгговских структур

в задачах измерения температуры щеток электрической машины

3.2 Структурная схема волоконно-оптического датчика для контроля температуры щеток электрических машин во время испытаний по ГОСТ

3.3 Структурная схема волоконно-оптического датчика для контроля температуры щеток электрических машин во время эксплуатации

3.3.1 Структурная схема размещения ВОД в щетке для контроля ее средней температуры

3.3.2 Структурная схема размещения ВОД в щетке для контроля ее средней температуры и нагрева в области заделки контактного провода

3.3.3 Структурная схема ВОД для контроля температуры щетки на основе массива из N ВБР

3.3.4 Выводы по разделу

3.4 Разработка методики минимизации количества используемых волоконных брэгговских структур для контроля температуры

щетки электрической машины

3.4.1 Тепловая модель ЩКУ

3.4.2 Алгоритм для минимизации количества используемых ВОД

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОСТРОЕНИЮ МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ КОНТРОЛЯ

ИЗНОСА И ТЕМПЕРАТУРЫ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

4.1 Методы и средства опроса мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин

4.2 Оценка погрешности метода одновременного измерения износа и температуры

4.3 Экспериментальное исследование мультипликативного волоконно-оптического датчика износа и температуры щеток электрических машин

4.3.1 Лабораторная установка

4.3.2 Методика проведения экспериментального исследования

4.3.3 Экспериментальное исследование

4.3.4 Выводы по разделу

4.4 Практические рекомендации по встраиванию МВОД в тело щетки

4.4.1 Конструкция щетки с размещенным в ней МВОД

4.4.2 Выбор оптических компонентов и клеевого состава

4.4.3 Выбор оптического волокна

4.4.4 Запись волоконных брэгговских структур

4.4.5 Выводы по разделу

4.5 Единая бортовая сеть мультиплексированных МВОД карьерного самовала «БЕЛАЗ. Общие вопросы построения сенсорных сетей

4.6 Перспективы дальнейших исследований

4.7 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ОБОЗНАЧЕНИЙ И НОРМАТИВНЫХ ССЫЛОК

ВБР - волоконная брэгговская решетка;

ВБС - волоконные брэгговские структуры;

ВОД - волоконно-оптический датчик;

ВОСС - волоконно-оптическм сенсорная система;

ВЧ - высокие частоты;

ИК - инфракрасный;

ИФП - интерферометр Фабри-Перо;

КПД - коэффициент полезного действия;

МВОД - мультипликативный волоконно-оптический датчик;

ММ - многомодовое волокно;

ОВ - оптическое волокно;

ОЛТ - оптический линейный терминал;

ОСТ - оптический сетевой терминал;

ОЭП - оптико-элек^онный преобразователь;

ПММА - полиметилметакрилат;

ПОВ - полимерное оптическое волокно;

ПОС - пассивная оптическая сеть;

1111 - показатель преломления;

ППФ - перестраиваемый полосовой фильтр;

ПС - полистирол;

РИП - регулируемый источник питания;

ТКС - температурный коэффициент сопротивления;

ТС - термосопротивление;

ТЭД - тяговый электродвигатель;

УВР - упорядоченная волноводная решетка;

ФД - фотодетектор;

ШЛД - широкополосный лазерный диод; ЩКУ - щеточно-коллекторный узел; ЭД - электродвигатель;

FSR - область дисперсии (от англ. - free spectral range); FTTS - технология «волокно до датчика» (от англ. - fiber to the sensor); FWHM - ширина профиля спектра отражения волоконной брэгговской решетки на полувысоте (от англ. - full width at half maximum);

SMF - одномодовое волокно (от англ. - single mode fiber); WSTDM - временное мультиплексирование со сканированием по длине волны (от англ. wavelength scanning time division multiplexing). WR — средняя линейная интенсивность износа; Дг - средний износ (уменьшение длины) щетки; hot ~ длина следа, оставленного щеткой на поверхности скольжения; Хв - брэгговская длина волны ВБР;

neff ~ эффективный показатель преломления основной моды сердцевины волокна для центральной длины волны ВБР; А - период ВБР;

n0 — средний показатель преломления сердцевины одномодового оптоволокна;

An - амплитуда наведенной модуляция показателя преломления брэгговской решетки;

ЯFBG-peak ~ величина коэффициента отражения ВБР на центральной длине волны отражения;

L - физическая длина ВБР; п - профиль показателя преломления ВБР;

Aáfwhm - ширина профиля спектра отражения ВБР на полувысоте;

В-Рвв ~ коэффициент отражения ВБР;

k — коэффициент связи падающей и отраженной волны;

^— относительная расстройка;

А(р - величина фазового сдвига ВБР;

коэффициент отражения ВБР с фазовым ж - сдвигом;

Ярх — мощность отраженного от ВБР с фазовым я; - сдвигом сигнала (интеграл функции профиля спектра отражения);

ДАгек - область дисперсии ИФП;

Ярр — спектр отражения внутриволоконного ИФП;

I - расстояние между ВБР;

Брр - мощность отраженного от ИФП сигнала (интеграл функции профиля спектра отражения);

АХРцгнм-рр ~ ширина одного узкополосного провала ИФП на полувысоте от макисмума;

— «спектральное затенение» линейного массива ВБР;

Сп(Л) - перекрестные искажения линейного массива ВБР;

¡{рвв-Ат ~ коэффициент отражения /-го ВБР в линейном массиве;

В-рвс-ая ~ результирующий коэффициент отражения линейного массива

ВБР;

АЛру^нм_рВС_АК - результирующая ширина спектральной характеристики линейного массива ВБР на полувысоте;

К-рвс-ляо ~ коэффициент отражения линейного массива ВБР на центральной длине волны;

Н - глубина расположения /-ой ВБР в теле щетки;

ДА - изменение брэгговской длины волны под воздействием температуры;

дА

— — температурное расширение материала оптического волокна;

дneff „

^ - изменение показателя преломления оптического волокна под действием температуры;

AT - изменение температуры; а - коэффициент термического расширения; £ - термооптический коэффициент;

^тС1Ъг ~брэгговская длина волны ВБР при калибровочном значении температуры;

Тм - измеряемая температура; Tdbr — калибровочная температура;

Яр5_р - брэгговская длина волны узкополосного пика в спектре ВБР с фазовым сдвигом;

ÄFP_P — брэгговская длина волны одного из узкополосных пиков в спектре

ИФП;

TA — температура в точке контакта щетка-коллектор (область А); TB, Tc — температура в областях В и С, соответственно; Pbr — потери на щетке, представляющие собой Джоулево тепло при протекании тока;

Pcont - потери в зоне контакта, обусловленные механическим трением при протекании тока;

Pcol - потери в меди пластин коллектора; Rbr - сопротивление щетки;

Pbr ~ удельное электрическое сопротивление материала щетки; lbr - длина щетки;

S - площадь поперечного сечения щетки;

Pfr - потери, вызванные трением в паре щетка-коллектор;

д - коэффициент трения щетки;

Rcont - переходное сопротивление контакта щетка-коллектор;

RCu - сопротивление медной пластины коллектора;

Xbh - удельная теплопроводность алюминия;

Рьп ~ удельное сопротивление алюминия;

Реи ~ удельное сопротивление меди;

■д - скорость вращения ротора;

I — ток коллектора;

Та/г - температура охлаждающего воздуха;

- теоретически рассчитанная мощность отраженного от ВБР сигнала;

Sj - мощность отраженного от ВБР излучения, как функция длины МВОД;

SFBG-meas — измеренная мощность отраженного от ВБР сигнала.

