Тяговый двигатель — это электродвигатель, предназначенный для привода подвижного механизма: колёсной пары транспортного средства, механизма передвижения крана или рабочего органа горной машины. В отличие от стационарного промышленного двигателя, который десятилетиями работает на одном фундаменте в более-менее постоянных условиях, тяговый двигатель постоянно движется вместе с машиной, испытывает удары, вибрацию, частые пуски и реверсы и работает в переменных климатических условиях.
Тяговые двигатели применяют в:
Общая черта всех этих применений — потребность в высоком пусковом моменте, способности выдерживать ударные нагрузки и частые пуски, остановки и реверсы. Именно эти требования формируют конструктивные особенности тягового двигателя, которые отличают его от обычного промышленного двигателя постоянного тока, работающего в сравнительно спокойном и постоянном режиме.
Тяговый двигатель — это электрическая машина, чаще всего постоянного тока последовательного возбуждения, конструктивно приспособленная для установки на тележке или шасси подвижного механизма. Главные отличия от стационарного промышленного двигателя:
Из-за этих особенностей тяговый двигатель эксплуатируется и ремонтируется иначе, чем обычный промышленный двигатель постоянного тока того же типоразмера.
Трамваи, троллейбусы, электровозы и вагоны метрополитена используют тяговые двигатели для вращения колёсных пар напрямую или через редуктор. Такой привод должен обеспечивать большой пусковой момент для трогания с места, в том числе на подъёме и с полной нагрузкой, плавный разгон, электрическое торможение и частые реверсы на манёвровых и конечных станциях.
Электрические экскаваторы, драглайны и карьерные самосвалы с электрической трансмиссией применяют тяговые двигатели для привода ходовой части, поворотного механизма или механизма подъёма ковша. Эти машины работают под открытым небом, в пыли, в грязи, при низких и высоких температурах, и двигатель должен выдерживать не только электрическую нагрузку, но и агрессивную внешнюю среду.
Мостовые, козловые и портальные краны используют тяговые двигатели для механизмов передвижения моста, тележки и подъёма груза. Характерный режим — кратковременные включения, частые реверсы, точное позиционирование и работа с нагрузкой, резко меняющейся при захвате и сбросе груза.
Во всех трёх группах применений двигатель никогда не работает в спокойном, длительном режиме с постоянной нагрузкой — именно поэтому к нему предъявляют иные конструктивные и ремонтные требования, чем к стационарному насосному, вентиляторному или станочному двигателю.
Тяговый двигатель выполняет те же электромагнитные функции, что и любая машина постоянного тока — станина, главные и добавочные полюса, якорь с обмоткой и коллектором, щёточный аппарат, — но каждый узел имеет усиление или адаптацию под условия подвижного механизма.
Станина тягового двигателя компактна и механически прочна — она должна вписываться в ограниченное пространство тележки или буксового узла и выдерживать нагрузки, передающиеся от колёсной пары, подвески или ходовой части машины, а не только собственный вес и момент. Крепёжные лапы, опорные приливы и посадочные места рассчитаны на вибрацию и ударные нагрузки, а не только на статическое крепление к фундаменту.
Поскольку тяговый двигатель постоянно работает в режиме пуска, изменения нагрузки и реверса, коммутация в нём происходит в гораздо более тяжёлых условиях, чем в стационарной машине с равномерной нагрузкой. Поэтому коллектор и щёточный аппарат тягового двигателя рассчитывают на повышенную механическую прочность, стойкость щёток к частому переходному току и способность сохранять стабильный контакт при вибрации и ударах.
Скорость тягового двигателя меняется в широких пределах вместе со скоростью движения механизма, поэтому самовентиляция, зависящая от частоты вращения собственного вентилятора, не всегда обеспечивает достаточное охлаждение на низкой скорости под большой нагрузкой — именно в этом режиме ток и нагрев наиболее высоки. Многие тяговые двигатели поэтому выполняют с принудительной вентиляцией от отдельного вентилятора, а компоновку системы охлаждения согласуют с ограниченным пространством монтажа на тележке.
Двигатель, расположенный на тележке локомотива, крана или горной машины, находится намного ближе к рельсовому пути, грунту, карьерной пыли и брызгам влаги, чем двигатель в машинном зале. Поэтому корпус, подшипниковые щиты, кабельные вводы и вентиляционные отверстия тягового двигателя выполняют с повышенной степенью защиты, лабиринтными уплотнениями и защитными козырьками, ограничивающими попадание пыли, влаги и мелких предметов внутрь машины.
