Тяговий двигун — це електродвигун, призначений для приводу рухомого механізму: колісної пари транспортного засобу, механізму пересування крана або робочого органу гірничої машини. На відміну від стаціонарного промислового двигуна, який десятиліттями працює на одному фундаменті в більш-менш постійних умовах, тяговий двигун постійно рухається разом із машиною, зазнає ударів, вібрації, частих пусків і реверсів та працює в змінних кліматичних умовах.
Тягові двигуни застосовують у:
Спільна риса всіх цих застосувань — потреба у високому пусковому моменті, здатності витримувати ударні навантаження та часті пуски, зупинки й реверси. Саме ці вимоги формують конструктивні особливості тягового двигуна, які відрізняють його від звичайного промислового двигуна постійного струму, що працює в порівняно спокійному й постійному режимі.
Тяговий двигун — це електрична машина, зазвичай постійного струму послідовного збудження, конструктивно пристосована для встановлення на візку, тележці або шасі рухомого механізму. Головні відмінності від стаціонарного промислового двигуна:
Через ці особливості тяговий двигун експлуатується та ремонтується інакше, ніж звичайний промисловий двигун постійного струму того самого типорозміру.
Трамваї, тролейбуси, електровози та вагони метрополітену використовують тягові двигуни для обертання колісних пар безпосередньо або через редуктор. Такий привод повинен забезпечувати великий пусковий момент для рушання з місця, у тому числі на підйомі й з повним навантаженням, плавний розгін, електричне гальмування та часті реверси на маневрових і кінцевих станціях.
Електричні екскаватори, драглайни та кар’єрні самоскиди з електричною трансмісією застосовують тягові двигуни для приводу ходової частини, поворотного механізму або механізму підйому ковша. Ці машини працюють просто неба, на пилу, в багнюці, за низьких і високих температур, і двигун повинен витримувати не лише електричне навантаження, а й агресивне зовнішнє середовище.
Мостові, козлові та портальні крани використовують тягові двигуни для механізмів пересування моста, візка та підйому вантажу. Характерний режим — короткочасні вмикання, часті реверси, точне позиціонування та робота з навантаженням, яке різко змінюється при захопленні й скиданні вантажу.
В усіх трьох групах застосувань двигун ніколи не працює в спокійному, тривалому режимі з постійним навантаженням — саме тому до нього ставлять інші конструктивні та ремонтні вимоги, ніж до стаціонарного насосного, вентиляторного чи верстатного двигуна.
Тяговий двигун виконує ті самі електромагнітні функції, що й будь-яка машина постійного струму — станина, головні та додаткові полюси, якір з обмоткою і колектором, щітковий апарат, — але кожен вузол має посилення чи адаптацію під умови рухомого механізму.
Станина тягового двигуна компактна й механічно міцна — вона повинна вписуватися в обмежений простір візка, тележки або буксового вузла та витримувати навантаження, які передаються від колісної пари, підвіски чи ходової частини машини, а не лише власну вагу і момент. Кріпильні лапи, опорні приливи та посадкові місця розраховані на вібрацію та ударні навантаження, а не тільки на статичне закріплення до фундаменту.
Оскільки тяговий двигун постійно працює в режимі пуску, зміни навантаження та реверсу, комутація в ньому відбувається в набагато важчих умовах, ніж у стаціонарній машині з рівномірним навантаженням. Тому колектор і щітковий апарат тягового двигуна розраховують на підвищену механічну міцність, стійкість щіток до частого перехідного струму та здатність зберігати стабільний контакт при вібрації й ударах.
Швидкість тягового двигуна змінюється в широких межах разом зі швидкістю руху механізму, тому самовентиляція, що залежить від частоти обертання власного вентилятора, не завжди забезпечує достатнє охолодження на низькій швидкості під великим навантаженням — саме в цьому режимі струм і нагрів найвищі. Багато тягових двигунів тому виконують із примусовою вентиляцією від окремого вентилятора, а компонування системи охолодження узгоджують з обмеженим простором монтажу на візку.
Двигун, розташований на візку локомотива, крана чи гірничої машини, перебуває набагато ближче до колії, ґрунту, кар’єрного пилу та бризок вологи, ніж двигун у машинному залі. Тому корпус, підшипникові щити, кабельні вводи та вентиляційні отвори тягового двигуна виконують з підвищеним ступенем захисту, лабіринтними ущільненнями та захисними козирками, які обмежують потрапляння пилу, вологи й дрібних предметів усередину машини.