В диссертации использованы нормативные ссылки на:

1. ГОСТ 2582-2013 Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. Введен: 01.01.2015. Статус: действующий.

2. ГОСТ Р МЭК 773-96. Щетки электрических машин. Методы испытаний и средства измерений рабочих характеристик. Введен: 01.01.1998. Статус: действующий.

3. ГОСТ Р 51667-2000 Щетки электрических машин. Методы определения коллекторных характеристик. Введен: 30.06.2001. Статус: действующий.

4. ГОСТ 28243-96. Пирометры. Общие технические требования. Введен: 01.01.2004. Статус: действующий.

5. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и В Л. Введен: 01.02.2000. Статус: действующий.

6. ГОСТ Р 52157-2003 Щетки электрических машин. Общие технические условия. Введен: 30.06.2004. Статус: действующий.

7. РД 153-34.0-45.510-98 Типовая инструкция по эксплуатации и ремонту узла контактных колец и щеточного аппарата турбогенераторов мощностью 63 МВт и выше (с Изменением N 1). Введен: 01.07.2000. Статус: действующий.

8. ГОСТ 12232-89. Щетки электрических машин. Размеры и методы определения переходного электрического сопротивления между щеткой и токоведущим проводом и определения усилия вырывания токоведущего провода. Введен: 01.01.1990. Статус: действующий.

9. ГОСТ 6507-90. Микрометры. Технические условия. Введен: 01.01.1991. Статус: действующий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Мультипликативный волоконно-оптический датчик износа и температуры щеток электрических машин»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Волоконно-оптические измерения сегодня - это бурно развивающаяся отрасль, открывающая перед собой все новые горизонты, как по расширению сфер применения, так и по перечню измеряемых с помощью волоконно-оптических средств параметров. Освоено производство точечных волоконно-оптических датчиков температуры, давления, вибрации, деформации, в том числе и мультипликативных, чувствительными элементами которых являются волоконные брэгговские решетки или структуры на их основе. Основные достоинства волоконно-оптических датчиков по сравнению с традиционными электрическими это малые габариты и вес, невосприимчивость к электрическим и магнитным полям (т.к. чувствительный элемент является диэлектриком), простота исполнения (чаще всего чувствительный элемент является частью волоконно-оптического световода), возможность мультиплексирования большого количества волоконно-оптических датчиков и построения измерительных сетей на их основе.

Одна из новых областей применения волоконно-опттеских датчиков - мониторинг состояния электрических машин в частности, наибольший интерес представляют тяговые электродвигатели как машины предельного использования, среди которых популярны коллекторные электродвигатели постоянного тока, применяющиеся в 60% ассортимента продукции ОАО «БЕЛАЗ» (категория «карьерные самосвалы») и 40% парка локомотивов ОАО «РЖД». Основной процент их отказов приходится на якорь (34%) и на щеточно-коллекторный узел (30%), что связано не только с высокими механическими, температурными и электрическими нагрузками, но и с недостаточным контролем рабочих параметров этих узлов (в частности, температуры щетки и ее износа) в процессе эксплуатации.

Исследованиям волоконно-оптических сенсорных технологий посвящены труды российских ученых О.Б. Витрика, С.А. Бабина, С.А. Васильева, A.C. Кур-кова, И.О. Медведкова, О.В. Иванова, М.В. Дашкова и др., ведущих исследования в НЦВО РАН, ИРЭ РАН, ДВФУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, УГАТУ. Известны разработки зарубежных ученых, в том числе Е. Udd, I. Bennion, X. Dong, G. Gagliardi и других. Практические разработки фирм Micron Optics, FiberSensing, Инверсия -Сенсор, Нева Технолоджи и др. применяются для построения волоконно-оптических сенсорных сетей и систем различного назначения.

В работах указанных авторов и фирм широко описаны ВОД на основе ВБС в задачах измерения температуры, методы и средства их опроса (как с использованием спектрометрических, так и радиофотонных методов), однако до настоящего времени в теории ВОД для осуществления измерений не использовалась зависимость профиля спектра отражения от длины волоконной брэгговской решетки. Указанная зависимость может быть использована для построения волоконно-оптического датчика износа, а в совокупности с существующей теорией волоконно-оптических датчиков температуры - для создания мультипликативного датчика, позволяющего осуществлять одновременное измерение износа и температуры щетки электрической машины не только на этапе ее эксплуатации, но и при проектировании, изготовлении опытных образцов и их испытании по межгосударственным стандартам.

Другим немаловажным аспектом является усовершенствование систем для оперативного контроля комплексного состояния электрических машин (теплового режима работы его узлов и износа щеток как в текущий момент, так и прогнозирование, с использованием полученных за все время измерения данных). Существующие методы и средства позволяют оперировать лишь небольшим объемом информации с датчиков, что делает данные системы ограниченными по функциональности и мало точными. Расширение перечня контролируемых параметров, особенно в узлах электрических машин, работающих под высокими механическими, температурными и электрическими нагрузками позволит повысить надежность, безопасность и экономическую эффективность их эксплуатации.

Указанные обстоятельства определяют актуальность темы и научно-технической задачи исследования, а именно, разработки методов и средств для одновременного измерения нескольких параметров (износа и температуры щеток электрических машин), в основу которых положен мультипликативный характер отклика волоконных брэгговских структур.

Представляемая диссертационная работа посвящена решению этой проблемы. Тематика и содержание работы соответствуют планам научных исследований, являющихся составной частью работ в рамках Постановления Правительства РФ №218 от 09.04.2010 г., ряда Федеральных целевых и научно-технических программ, государственного задания и инициативных договоров, выполняемых кафедрой Радиофотоники и микроволновых технологий и НИИ Прикладной электродинамики, фотоники и живых систем КНИГУ--^АИ.

Цель диссертационной работы состоит в решении важной научно-технической задачи - улучшении метрологических и технико-экономических характеристик мультипликативных волоконно-оптических датчиков контроля температуры и износа щеток электрических машин на основе использования в них в качестве чувствительного элемента волоконных брэгговских структур.

Научная задача диссертации состоит в разработке методов анализа и принципов построения мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин, использующих в качестве чувствительного элемента волоконные брэгговские структуры, с учетом необходимости одновременного измерения износа и температуры щетки, как функции изменения физической длины выбранной структуры и ее брэгговской длины волны соответственно.

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

1. Сравнительный анализ характеристик существующих методов и средств контроля износа и температуры щеток электрических машин. Выявление путей улучшения их метрологических и технико-экономических характеристик, основанных на использовании в них мультипликативных волоконно-оптических датчиков,

чувствительными элементами которых являются волоконные брэгговские структуры.

2. Разработка математической модели процесса контроля износа щетки электрической машины по изменению длины встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Проведение численных экспериментов и построение характеристик измерительного преобразования «износ - длина брэгговской структуры». Разработка структурных схем волоконно-оптических датчиков контроля износа щеток электрических машин для решения различных ситуационных задач.