Подшипники и вал тягового двигателя должны выдерживать не только электромагнитный момент и собственную массу ротора, но и вибрацию от неровностей пути или грунта, ударные нагрузки от колёс, а во многих конструкциях — ещё и усилия от зубчатой передачи к колёсной паре. Поэтому применяют усиленные подшипники, рассчитанные на радиальные и ударные нагрузки, а конструкцию вала и посадок делают с дополнительным запасом прочности.
Многие тяговые двигатели выполняют с последовательным возбуждением: обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря, поэтому ток в ней зависит от нагрузки. Это даёт характеристику, идеальную для тяги — большой момент и невысокую скорость при большой нагрузке (например, при трогании с места или на подъёме гружёного карьерного самосвала), и меньший момент с большей скоростью, когда нагрузка снижается. Именно поэтому двигатель последовательного возбуждения исторически стал основным типом тягового привода.
Стационарный промышленный двигатель чаще всего работает в режиме S1 — длительном, с практически постоянной нагрузкой. Тяговый двигатель эксплуатируется совершенно иначе:
Ни один из этих факторов по отдельности не является необычным для электрической машины — необычно то, что тяговый двигатель испытывает их все одновременно и постоянно, на протяжении всего срока службы. Это и определяет повышенные требования к конструкции, обслуживанию и ремонту по сравнению со стационарным двигателем такой же мощности.
Физическая природа неисправностей тягового и стационарного двигателя постоянного тока одинакова — износ щёток, загрязнение коллектора, повреждение подшипников, старение изоляции, повреждение обмотки якоря. Отличие заключается в том, насколько быстро эти неисправности развиваются и какие факторы преобладают.
Из-за постоянных пусков, реверсов и изменений нагрузки щётки тягового двигателя работают в более тяжёлом режиме коммутации, чем щётки стационарной машины. Это проявляется в ускоренном механическом износе, повышенном искрении при пуске и более быстром выгорании рабочей поверхности коллектора — интервалы между осмотром и заменой щёток для тягового двигателя существенно короче, чем для промышленного двигателя той же мощности.
Пыль, влажность и продукты износа щёток оседают на коллекторе, обмотке якоря и лобовых частях быстрее, чем в машине, установленной в закрытом помещении. Загрязнение снижает сопротивление изоляции, изменяет условия коммутации и может создавать проводящие мостики между ламелями коллектора или витками обмотки.
Удары от неровностей пути, работы зубчатой передачи или резких изменений нагрузки передаются на подшипники чаще и сильнее, чем в стационарной машине. Следствием становятся питтинг дорожек качения, преждевременная усталость материала и выход подшипника из строя значительно раньше ожидаемого ресурса.
Постоянная вибрация способствует механической усталости изоляции обмотки, ослаблению пазовых клиньев и бандажей, а влага и пыль ускоряют старение изоляционных материалов и снижают сопротивление изоляции. В сочетании эти два фактора приводят к межвитковому замыканию или пробою на корпус раньше, чем в машине, работающей в сухом и чистом помещении.
Каждый пуск и каждое изменение нагрузки — это цикл нагрева и охлаждения обмотки якоря. Многократные тепловые циклы создают усталостную нагрузку на изоляцию, паяные соединения с коллектором и крепление обмотки в пазах, что со временем проявляется как обрыв, ослабление пайки или межвитковое замыкание — даже если средняя тепловая напряжённость двигателя остаётся в допустимых пределах.
Методы диагностики тягового двигателя те же, что и для любой машины постоянного тока, — визуальный осмотр щёточно-коллекторного узла, измерение сопротивления изоляции и активного сопротивления обмоток, проверка на межвитковое замыкание, вибрационная диагностика и контроль подшипников. Разница заключается в частоте контроля и в том, какие результаты считают нормой.
Подробные методики диагностики искрения щёток, вибрации и состояния подшипников по сути одинаковы для тягового и стационарного двигателя — отличие лишь в частоте применения и в интерпретации результатов с учётом условий эксплуатации.
Технологические операции при ремонте тягового двигателя — ремонт якоря, коллектора, обмоток, полюсной системы, подшипников — по сути те же, что и при ремонте стационарного двигателя постоянного тока. Но несколько моментов требуют особого внимания именно из-за условий тяговой службы.