Підшипники та вал тягового двигуна повинні витримувати не лише електромагнітний момент і власну масу ротора, а й вібрацію від нерівностей колії чи ґрунту, ударні навантаження від коліс, а в багатьох конструкціях — ще й зусилля від зубчастої передачі до колісної пари. Тому застосовують посилені підшипники, розраховані на радіальні та ударні навантаження, а конструкцію вала й посадок роблять з додатковим запасом міцності.
Багато тягових двигунів виконують із послідовним збудженням: обмотка збудження вмикається послідовно з обмоткою якоря, тому струм у ній залежить від навантаження. Це дає характеристику, ідеальну для тяги — великий момент і невисока швидкість при великому навантаженні (наприклад, під час рушання з місця чи на підйомі чи важкого кар’єрного самоскида), і менший момент з більшою швидкістю, коли навантаження спадає. Саме тому двигун послідовного збудження історично став основним типом тягового приводу.
Стаціонарний промисловий двигун найчастіше працює в режимі S1 — тривалому, з практично постійним навантаженням. Тяговий двигун експлуатується зовсім інакше:
Жоден із цих факторів окремо не є незвичним для електричної машини — незвичним є те, що тяговий двигун зазнає їх усіх одночасно й постійно, протягом усього терміну служби. Це і визначає підвищені вимоги до конструкції, обслуговування та ремонту порівняно зі стаціонарним двигуном такої самої потужності.
Фізична природа несправностей тягового двигуна та стаціонарного двигуна постійного струму однакова — зношування щіток, забруднення колектора, пошкодження підшипників, старіння ізоляції, пошкодження обмотки якоря. Відмінність полягає в тому, наскільки швидко ці несправності розвиваються та які фактори переважають.
Через постійні пуски, реверси та зміни навантаження щітки тягового двигуна працюють у важчому режимі комутації, ніж щітки стаціонарної машини. Це проявляється у прискореному механічному зношуванні, підвищеному іскрінні при пуску та швидшому вигорянні робочої поверхні колектора — інтервали між оглядом і заміною щіток для тягового двигуна суттєво коротші, ніж для промислового двигуна тієї самої потужності.
Пил, вологість і продукти зношування щіток осідають на колекторі, обмотці якоря та лобових частинах швидше, ніж у машині, встановленій у закритому приміщенні. Забруднення знижує опір ізоляції, змінює умови комутації та може створювати провідні містки між ламелями колектора чи витками обмотки.
Удари від нерівностей колії, роботи зубчастої передачі чи різких змін навантаження передаються на підшипники частіше і сильніше, ніж у стаціонарній машині. Наслідком стають пітинг доріжок кочення, передчасна втома матеріалу та вихід з ладу підшипника значно раніше очікуваного ресурсу.
Постійна вібрація сприяє механічній втомі ізоляції обмотки, ослабленню пазових клинів і бандажів, а волога та пил прискорюють старіння ізоляційних матеріалів і знижують опір ізоляції. У поєднанні ці два фактори призводять до міжвиткового замикання чи пробою на корпус раніше, ніж у машині, що працює в сухому й чистому приміщенні.
Кожен пуск і кожна зміна навантаження — це цикл нагрівання й охолодження обмотки якоря. Багаторазові теплові цикли створюють втомне навантаження на ізоляцію, паяні з’єднання зі колектором і кріплення обмотки в пазах, що з часом проявляється як обрив, ослаблення паяння чи міжвиткове замикання — навіть якщо середня теплова напруженість двигуна залишається в межах допустимого.
Методи діагностики тягового двигуна ті самі, що й для будь-якої машини постійного струму, — візуальний огляд щітково-колекторного вузла, вимірювання опору ізоляції та активного опору обмоток, перевірка на міжвиткове замикання, вібраційна діагностика та контроль підшипників. Різниця полягає в частоті контролю та в тому, які результати вважають нормою.
Детальні методики діагностики іскріння щіток, вібрації та стану підшипників однакові за суттю для тягового й стаціонарного двигуна — відмінність лише в частоті застосування та в інтерпретації результатів з урахуванням умов експлуатації.
Технологічні операції при ремонті тягового двигуна — ремонт якоря, колектора, обмоток, полюсної системи, підшипників — за суттю ті самі, що й при ремонті стаціонарного двигуна постійного струму. Але кілька моментів вимагають особливої уваги саме через умови тягової служби.