3. Разработка математической модели процесса контроля температуры щетки электрической машины по изменению брэгговской длины волны встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Проведение численных экспериментов и построение характеристик измерительного преобразования «температура - брэггов-ская длина волны». Разработка структурных схем волоконно-оптических датчиков контроля температуры щеток электрических машин для различных ситуационных задач и методик минимизации количества используемых в них волоконных брэг-говских структур

4. Разработка практических рекомендаций по построению мультипликативных волоконно-оптических датчиков контроля износа и температуры щеток электрических машин, включая вопросы их проектирования, разработки конструкции и изготовления, а также создания методов и средств для одновременной обработки информации об износе и температуре. Проведение экспериментальных исследований для подтверждения полученных теоретических результатов и разработка опытного образца щетки тягового электродвигателя мотор-колеса карьерного самосвала «БЕЛАЗ», с включением его в единую бортовую волоконно-оптическую сенсорную сеть. Внедрение результатов и определение перспектив исследований.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Выявлены пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин. Впервые предложено для их контроля использовать волоконные брэгговские структуры, позволяющие одновременно измерять

износ и температуру щетки, как функции изменения физической длины выбранной структуры и ее брэгговской длины волны соответственно.

2. Разработаны математические модели процесса контроля износа щетки электрической машины по изменению длины встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Получены результаты численных экспериментов и построены характеристики измерительного преобразования «износ - длина брэгговской структуры». На их основе разработаны структурные схемы волоконно-оптических датчиков контроля износа щеток электрических машин для решения различных ситуационных задач.

3. Разработаны математические модели процесса контроля температуры щетки электрической машины по изменению брэгговской длины волны встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Получены результаты численных экспериментов и построены характеристики измерительного преобразования «температура - брэгговская длина волны». На их основе разработаны структурные схемы волоконно-оптических датчиков контроля температуры щеток электрических машин для различных ситуационных задач. Предложены методики минимизации количества используемых в них волоконных брэгговских структур.

4. Разработаны способы обработки информации с мультипликативного волоконно-оптического датчика, с учетом необходимости одновременного контроля износа и температуры щеток электрических машин, основанные на методе сравнения мощностей. Предложена структурная схема единой бортовой волоконно-оптической сенсорной сети для контроля износа и температуры щеток тяговых электродвигателей мотор-колес карьерных самосвалов «БЕЛАЗ».

Практическая ценность работы заключается в разработке модельного ряда мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин, опытного образца щетки со встроенным волоконно-оптическим датчиком для тяговых электродвигателей мотор-колес карьерного самосвала «БЕЛАЗ», устройств для сбора и обработки информации с датчика. Разработанные датчики позволяют в 5 раз увеличить точность определения износа, в 1,2 раза -температуры.

Полученные технические решения подтверждены патентами РФ на изобретения и полезные модели.

Реализация результатов работы представлена в рамках выполнения НИР и НИОКР КНИТУ-КАИ, в частности в рамках работ по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 №218 (договор №9932/17/07-К-12), договору №102-ПТ и №157814970001 с ДООО «ИРЗ ТЭК», проектной части государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение НИР в КНИГУ-^Ш на 2014-2016 годы (программа «Радиофотоника», 3.1962.2014/К), а также в учебном процессе КНИТУ-КАИ по направлению «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы применялись методы решения задач математической физики, оптомеханики волоконных световодов и брэгговских структур, теории связанных мод. Методы моделирования температурных полей твердого тела с использованием метода электротепловой аналогии и метод сравнения мощностей для определения износа и температуры.

Обоснованность и достоверность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, а также с результатами экспериментального исследования созданных устройств; экспертизами ФИПС с признанием ряда технических решений изобретениями и полезными моделями, защищенными патентами РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты системного поиска путей и способ улучшения метрологических и технико-экономичес^х характеристик мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин, основанный на использовании в них в качестве чувствительного элемента волоконных брэгговских структур.

2. Математические модели, результаты численных экспериментов, измерительные характеристики для процесса контроля износа щетки и структурные схемы волоконно-оптических датчиков для решения различных ситуационных задач.

3. Математические модели, результаты численных экспериментов, измерительные характеристики для процесса контроля температуры щетки и структурные схемы волоконно-оптических датчиков для решения различных ситуационных задач.

4. Практические рекомендации по проектированию, результаты создания, экспериментальных испытаний и внедрения мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской 48-й научной студенческой конференции Россия. Культура. Наука, (г. Чебоксары, 2014г.), IX Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике (ИТЭЭ - 2014)» (г. Чебоксары, 2014г.), Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы (г. Казань, 2015 г.), XIII Международной научно-технической конференции Физика и технические приложения волновых процессов (г. Казань, 2015 г.), XVI Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» и XII Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» (г. Уфа, 2015 г.), молодежной научно-технической конференции «Прикладная электродинамика, фотоника и живые системы - 2016» (г. Казань, 2016 г.).

По материалам диссертации опубликованы 23 научные работы, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК по специальности 05.11.13, 5 статей, в изданиях, цитируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 3 патента РФ, 3 статьи в журналах, включенных в перечень ВАК по смежным специальностям, 9 работ в реферируемых трудах и сборниках докладов международных симпозиумов и конференций. Автор имеет 1 единоличную публикацию в журнале,

включенном в перечень ВАК по специальности 05.11.13, и четыре поданные заявки на патент РФ.

Содержание работы. Во введении дана общая характеристика диссертационной работы: актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, методы исследований, достоверность, реализация и внедрение полученных результатов, апробация и публикации, основные защищаемые положения. Приведены структура и краткое содержание диссертации.

Проведенный в первой главе сравнительный анализ характеристик существующих методов и средств контроля износа и температуры щеток электрических машин выявил пути улучшения их метрологических и технико-экономических характеристик, основанные на использовании мультипликативных волоконно-оптических датчиков износа и температуры щеток электрических машин. На основе нормативно-технической документации предъявлены требования к необходимой точности определения износа и температуры щетки.

Во второй главе разработаны модели процесса контроля износа щетки электрической машины по изменению длины встроенной в нее волоконной брэгговской структуры. Проведены численные эксперименты и построены характеристики измерительного преобразования «износ - длина брэгговской структуры» для различных внутриволоконных брэгговских структур. По результатам численного эксперимента предложены структурные схемы волоконно-оптических датчиков износа щеток электрических машин.

В третьей главе разработаны математические модели процесса контроля температуры щетки электрической машины по изменению брэгговской длины волны встроенной в нее волоконной брэгговской структуры, включая случаи их частичного износа. Проведены численные эксперименты и построены характеристики измерительного преобразования «температура -брэгговская длина волны» для различных внутриволоконных брэгговских структур. По результатам численного эксперимента предложены структурные схемы волоконно-оптических датчиков температуры щеток электрических машин.

В четвертой главе разработаны способы обработки информации с мультипликативного волоконно-оптического датчика, с учетом необходимости одновременного контроля износа и температуры щеток электрических машин, основанные на методе сравнения мощностей. Предложена структурная схема единой бортовой волоконно-оптической сенсорной сети для контроля износа и температуры щеток тяговых электродвигателей мотор-колес карьерных самосвалов «БЕЛАЗ».

В заключении приведены основные выводы по проделанной работе.

Автор выражает особую благодарность научному консультанту - профессору, доктору технических наук Морозову Олегу Геннадьевичу, коллективу кафедры Радиофотоники и микроволновых технологий и НИИ Прикладной электродинамики, фотоники и живых систем за неоценимую помощь при работе с диссертацией.