Поскольку щётки и коллектор изнашиваются быстрее, регламент обслуживания тягового двигателя предусматривает более короткие интервалы осмотра, подтяжки щёткодержателей, продорожки коллектора и замены щёток, чем для стационарной машины. Пропуск очередного осмотра чаще приводит к развитию искрения в круговой огонь именно из-за интенсивности режима коммутации.
При сборке тягового двигателя после ремонта особое внимание уделяют восстановлению уплотнений подшипниковых щитов, лабиринтов, кабельных вводов и защитных козырьков — любая щель, пропускающая пыль или влагу к обмотке и коллектору, сводит на нет остальной качественно выполненный ремонт. Это отличается от стационарного двигателя в чистом помещении, где такая герметичность не столь критична.
Из-за постоянной вибрации от ходовой части и зубчатой передачи якорь тягового двигателя особенно чувствителен к остаточному дисбалансу — даже небольшой дисбаланс, наложенный на уже вибрационную среду, ускоряет износ подшипников и усталость изоляции. Поэтому после любого вмешательства в якорь (перемотка, ремонт коллектора, замена вентилятора, механическая обработка) обязательна динамическая балансировка, а не только проверка на биение.
Где это возможно, испытания отремонтированного тягового двигателя дополняют проверкой на нескольких скоростях, под нагрузкой, в режиме реверса и кратковременной перегрузки — то есть максимально приближают стендовые условия к реальному циклу пуск — работа — торможение — реверс, а не ограничиваются лишь проверкой на холостом ходу и сопротивлением изоляции.
Электромагнитно это та же машина постоянного тока, но конструктивно тяговый двигатель приспособлен к монтажу на подвижном механизме, имеет усиленный щёточно-коллекторный узел, подшипники и вал, а корпус — повышенную защиту от пыли и влаги.
Последовательное возбуждение даёт большой момент при большой нагрузке и низкой скорости (например, при трогании с места) и меньший момент при росте скорости — именно та характеристика, которая нужна для тяги.
Из-за частых пусков, реверсов и изменений нагрузки коммутация происходит в более тяжёлых условиях, что ускоряет механический износ щёток и рабочей поверхности коллектора.
Да — из-за постоянной вибрации от ходовой части якорь тягового двигателя особенно чувствителен к остаточному дисбалансу, поэтому балансировку выполняют после любого вмешательства, которое могло изменить распределение массы.
Нет — интервалы осмотра щёток, коллектора и подшипников для тягового двигателя должны быть короче из-за более интенсивного режима работы и влияния внешней среды.
Двигатель расположен близко к рельсовому пути, грунту или карьерной пыли, поэтому любая неплотность в корпусе, подшипниковых щитах или кабельных вводах приводит к попаданию пыли и влаги внутрь машины и ускоренному повреждению изоляции.
ООО ВКФ «Электропромремонт» выполняет капитальный ремонт тяговых двигателей электротранспорта, кранового оборудования и горнодобывающей техники — с учётом повышенных требований к щёточно-коллекторному узлу, уплотнениям и механической части, характерных именно для тяговой службы.
В зависимости от конструкции и технического состояния двигателя могут выполняться:
Тяговый двигатель — это машина постоянного тока, конструктивно приспособленная к работе на подвижном механизме: компактная станина, усиленный щёточно-коллекторный узел, соответствующая вентиляция, защита от пыли и влаги и усиленные подшипники с валом. Эти особенности — не прихоть конструкторов, а прямой ответ на условия эксплуатации: частые пуски и реверсы, постоянную вибрацию, запылённость и перепады температур.
Поэтому и обслуживание, и ремонт тягового двигателя должны учитывать не только его электромагнитные параметры, но и реальный режим работы машины, на которой он установлен, — иначе даже качественно выполненный электрический ремонт не даст ожидаемого ресурса.
Материал носит информационный характер. Приведённые значения, методы диагностики, объём работ и рекомендации являются общими и не заменяют техническую документацию производителя. Окончательное решение по конкретной машине принимается по результатам её диагностики и дефектации с учётом типа, мощности, конструкции, режима работы, истории эксплуатации и применимых стандартов.
Выполним дефектацию якоря, коллектора и полюсной системы, ремонт или перемотку обмотки, восстановление уплотнений, динамическую балансировку и стендовые испытания с учётом условий тяговой службы.