Оскільки щітки й колектор зношуються швидше, регламент обслуговування тягового двигуна передбачає коротші інтервали огляду, підтяжки щіткотримачів, продорожування колектора та заміни щіток, ніж для стаціонарної машини. Пропуск чергового огляду частіше призводить до розвитку іскріння в кругове замикання саме через інтенсивність режиму комутації.
Під час складання тягового двигуна після ремонту особливу увагу приділяють відновленню ущільнень підшипникових щитів, лабіринтів, кабельних вводів і захисних козирків — будь-яка щілина, яка пропускала б пил чи вологу до обмотки й колектора, зводить нанівець решту якісно виконаного ремонту. Це відрізняється від стаціонарного двигуна в чистому приміщенні, де така герметичність не настільки критична.
Через постійну вібрацію від ходової частини та зубчастої передачі якір тягового двигуна особливо чутливий до залишкового дисбалансу — навіть невеликий дисбаланс, накладений на вже вібраційне середовище, прискорює зношування підшипників і втому ізоляції. Тому після будь-якого втручання в якір (перемотування, ремонт колектора, заміна вентилятора, механічна обробка) обов’язкове динамічне балансування, а не тільки перевірка на биття.
Де це можливо, випробування відремонтованого тягового двигуна доповнюють перевіркою на кількох швидкостях, під навантаженням, у режимі реверсу та короткочасного перевантаження — тобто максимально наближують стендові умови до реального циклу пуск — робота — гальмування — реверс, а не обмежуються лише перевіркою на холостому ходу й опором ізоляції.
Електромагнітно це та сама машина постійного струму, але конструктивно тяговий двигун пристосований до монтажу на рухомому механізмі, посилений щітково-колекторний вузол, підшипники й вал, а корпус має підвищений захист від пилу та вологи.
Послідовне збудження дає великий момент при великому навантаженні й низькій швидкості (наприклад, під час рушання з місця) та менший момент при зростанні швидкості — саме та характеристика, яка потрібна для тяги.
Через часті пуски, реверси та зміни навантаження комутація відбувається у важчих умовах, що прискорює механічне зношування щіток і робочої поверхні колектора.
Так — через постійну вібрацію від ходової частини якір тягового двигуна особливо чутливий до залишкового дисбалансу, тому балансування виконують після будь-якого втручання, яке могло змінити розподіл маси.
Ні — інтервали огляду щіток, колектора та підшипників для тягового двигуна мають бути коротшими через інтенсивніший режим роботи та вплив зовнішнього середовища.
Двигун розташований близько до колії, ґрунту чи кар’єрного пилу, тому будь-яка нещільність у корпусі, підшипникових щитах чи кабельних вводах призводить до потрапляння пилу й вологи всередину машини та прискореного пошкодження ізоляції.
ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує капітальний ремонт тягових двигунів електротранспорту, кранового обладнання та гірничодобувної техніки — з урахуванням підвищених вимог до щітково-колекторного вузла, ущільнень та механічної частини, характерних саме для тягової служби.
Залежно від конструкції та технічного стану двигуна можуть виконуватися:
Тяговий двигун — це машина постійного струму, конструктивно пристосована до роботи на рухомому механізмі: компактна станина, посилений щітково-колекторний вузол, відповідна вентиляція, захист від пилу й вологи та посилені підшипники з валом. Ці особливості — не примха конструкторів, а пряма відповідь на умови експлуатації: часті пуски й реверси, постійну вібрацію, запиленість і перепади температур.
Тому й обслуговування, і ремонт тягового двигуна повинні враховувати не лише його електромагнітні параметри, а й реальний режим роботи машини, на якій він встановлений, — інакше навіть якісно виконаний електричний ремонт не дасть очікуваного ресурсу.
Матеріал має інформаційний характер. Наведені значення, методи діагностики, обсяг робіт та рекомендації є загальними і не замінюють технічну документацію виробника. Остаточне рішення щодо конкретної машини приймається за результатами її діагностики та дефектації з урахуванням типу, потужності, конструкції, режиму роботи, історії експлуатації та застосовних стандартів.
Виконаємо дефектацію якоря, колектора та полюсної системи, ремонт або перемотування обмотки, відновлення ущільнень, динамічне балансування та стендові випробування з урахуванням умов тягової служби.