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА И ТЕМПЕРАТУРЫ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Среди электрических машин особое место занимают тяговые электродвигатель (ТЭД), представляющие собой электрическую машину большой мощности, предназначенную для приведения в движения транспортных средств (городского электрического транспорта, локомотивов поездов, карьерных самосвалов с электроприводом и т.п.), характеризующуюся высокими тяговыми и энергетические характеристики (КПД); регулируется ГОСТ 2582-2013[1].

Особый статут диктует высокие требования к надежности ТЭД диктуются, во-первых, требованиями безопасности эксплуатации транспортных средств (железнодорожного, наземного и подземного электротранспорта), где возникновение внештатной ситуации может привести к множественным человеческим жертвам, а во-вторых, высокими экономическим потерями в случае незапланированного простоя техники (суточный простой электровоза или карьерного самосвала оценивается убытком в несколько миллионов рублей).

Исторически развитие тягового привода началось с освоения ТЭД постоянного тока (скользящий контакт в них реализуется с помощью пары щетка-коллектор), и по сей день доля электровозов с ТЭД постоянного тока составляет значительную часть (более 40%) [2], а среди карьерных самосвалов производства компании «БЕЛАЗ» - более 60 % [3], что обусловлено их хорошими пусковыми свойствами, плавностью регулирования, а также устойчивостью к перегрузкам.

В отличие от обычных двигателей большой мощности, к ТЭД предъявляются особые требования по:

- конструкции - монтаж двигателя осуществляется в ограниченном объеме, что диктует необходимость максимального использования внутреннего объема машины, что в свою очередь приводит к более высокой рабочей температуре ее узлов по сравнению с электрическими машинами общепромышленного производства [4];

- условиям эксплуатации - ТЭД эксплуатируются в широких диапазонах рабочих температур и влажностей, в условиях сильной запыленности и вибраций [1];

- режимам работы и связанным с ними токовыми нагрузками - номинальный режим работы ТЭД - продолжительный то ГОСТ Р 52776[5]), однако это не исключает других режимов, подразумевающих изменение частоты вращения ротора и нагрузки по току в широких пределах (так, например, при трогании с места ток якоря может в 2 раза превышать номинальное значение).

Из-за тяжелых условий работы и жестких габаритных ограничений тяговые двигатели относят к машинам предельного использования [6-8]. Именно на них приходится основное число отказов среди прочего оборудования. Например, за 2014 год по электровозам с ТЭД постоянного тока серии 2ЭС6 приписки эксплуатационного депо Омск было составлено 707 актов -рекламаций по различным видам оборудования (см. рис. 1.1-1.2) [9]:

'■, жеканнческое У , оборудование: 130

Рис. 1.1 - Диаграмма распределения неисправностей по видам оборудования электровоза

2ЭС6 за 2014 год [9]

ЕрОоСЙ СЙМЮС^З Ы'р!

переем; элнгтутгчкт-тк со щщ ш|и

Пройеа КО и ЛП

1дм «иУДП

^^КТЪ ЛУТудУУГУ ГГ-Тр^ |Л1'ПР"-Г|Г1

:■ 'УГ'^Гф - ТУ Г ~|"ЧТ|~Г- -

Прогар ]

лрет^нле Етраверсе ]

Вши- гдттии ТТП7.ТШ-|^ТГ>]

и

О 5 10 15 20 23 ЗО 3& ¿О

Рис. 1.2 - Случаи неисправности ТЭД электровоза 2ЭС6 за 2014 год [9]

Из диаграмм видно, что большинство отказов связано с неисправностями ТЭД - пробоями обмоток (якоря, возбуждения, дополнительного полюса и т.п.), вызванными их перегревом, перебросами дуги по коллектору, вызванными нарушениями коммутационной устойчивости в щеточно-коллекторном узле (ЩКУ) и появлению искрения [9]. При искрении наблюдается кратковременное повышение температуры в контакте щетка-коллектор [10]. При продолжительном искрении коллекторные пластины и щетка значительно нагреваются. Однако возможна и обратная ситуация - чрезмерный нагрев щеточно-коллекторного узла (вызванный различными факторами) может привести к появлению искрения, что, в свою очередь, вызовет дальнейшее увеличение температуры ЩКУ.

Чрезмерный нагрев коллектора может быть вызван повышенной плотностью тока, проходящего через щеточный контакт. Такое случается, к примеру, когда обмотка высокого напряжения была изменена на обмотку низкого напряжения. Также

увеличение электрических потерь может быть связано с использованием щеток неправильной марки, что приводит к повышению переходного падения напряжения [11].

Неисправности подшипников могут также приводить к повышению температуры в зоне ЩКУ. К примеру, при заедании подшипников возникает короткое замыкание, когда статор подключен к сети, а ротор не вращается. При этом по обмотке якоря протекают недопустимо высокие токи. Это приводит не только к повышению температуры якорных обмоток, но и чрезмерному нагреву в зоне ЩКУ [12].

Факторы, влияющие на нагрев элементов ЩКУ электродвигателя, можно разделить на три группы: факторы электрической природы без учета искрения, факторы механической природы, а также факторы, обусловленные электродуговым искрением.

Исходя из закона Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяемое в проводнике, зависит от двух величин: силы тока и сопротивления проводника. Таким образом, рассматривая щетку и коллектор, как проводники, нагрев элементов ЩКУ будет зависеть от тока якоря, марки меди коллектора и марки графитовых щеток

[13].

Скользящий контакт нагревается также по причине механического трения

[14]. Во-первых, фактором, влияющим на интенсивность нагрева, является коэффициент трения. Это зависит, конечно же, от выбранных щеток и поверхности коллектора. Коэффициент трения будет зависеть от того, насколько качественно притерты щетки.

Нагрев при механическом трении возрастает при увеличении усилия - величины нажатия щетки, которое изменяется путем замены пружин на щеткодержателе [15]. При увеличении нажатия возрастает сила трения, что приводит к увеличению интенсивности нагрева.

Скорость скольжения также прямо пропорциональна интенсивности нагрева.

Другая особенность эксплуатации ТЭД коллекторного типа, снижающая его эксплуатационную надежность - естественный износ элементов ЩКУ, вызванный

наличием скользящего контакта в паре щетка-коллектор. В настоящее время, чаще всего, величина износа щеток контролируется визуально в ходе осмотра, однако конструктивные особенности и расположение ТЭД на транспортном средстве делают эту процедуру трудоемкой и времязатратной.

Исследования, проведенные в данной главе, позволили выявить недостатки существующих методов и средств для контроля основных параметров

1.1 Щетка электрической машины как объект контроля

Ранее было показано, что ЩКУ является одним из самых нагруженных элементов ТЭД, испытывающий одновременно следующие воздействия:

- механические: износ щетки в процессе эксплуатации, вибрация вследствие отскока от ламелей.

- температурные: в номинальном режиме работы - нагрев за счет протекания тока, при нарушении условий коммутаций в паре щетка-коллектор - нагрев за счет искрения и кругового огня,

- электрические: протекание больших токов, в том числе превышающих номинальное значение (пусковые токи).

Высокие требования к надежности оборудования при таком широком спектре воздействий требуют одновременного контроля нескольких параметров, основные из них это величина износа и температура щетки - параметров, в значительной мере отражающих общее состояние не только самой щетки, но и всего ЩКУ.

Средства измерений рабочих параметров щеток в ходе их испытаний регламентируются ГОСТ Р МЭК 773-96 [16], согласно которому износ щетки является важной рабочей характеристикой, на которую влияют электрические, механические и внешние факторы и определяется согласно выражению:

где ШЯ — средняя линейная интенсивность износа, Дг - средний износ (уменьшение длины) щетки (см. рис. 1.3), /Со£ - длина следа, оставленного щеткой на поверхности скольжения.

Скорость износа щетки (интенсивность износа) принято выражать в следующих единицах:

- мм/1000 ч (длина износа щетки на 1000 ч наработки);

- мм/мм (длина износа щетки на 1-106 м пути, пройденного щеткой по поверхности скольжения).

Износостойкость щетки обычно выражают в следующих единицах:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузнецов, Артём Анатольевич, 2016 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 2582-2013 Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия. - М.: Изд-во стандартов, 2013. - 12 с.

2. Основные направления маркетинговой и сбытовой деятельности ООО «Уральские локомотивы». Режим доступа: http://vunivere.ru/workl0551/page16, свободный (дата обращения 04.10.2016)

3. БЕЛАЗ. Каталог продукции. Режим доступа: http://www.belaz.by/catalog/products/dumptrucks/, свободный (дата обращения 04.10.2016).

4. Грищенко, А. В. Новые электрические машины локомотивов: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / А. В. Грищенко, Е. В. Козаченко. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 271 с.

5. ГОСТ Р 52776-2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики. - М: Изд-во стандартов, 2007. - 14с.

6. Предельное состояние. Большая энциклопедия нефти и газа. Режим доступа http://www.ngpedia.ru/id462500p1.html, свободный (дата обращения 04.10.2016)

7. Давыдов, Ю. А. Тяговые электрические машины: учебное пособие /Ю. А. Давыдов. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2006. - 116 с. : ил..

8. Давыдов, Ю. А. Тяговые электрические машины: учебное пособие /Ю. А. Давыдов, А. К. Пляскин. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2012. - 126 с. :ил..

9. Хлопцов, A.C. Совершенствование методики и средств диагностирования технического состояния коллекторно-щеточного узла машин постоянного тока:

дис. канд. техн. наук: 05.09.01: 2016 / Хлопцов Андрей Сергеевич. - Омск. - 2016. -154 с.

10. Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм. - М.: Иностранная литература, 1961.-464 с.

11. Вегнер, О. Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока / О. Г. Вегнер. - M.; JL: Госэнергоиздат, 1961. - 156 с.

12. Исмаилов, Ш. К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока: монография / Ш. К. Исмаилов. - Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2001. - 75 с.

13. Курбасов, А. С. и др. Проектирование тяговых электродвигателей / А. С. Курбасов, В. И. Седов, JI. Н. Сорин. - М.: Транспорт, 1987. - 535 с.

14. Авилов, В. Д. Особенности механических условий контактирования щетки на коллекторе в крупных машинах постоянного тока / В. Д. Авилов, В. В. Бублик // Коммутация в тяговых двигателях и других коллекторных машинах: Сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1985. - С. 47 - 53.

15. Авилов, В. Д. Исследование работы скользящего контакта в электрических машинах / В. Д. Авилов, В. В. Харламов, П. К. Шкодун // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 11.- С. 69.

16. ГОСТ Р МЭК 773-96. Щетки электрических машин. Методы испытаний и средства измерений рабочих характеристик. - М: Изд-во стандартов, 1996. - 21с.

17. ГОСТ Р 51667-2000 Щетки электрических машин. Методы определения коллекторных характеристик. - М: Изд-во стандартов, 2000. - 9с.

18. Темкин, И.В. Производство электроугольных изделий / И.В. Темкин. — М.: Высшая школа, 1975 г. - 232с.

19. A.c. 1809481 СССР, МПК5 HOIR 39/58. Устройство для контроля износа щетки / H.H. Павлуцкий; опубл. 15.04.1993, Бюл. №14

20. Патент США № US 4536670 A Electrical brushes with wear sensors / Leonard C. Mayer; опубл. 20.08.1985

21. Патент США №US 6933650 B2 Wear indicator / Yongfeng Wang; опубл. 23.08.2005.

22. Пат. 4884434 США, 73/7, G01 M 11/08. Датчик износа / Т. Сатакэ, Ё. Имада; опубл. 05.12.1989.

23. Патент США № US 6868711 B2 Method for monitoring mechanical wear / Giin-ter Ebi; опубл. 22.03.2005.

24. Щербатов, В. В. Моделирование теплового состояния тягового электродвигателя для прогнозирования ресурса / В.В. Щербатов, О.Л. Рапопорт, А.Б. Цукуб-лин II Известия ТПУ. - 2005. - №7 - С. 156 - 159.

25. ГОСТ 28243-96. Пирометры. Общие технические требования. - М: Изд-во стандартов, 1996. - 12с.

26. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. - М.: СПО ОРГРЭС, 2001. - 136с.

27. Патент США № US 20140009142 Al Apparatus for monitoring of brushes, in

particular slipring or commutator brushes, on electrical machines / Lieven Marie Karel Cauwenberghs; опубл. 09.01.2014.

28. Xu, Wei An optical temperature sensor based on the upconversion luminescence from Tm3+/Yb3+ codoped oxyfluoride glass ceramic / Wei Xu, Xiaoyang Gao, Longjiang Zheng // Sensors and Actuators B:Chemical. - 2012. - 173. - C.250-253.

29. Патент США № US 4703175 A Fiber-optic sensor with two different wavelengths of light traveling together through the sensor head / Michael M. Salour; опубл. 27.10.1987.

30. Pinet, Éric Temperature fiber-optic point sensors: Commercial technologies and

r

industrial application / Eric Pinet, Sébastien Ellyson, Frédéric Borne // MIDEM Conference 2010. - C. 31-43

31. Патент США № US 8571813 B2 Fiber optic sensor system for detecting surface wear / Robert T. Johnston; опубл. 16.03.2010

32. Варжель, C.B. Волоконные брэгговский решетки. Учебное пособие / Варжель C.B. - СПб: Университет ИТМО, 2015. - 65 с.

33. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos // Rev. Sci. Instrum. - 1997. - V. 68. -No 12. - C. 4309-4341

34. Kashyap, R. Fiber Bragg Gratings / R.Kashyap. - San Diego, CA: Academic Press. - 1999. - 478 c.

35. Васильев, С. А. Волоконные решетки показателя преломления и их применения / С. А. Васильев, О. И. Медведков, И. Г. Королев, А. С. Божков, А. С. Курков, Е. М. Дианов // Квантовая электроника. - 2005. - Т. 35, № 12. - С. 1085-1103

36. Srimannarayana, K. Fiber Bragg grating and long period grating sensor for simultaneous measurements and discrimination of strain and temperature effects / K. Srimannarayana et al. // Optica Applicata. - 2008. - Vol. XXXVIII, № 3. - P. 601-609.

37. Othonos, A. Fiber Bragg gratings / A. Othonos // Rev. Sci. Instrum. - 1997. - V. 68. - № 12.- C. 4309-4341.

38. Stepustchenko, O.A. Optical refractometric FBG biosensors: problems of development and decision courses / O.A. Stepustchenko et. al. //Proc. of SPIE. - 2011. - V. 7992. - P. 79920D.

39. Кузнецов, АЛ. Щетка как интеллектуальный узел электродвигателя / ОТ. Морозов, А А. Кузнецов, ИИ Нуреев и др. // Инженерный вестник Дона. - 2016. - № 1.- URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3525.

40. Алюшина, С.Г. Волоконные решетки Брэгга с фазированной структурой в распределенных информационно-измерительных системах / С.Г. Алюшина, О.Г. морозов и др. II Нелинейный мир. - 2011. - Т. 9, № 8. - С. 522-528.

41. Морозов, О.Г. Модуляционные методы измерений в оптических биосенсорах рефрактометрического типа на основе волоконных решеток Брэгга с фазовым сдвигом / О.Г. Морозов и др. // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2010. № 3. С. 3-13.

42. Садыков, И.Р. Волоконно-оптический рефрактометрический датчик / И.Р. Садыков, О.Г. Морозов и др. // Труды МАИ. 2012. № 61. С. 18.

43. Oliveira Silva S.F. de. Fiber Bragg grating based structures for sensing and filtering. - Porto University, 2007. - 157 c.

44. Морозов, О.Г. Вопросы применения концепции программно-определяемых сетей для систем внутрискважинной волоконно-оптической телеметрии / О.Г. Морозов, И.И. Нуреев и др. // Нелинейный мир. - 2014. - Т. 12, № 10. - С. 83-90.

45. Dong, X. Bend measurement with chirp of fiber Bragg grating / X. Dong // Smart materials and structures. - 2001. - V. 10. - C. 1111-1113.

46. Кузнецов, А.А. Комплексированный волоконно-оптический датчик износа и температуры трущихся поверхностей / А.А. Кузнецов // Научно-технический вестник Поволжья. - 2016. - №1 - С.45-48.

47. Нуреев, И.И. Моделирование спектральных характеристик фазированных волоконных решеток Брэгга как датчиков сенсорных систем // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1; URL: http://www.science-education.ru/121-19114

48. Liu, Y. Phase shifted fiber bragg grating transmission filters based on fabry-perot effect / Y. Liu, S.B. Lee, S.S. Choi // Journal of Optical Society of Korea. - 1998. -Vol.2, No1. - C. 30-33.

49. Yulianti, Ian Design of fiber Bragg grating-based Fabry-Perot sensor for simultaneous measurement of humidity and temperature / Ian Yulianti, Abu Sahmah M. Supa et. al. // Optik - Int. J. Light Electron Opt. - 2013. - C. 1562-1568.

50. Barmenkov, Yuri O. Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings / Yuri O. Barmenkov, Dobryna Zalvidea, Salvador Torres-Peiro, Jose L. Cruz // Optics Express. - 2006. - Vol. 14, No. 14. - P.6394-6399

51. Legoubin, S. Free spectral range variations of grating-based Fabry-Perot filters photowritten in optical fibers / S. Legoubin et. al. // J. Opt. Soc. Am. A. - 1995. - Vol. 12, No8. - C.1687-1695

52. Wang, Y. A quasi-distributed sensing network with time-division multiplexed fiber Bragg gratings // Wang Y., Gong J., Wang D. Y., Bi W., and Wang A. // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2002. - V. 23. № 1. - C. 7^77

53. Dai, Y. "A novel time-division multiplexing fiber Bragg grating sensor interrogator for structural health monitoring" / Y. Dai, Y. Liu, J. Leng, G. Deng, and A. Asundi

// Opt. Lasers Eng. - 2009. - vol. 47. - C. 1028-1033.

54. Henderson, P. J. "Highly-multiplexed grating-sensors for temperature-referenced quasi-static measurements of strain in concrete bridges" / P. J. Henderson, D. J. Webb,

D. A. Jackson, L. Zhang, and I. Bennion // Proc. OFS. - 1999. - vol. 3746. - C. 320323.

55. Koo, K. P. "Dense wavelength division multiplexing of fiber Bragg grating sensors using CDMA" / K. P. Koo, A. B. Tveten, and S. T. Vohra II Electron. Lett. - 1999.

- vol. 35. - C. 165-167.

56. Yu, Y. "Fiber-laser-based wavelengthdivision multiplexed fiber Bragg grating sensor system" / Y. Yu, L. Lui, H. Tam, and W. Chung // IEEE Photon. Technol. Lett.

- vol. 13, no. 7. - C. 702-704.

57. Rao, Y. J. "Combined spatial-and time-division-multiplexing scheme for fiber grating sensors with drift-compensated phase-sensitive detection" / Y. J. Rao, A. B. L. Ribeiro, D. A. Jackson rt. al. // Opt. Lett., vol. 20, pp. 2149-2151, 1995.

58. Zhang, P. "Optical time-domain reflectometry interrogation of multiplexing low-reflectance Bragg-grating-based sensor system" / Zhang, H. H. Cercedo-Nunez, B. Qi, G. Pickrell, and A.Wang // Opt. Eng. - 2003. - vol. 42. - C.1597-1565.

59. Chan, С. C. "Intrinsic crosstalk analysis of a serial TDM FBG sensor array by using a tunable laser" / С. C. Chan, W. Jin, D. J. Wang, and M. S. Demokan // in Proc. LEOS. - 2000. - vol. 36. - C. 2-A.

60. Cooper, D. J. F. "Time-division multiplexing of large serial fiber-optic Bragg grating sensor arrays" / D. J. F. Cooper, T. Coroy, and P. W. E. Smith // Appl.Opt. -2001. - vol. 40. - C. 2643-2654.

61. Wang, Y. "A quasi-distributed sensing network with time-division multiplexed fiber Bragg gratings" / Y. Wang, J. Gong, D. Y. Wang, W. Bi, and A. Wang // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2011. - vol. 23, no. 1. - C. 70-72.

62. Электрографитовые щетки ЕЗЗТ для тяговых электродвигателей карьерных самосвалов БЕЛАЗ. Режим доступа http://blagoveshchensk.dorus.ru/industry/equip-ment/elektrografitovye-shchetki-e33t-dlya-tyagovyh_10834498.html, свободный (дата обращения 04.10.2016)

63. Патент 150177 Российская Федерация, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении / Кузнецов A.A., Морозов О.Г., Нуреев И.И. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU). -опубл.: 10.02.2015.; Бюл. № 4.

64. Патент 2557577 Российская Федерация, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353. Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении / Кузнецов A.A., Морозов О.Г., Нуреев И.И. и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU). - № 2014126786/28; заявл. 01.07.2014, опубл.: 27.07.2015г.; Бюл. № 21.

65. Заявка на пат. 2016124956 Российская Федерация, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353 Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении (варианты) / Морозов О.Г., Нуреев И.И., A.A. Кузнецов и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU). - № 2016124956; заявл. 21.06.2016.

66. Заявка на пат. 2016124795 Российская Федерация, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353 Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении / Морозов О.Г., Нуреев И.И., A.A. Кузнецов и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU).

- № 2016124795; заявл. 21.06.2016.

67. Заявка на пат. 2016124796 Российская Федерация, МПК G01B 11/06, G01K 11/32, G01N 3/56, H01R 39/58, G01D 5/353 Устройство для измерения величины износа и температуры изделия при трении / Морозов О.Г., Нуреев И.И., A.A. Кузнецов и др.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (RU).

- № 2016124796; заявл. 21.06.2016.

68. Манохин, К.К. Применение тепловизионного контроля для оценки технического состояния тягового электродвигателя электроподвижного состава. - 2013. -6с.

69. Графитовые щетки и щеткодержатели, Каталог продукции. Режим до-cтyпa:http://www.meridianergo.rWindex.php5?configId=3&articleId=8&MenuId=aba ааЬааЬ, свободный (дата обращения 04.10.2016)

70. ГОСТ Р 52157-2003 Щетки электрических машин. Общие технические условия. - М:Изд-во стандартов, 2003. - 12с.

71. РД 153-34.0-45.510-98 Типовая инструкция по эксплуатации и ремонту узла контактных колец и щеточного аппарата турбогенераторов мощностью 63 МВт и выше (с Изменением N 1). - М.: СПО ОРГРЭС, 2000. - 120с.

72. ГОСТ 12232-89. Щетки электрических машин. Размеры и методы определения переходного электрического сопротивления между щеткой и токоведущим проводом и определения усилия вырывания токоведущего провода. - М: Изд-во стандартов, 1989. - 11с.

73. Чуйко, А. Д. Анализ влияния распределения плотности тока в коллекторной пластине на нагрев коллектора / А.Д. Чуйко, С.А. Христосенков, В.И. Петуров // Фундаментальные исследования. - 2015. - №4 - С. 163 - 168.

74. Дорохина, Е.С. Мониторинг теплового состояния асинхронных тяговых электродвигателей: дис. канд. техн. наук: 05.09.01: 2015 / Дорохина Екатерина Сергеевна. - Томск. - 2015. - 155 с.

75. Носков, В.И. Тепловая модель тягового двигателя тепловоза / В.И. носков II Вестник Национального технического университета Харьковский политехнический институт. Серия: Информатика и моделирование. - 2012. - №62 (968). -С.142-148.

76. Сугралимов Ю. С., Хлопцов А. С. Тепловые процессы в машинах постоянного тока // Молодой ученый. — 2014. — №7. — С. 179-182.

77. ГОСТ Р 52776-2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики. - М: Изд-во стандартов, 2007. - 14с.

78. Лившиц, П.С. Скользящий контакт электрических машин / П. С. Лившиц // - М. Энергия, 1974. - 321 с.

79. Пуйло, Г. В. Тепловой расчет однофазных коллекторных двигателей при кратковременном и повторно-кратковременном режимах работы / Г. В. Пуйло, С. Н. Пирковский. // Электромашиностроение и электрооборудование. - 2000. - № 54. - С. 99- 103.

80. Филлипов, И. Ф. Основы теплообмена в электрических машинах [Текст] / И. Ф. Филлипов - Л.: Энергия, 1974. - 312 с.

81. Сипайлов, Г. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах / Г. А. Сипайлов, Д. И. Санников, В. А. Жадан. - М.: Высшая школа, 1989. - 239 с.

82. Крейт, Ф. Основы теплопередачи / Ф. Крейт, У. Блэк // Пер. с англ. М.: Физма-тгиз. 1959. - 356 с.

83. Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм. - М.: Иностранная литература, 1961.-464 с.

84. Лепеш, Г. В. Имитационное моделирование процесса высокоскоростного трения и изнашивания / Г. В. Лепеш // ТТПС . 2013. №3 (25) - С.35 - 42.

85. Лепеш Г. В. Исследование математической модели процесса высокоско-рост-ного трения и изнашивания / Г. В. Лепеш, А. Г. Лепеш // ТТПС, 2015. - №2 (32). - С.60- 66.

86. Боуден, Ф. П. Трение и смазка / Ф. П. Боуден, Д. Тейдор. - Машгиз, I960. -256 с.

87. Brunt, Van. Carbon-brush contact films / Van Brunt C., Savage R.H. // Gen. Electr. Rev, 1944. - 47c.

88. Хлопцов, А. С. Математическая модель для анализа тепловых процессов кол-лекторно-щеточного узла машины постоянного тока в стационарном режиме работы // Материалы всероссийской научной конференции «Наука, творчество и образование в области электроснабжения, электропривода - достижения и перспективы», ДВГУПС. - Хабаровск, 2015. - С. 109 - 113.

89. Хлопцов, А. С. Применение тепловизионного метода для исследования тепловых процессов в зоне коллекторно-щеточного узла тягового электродвигателя подвижного состава / А. С. Хлопцов, А. В. Долгова, П. К. Щкодун // Известия Транссиба, 2015 - №2 (22) - С. 45 - 51.

90. Электродвигатели для стрелочных электроприводов и приводов автостопа. Электродвигатель стрелочный постоянного тока типа МСП-0,1. Режим доступа http://scbist.com/spravochnik/elektroprivod.htm, свободный (дата обращения 04.10.2016)

91. Электрощетки типа ГЗ - графитовые, угольнографитовые щекти. Режим доступа: http://rusvolt.su/elektroshchetki/g3, свободный (дата обращения 04.10.2016)

92. Согоу Т. "Time-division multiplexing of large serial fiber-optic Bragg grating sensor arrays" / D. J. F. Cooper, T. Coroy, and P. W. E. Smith II Appl. Opt. - 2001. -vol. 40. - C. 2643-2654.

93. Gong, J.A quasi-distributed sensing network with time-division multiplexed fiber Bragg gratings // Wang Y., Gong J., Wang D. Y., Bi W., and Wang A. // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2002. - V. 23. № 1. - C. 70-77

94. Demokan, M. S. "Intrinsic crosstalk analysis of a serial TDM FBG sensor array by using a tunable laser" / С. C. Chan, W. Jin, D. J. Wang, and M. S. Demokan // in Proc. LEOS. - 2000. - vol. 36. - C. 2-4.

95. Jianping, Yao Microwave photonics for high-resolution and high-speed interrogation of fiber Bragg grating sensors/ Jianping Yao// Fiber and Integrated Optics. -2015. - 34. - P.230-242

96. Cavaleiro, P. M. Simultaneous measurement of strain and temperature using Bragg gratings written in germanosilicate and Boron-codoped germanosilicate fibers / Cavaleiro, P. M., Araujo, F. M., Ferreira et. al. // IEEE Photonics Technology Letters. -1999. - 11(12). - C.1635-1637.

97. James, S. W., Simultaneous independent temperature and strain measurement using in-fiber Bragg grating sensors // James, S. W., Dockney, M. L., and Tatam, R. P. // Electronics Letters. - 1996. - 32(12). - C.1133-1134.

98. Patrick, H. J. Hybrid fiber Bragg grating/long period fiber grating sensor for strain and/temperature discrimination. / Patrick, H. J., Williams, G. M., Kersey, A. D., Pedrazzani, J. R., and Vengsarkar // IEEE Photonics Technology Letters. - 1998. - 8(9). - C.1223-1223.

99. Miao, Y Simultaneous measurement of strain and temperature using single tilted fibre Bragg grating / Miao, Y., Liu, B., and Zhao, Q. // Electronics Letters. - 2008. -44(21). - C. 1242-1243.

100. Морозов О.Г., Айбатов Д.Л., Садеев Т.С. Синтез двухчастотного излучения и его применения в волоконно-оптических системах распределенных и мультиплексированных измерений // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 3. - С. 84-91.

101. Дашков, М.В. Радиофотонные системы двухчастотного симметричного зондирования контура усиления Манделыптама-Бриллюэна в одномодовых оптических волокнах / М.В. Дашков, В.А. Бурдин, Г.А. Морозов и др. // Прикладная фотоника. - 2015. - т.2, №3. - С.223-245

102. Wang, D. Y. A quasi-distributed sensing network with time-division multiplexed fiber Bragg gratings // Wang Y., Gong J., Wang D. Y., Bi W., and Wang A. // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2002. - V. 23. № 1. - C. 7^77

103. Morozov, O.G. Two-frequency scanning of FBG with arbitrary reflection spectrum / O.G. Morozov, D.L. Aibatov // Proc. of SPIE. - 2007. - V. 6605. - C. 660506.

104. FS22xx Industrial BraggMETER SI. - Режим доступа: http://www.fibersens-ing. com/products/measurement-units/view/fs2100-industrial-braggmeter, свободный (дата обращения 04.10.2016).

105. I-MON 512 USB - Режим доступа: http://ibsen.com/products/interrogation-monitors/i-mon-oem/i-mon-512-oem, свободный (дата обращения 04.10.2016).

106. ГОСТ 6507-90. Микрометры. Технические условия. - М: Изд-во стандартов, 1990. - 12с.

107. ГОСТ 183-74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования. - М: Изд-во стандартов, 1974. - 27с.

108. Патчкорд оптический армированный FC/UPC 5метров. Режим доступа:

http://shop.nag.ru/catalog/01898.Patch-kordy/02104.Armirovannye/05433.SNR-PC-FCUPC-ARM-5m, свободный (дата вращения 04.10.2016).

109. Strain Gage Adhesive. Режим доступа: http://www.vishaypg.com/docs/11013/bond610.pdf, свободный (дата обращения 04.10.2016)

110. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. - М.: Машиностроение, 1990. - 384 с

111. Dr. Hansjurgen, Saechtling International Plastics Handbook / Dr. Hansjiirgen

Saechtling. - Hanser Publishers, 1987. - 150c.

112. Lawrence, A. Hornak Polymers for lightwave and intergrated optics / Lawrence A. Hornak. - Marcel Dekker, Inc.,1992. - 220c.

113. Dupuis, Alexandre Prospective for biodegradable microstructured optical fibers / Alexandre Dupuis, Ning Guo, Nicolas Godbout et. al. // Optics Letters. - 2007. - 32(2).

- C.109.

114. Патент США № 4836646 Plastic optical fiber for in vivo use having a bio-compatible Polyurethane-siloxane copolymer, or polyurethaneureasiloxane copolymer cladding / Theodore L. Parker and G. Robert Collins; опубл. 1989.

115. Kawai, Hiromasa Novel acrylic resion for injection molded precision lenses / Hi-romasa Kawai, Fumiaki Kanega, and Hisashi Kohkame // In SPIE Vol. 896 Replication and Molding of Optical Components. - 1988.

116. Barrie, J. A. Diffusion and Association of Water and Some Polyalkyl-metacry-lates / J. A. Barrie and D. Machin // Transactions of the Faraday Society. - 1971. - 67.

- C.244-256.

117. P. P. Roussis. Diffusion of water vapour in polymethyl methacrylate. Journal of Membrane Science , 15:141-155, 1983.

118. Kaczmarek, Halina Changes of polymer morphology caused by u.v. irradiation: 2. Surface destruction of polymer blends / Halina Kaczmarek // Polymer. - 1996. - 37(4).

- C.547-553.

119. Ziemann, Olaf POF - Polymer Optical Fibers for Data Communication / Olaf Ziemann,Jürgen Krauser,Peter E. Zamzow,Werner Daum. - 2002. - 150c.

120. Серова, B.H. Полимерные оптические материалы / B.H. Серова. - Изд-во НОТ, 2015.-384 с.

121. Harbach, Nico Gérard Fiber bragg gratings in Polymer oPtical Fibers / Nico Gérard Harbach. - Suisse, 2008. - 153c.

122. C. Wochnowski, C. UV-laser-assisted modification of the optical properties of polymethylmethacrylate / C. Wochnowski, S. Metev, G. Sepold // Applied Surface Science. - 1999. - 154. - C.706-711.

123. Scully, P. J. Femtosecond laser irradiation of polymethylmethacrylate for refractive index gratings / P. J. Scully, D. Jones, and D. A. Jaroszynski // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2003. - 5. - C.S92-S96.

124. Arnaud Zoubir, Cedric Lopez, Martin Richardson, and Kathleen Richardson. Femtosecond laser fabrication of tubular waveguides in poly(methyl methacrylate). Optics Letters, 29(16): 1840-1842, 2004.

125. Baum, A. W. Refractive Index Structures in Poly(methyl methacrylate) and Polymer Optical Fibre by Femtosecond Laser Irradiation / A. Baum, W. Perrie, P. J. Scully // In The 18th International Optical Fiber Sensors Conference, Cancun, Mexico. - 2006. - 24. - C. 2354-2360.

126. Liu, H. Y. Observation of type I and type II gratings behaviour in polymer optical fiber / H. Y. Liu, H. B. Liu, G. D. Peng // Optics Communications. - 2003. - 220. -C.337-343.

127. Yu, JianMing Trans-4-stilbenemethanol-doped photosensitive polymer fibers and gratings / JianMing Yu, XiaoMing Tao, and HwaYaw Tam // Optics Letters. - 2004. -29(2). - C.156-158.

128. ОАО Татэлектромаш. Электродвигатель тяговый постоянного тока ЭК-590. Режим доступа: http://www.td-elektrosila. ru/engine/tatelectromash/item/70-ek590.html, свободный (дата обращения 04.10.2016)

129. Lam, C.F. Passive Optical Networks: Principles and Practice. - Burlington, California, London: Academic Press, 2007. - 324 p.

130. Fibercore. Polyimide Coated SM Fiber. Режим доступа: http://fi-bercore.com/product/polyimide-coated-sm-fiber, свободный (дата обращения 04.10.2016)

131. Burgmeier, Jorg Intensity-independent fiber coupled interrogation technique for fiber Bragg gratings by fiber Bragg gratings / Jorg Burgmeier, Jan Koch, Wolfgang Schade // Proc. of SPIE. - 2012. - Vol. 8421. - C. 84215G-2

132. Кузнецов, А.А. Датчик износа и температуры изделия на основе волоконно-оптического чувствительного элемента / А.А. Кузнецов, О.Г. Морозов, И.И. Нуреев и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2015. - Т. 17. - №6(2). - С. 455-460

133. Kuznetsov, A.A. Smart photonic carbon brush / O.G. Morozov, A.A. Kuznetsov, G.A. Morozov et al. // Proceedings of SPIE. - 2016. - V. 9807. - P. 98070M-1-7.

134. Кузнецов, A.A. Волоконно-оптические датчики износа и температуры трущихся поверхностей / А.А. Кузнецов, О.Г. Морозов, И.И. Нуреев и др. // Фотон-Экспресс. - 2015. - №6(126). - С. 210-211.

135. Кузнецов, А.А. Волоконно-оптические датчики износа и температуры щеток электродвигателя / А.А. Кузнецов, О.Г. Морозов, И.И. Нуреев и др. // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. - 2016. - №2. - С. 1824.

136. Иванов, О.В. Быстродействующая система обработки сигналов волоконно-оптических брэгговских датчиков на основе дифференциального фотоприемника / О.В. Иванов, В.Л. Весин и др. II Фотон-экспресс. - 2015. -№6(126).- С. 238-239.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н. Туполева-^АИ»

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ АРТЁМ АНАТОЛЬЕВИЧ

МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ИЗНОСА И ТЕМПЕРАТУРЫ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук