İNGİLİZ DEMİRYOLLARINDA CER MOTORLARI

ingiliz demiryollarında cer motorları

Yazan: G . G . KIBBLEWHITE Çeviren: Ahmet ALOĞLU

ÖZET

Bu yazıda, İngiliz Demiryollarında uzun servis tecrübeleri ile elde edilen bilgi~ lerin ışığında, cer motorlarının komütas yon sorunları ve modern motorların yapılı şı için önerilen temel tasarım orantıları açıklanmaktadır.

UDK: 621. 333: 621. 3. 013. 4

SUMMARY in this article, with the knowledge gained on traction machines during the long ope rating experience of British Railways, commutation problems and the basic design parameters recommended for satisfactory machines to be built are explained.

1. GİRÎŞ:

Cer motorları çok güç koşullar altında ça lışmaktadır. Bu koşulların en önemlileri şöyle sıralanabilir:

1. Ray eklem darbeleri ve buji devinimleri ile uyarılan birkaç Hz'den birkaç KHz'e kadar mekanik titreşimler.

2. Fren pabuçlarından gelen demir tozları ve yağ ile kirlenmiş soğutma havası.

3. Aşırı akım yükleri.

4. Düşük yükte ve çeşitli hızlarda uzun süre çalışma. 5. Akım toplayıcının (pantograf ya da top layıcı pabuç) zıplaması, patinaj ya da de netim düzeninin yapısı nedeniyle oluşan a ni gerilim kesilmeleri ve aşırı gerilim darbeleri.

Yukarıdaki nedenlerle, komütasyon ve ilgi li sorunların bu konuda çalışan mühendis lerin en baş ağrıtıcı sorunlarını oluştur duğuna şaşmamak gerekir. İngiliz demiryolları filosunda (elektrik, dizel elektrik ve diğer elektrik transmis yonlu lokomotifleri kapsar) 20 000 kadar cer motoru, 4 000 kadar ana üreteç ve bin lerce yardımcı DA makinesi bulunmaktadır.

Ahmet Aloğlu, Y.Müh., TCDD.

Bir cer motorunun kollektör ve fırça takı mının bakımı için senede en az 40 sterlin harcanmakta ve yalnız ana makineler için senede toplam 1 000 000 sterlini bulmakta dır.

2. İNGİLİZ DEMİRYOLLARINDA (Î.D) DA MAKİNELERİNİN YAPIM ÖZELLİK LERİ:

l.D. parkına 1950'den bu yana katılan tüm cer motorları ve ana üreteçlerin yapım ö zellikleri ve temel orantıları Tablo 1 ve 2'de verilmiştir. Komütasyon açısından ö nemli nitelikler aşağıda özetlenmektedir. Bu temel değerlerin, yapımcıya göre deği şen oldukça esnek ve geniş sınırlar içinde bulunduğu açıkça görülmektedir.

En az ana kutup / endüvi reaksiyonu amper sarım oranii

elektrik dizel elektrik

0,6

1,2

0,22 0,92

En yüksek gerilimde ortalama kollektör dilim arası gerilimi (V):

5,7

20,0

( 8,5

19,7

(18,7 26,0

(kompanse sargılı)

Tam yükte fırça akım yoğunluğu (A/cm2):

6,8

16,3

9,8

14,7

En yüksek kollektör yüzey hızı (m/san):

30,0 25,4

53,4 49,3

3. SERVİSTE KOMÜTASYON SORUNLARI:

3 . 1 . Komütasyonun bozulması: Fırça tipinin seçiminde gösterilen t i t i z l i ğ i n temel amacı, iyi komütasyon ve uzun fırça ömrü öğelerinin en uygun^irleşimini bul maktır. Bu birleşimin dengesi çoğu kez son derece duyarlıklı saptanmaktadır. Fırça tipine ilk yaklaşım fabrika t e s t l e r i sı rasında yapılmakta, fakat son karar ancak kollektör yüzünde servis koşullarının dik te e t t i ğ i tabakanın oluşumundan sonra ve rilebilmektedir.

Test sırasında gözlenen komütasyon düzeyi nin üzerine bölüm l ' d e açıklanan koşullar da eklenince, servis sırasındaki komütas yon çok daha kötü olmaktadır. Motorun t a sarımında ve yapımında, bu test ötesi et kenleri de dikkate almak gerekir.

3 . 2 . F ı r ç a ömrü: Aşağıdaki örneklerde de g ö s t e r i l d i ğ i gibi, fırça ömrünü e t k i l e yen nedenler hem e l e k t r i k , hem de mekanik çıkışlıdır. 1. Çok iyi olmayan komütasyon özellikleri gösteren bir AA cer motoru (elektrikli di zide çalışıyor), iki ayrı tip banliyö ser visinde kullanılmıştır. Aşağıdaki değerler, hızın fırça ömrü üzerindeki etkisini gös termektedir:

Ortalama istasyon arası uzaklığı (Km)

1,85 (1 mil) A,16 (2İ mil)

58 400 32 800

2. Hemen bütün koşullarda kıvılcımsız komü tasyon gösteren diğer bir AA cer motorunun değişik servislerde gösterdiği özellik 1,in tam tersidir. Bu kez, sık duraklı çalışma için fırça ömrü daha kısadır.

Ortalama istasyon arası uzaklığı

1,67 (0,9 mil) 4,64 (2,5 mil)

43 800 58 400

Bu motorun komütasyon özellikleri mükem meldir. Fırça ömrünü yüksek akımla yüklen me süresi etkilemektedir.

3. Tepesi lastik takozlu fırçaların kulla nılmasıyla sağlanan gelişme ve elde edilen

sonuçlar şöyledir:

Lastik takozsuz fırçalarda aşınma (Km/lcm aşınma)

25 500 36 500

Lastik takozlu fırçalarda aşınma (Km lcm aşınma)

51 000 58 400

3.3 Kollektörün e k s a n t r i k l i ğ i :

Bu terim kollektör dairesinin bütün bozuk luklarını kapsar. Eksantrikliğin oluşması çeşitli nedenlere dayanır:

1. Endüvi oyuklarındaki iletkenlerin deği şik reaktans gerilimleri nedeniyle oluşan kollektör dilimlerinin özel yanma desenle ri.

2. Duran motora aşırı akımla yüklenme so nucu oluşan çıkıntılı yanıklar.

3. Flaş atlamalarının oluşturduğu ağır ya nıklar. Nasıl olursa olsun, yüzeydeki bu düzensiz likler görülmeye başlandığı zaman, fırça lar yüzeye uyamaz, hem yüzey hem de komü tasyon giderek kötüleşir.

"Kollektör profili ölçme aygıtı"nın depo larda geniş çapta kullanılması sonucu, yü zey bozuklukları daha başlangıcında sapta nabilmiş tir.

3.4. Kollektör çizikleri: Üç deği şik ana üreteç ve çeşitli tip yardımcı ü~ reteç kollektörlerinde, 0,3 2,5 cm ge nişliğinde ve 1,6 mm derinliğinde dairesel çizikler görülmüştür. Aynı çizikler fırça yüzüne de yansımıştır.

Kimi üreteçlerde, fırça akım yoğunluğunu artırarak (fırçalardan bir kısmını söke rek), diğerlerinde de fırça tipini değiş tirerek çiziklerin azalması sağlanmıştır.

3.5. Flaş a t l a m a l a r ı : Kirlenmiş i zolatörlerin (fırça tutucu) yüzey kaçakla rı nedeniyle oluşan flaşlara çok az rast lanmaktadır. Hemen bütün flaşlar, kollek tördeki kıvılcımlarla başlar ve hangi ne denle olursa olsun kötü komütasyon özel likleri olan makinelerde görülür.

Diğer öğeler (yüksek dilim arası gerilimi, bakır birikmesi, demir ya da bakır tozları, yağ bulaşıkları gibi), çoğu kez flaşların yayılmasını kolaylaştıran yardımcı ortamı oluştururlar.

LASTİK TUFNOL

FfcRÇALI METAL GÖNY ELİ

U PARÇALI METAL GÖNY ELİ

ÇİFT. PARÇALI METAL GÖNY ELİ

Şekil 1. Ana üreteç fırçaları (bağlantı iletkenleri gösterilmiyor)

A PARÇALI LASTİK TAKOZ LU

SUSTA . EKSENLERİ

PARÇALI Y UVARLAK BAŞLI

PARÇALI DİK BAŞLI

PARÇALI 3 BÖLÜMLÜ

Şekil 2. Cer motor fırçaları (haglantı iletkenleri gösterilmiyor)

PARÇALI LASTİK TAKOZ LU

ÇİFT Y ARISI KESİK

U 12 10 8 6

I,

2 0

1 /1000 inç

\f\

KOLLEKTÖRÜN BİR TAM TURU

Şekil 3. Tipik cer motor kollektör profilleri 400

3.6. Fırça k ı r ı l m a s ı : Cilalı görü nüşlü kollektör yüzeyiyle ilgilidir. Cila lanmanın sürtünme katsayısını artırdığına, fırça titreşiminin giderek arttığına ve sonunda fırçaların kırılmaya başladığına inanılmaktadır.

Olay çoğu kez, hafif yükte çalışma sonucu ortaya çıkmaktadır ve bugüne kadar fırça tipinin değiştirilmesiyle önlenmiştir.

3.7. B a k ı r b i r i k m e s i : Bakır birik mesi bütün cer motorlarının ortak sorunu dur. En kötü birikimler, tek yöne dönen ana üreteçlerde görülür; hatta değişik tipte kimi üreteçlerde bu birikim dilim a ralarını o kadar daraltmıştır ki, flaşlar gözlenebilmiş tir.

nır değerlerin ortam soğudukça arttığını göstermiştir.

Şimdi, çeşitli fırça tipleri için kollek . tör sıcaklıkları sürekli olarak kaydedil mektedir.

Diğer motor tiplerinde de kollektör aşırr ısınabilir, ancak ulaşılan sıcaklık değer leri, zarar verebilecek düzeye ulaşmamak tadır. Sorunun, kollektör cilalanması ve/ veya bakır birikimi ile ilişkileri araştı rılmaktadır.

3.10. Pislik ve yağ bulaşıkları: Flaşa olan katkılarının (3,5) yanı sıra şu sorunları da yaratırlar:

1. Fırçaların yatakları içinde sıkışmalar.

Uygun fırça tipi saptanmcaya kadar kol lektör cam elyaf (fiber glass) fırçalarla

2. Yağ bulaşıklarının, faydalı kollektör yüzey tabakasının oluşmasını önlemesi.

temizlenir. Uygun tip bulunduktan sonra, normal bakımın dışında bu temizleme işine gerek kalmamaktadır.

3.8. Kıvılcım sınırlarının (black b a n d ) k a y m a s ı : Bir cer motoru tipinde 37 000 Km'lik servis sonunda komü tasyonun bozulduğu görüldü. Yapılan ince lemeler, kollektör yüzünün servis koşulları ile değişmesinden sonra kıvılcım sınırla rının kaydığını ve bu durumda komütasyon kutbunun % 4 zayıf kaldığını ortaya çıkar dı. Sorun, komütasyon kutbunun kuvvetlen dirilmesi ve fırçalarda dairesel şaşırtma (circumferential staggering) ile giderildi.

Yukarıda anlatılan büyük kaymaya sık rast lanmaz. Pratikte, kıvılcım sınırlarının % l'e kadar kayması olağan sayılmakta ve tasarım sırasında göz önüne alınmaktadır.

3.9. Kollektörün aşırı ısınması: Yalnız bir tip motorda görülen özel bir olaydır. Olağan dışı sıcaklık, kollektör yakalarındaki bağlantı lehimlerinin erime si ile (erime noktası 220°C) motorun bo zulmasına yol açmıştır.

Aşırı ısınma kollektöre fırçaların sürtün mesinden doğmaktadır. Bu sene (1964) başın dan beri, fırçalardan birinin içine gömül müş bir termistor ile, motorun kollektör sıcaklığı (servis sırasında) sürekli iz lenmiştir. Bu izlenimler, normal (100°C) değerinden 160°C'a kadar sıcaklık değişi minin 40 dak'dan fazla sürmediğini ve sı

3. Dilim arası boşlukların pislikle dolma sı ile oluşan atlamalar. Bir tip lokomo tifte bu tür atlamalar motorlara büyük zarar vermiştir. Pratik, cer motor vantila törlerinin temiz, yağ buharları ve yağ ka çakları olmayan yerlere konulmasının öne mini göstermektedir. Yağ banyolu süzgeçler kullanıldığı zaman, hava hızı ve süzme iş lemleri motorlara yağ emilmeyecek düzeyde, dikkatle seçilmelidir.

4. FIRÇALAR:

Modern cer motorları ve üreteçlerinde en çok kullanılan fırça tipleri Şekil 1 ve 2'de gösterilmektedir.

5. BAKIM:

Bir lokomotif ya da elektrikli tren dizisi bakım deposuna girdiği zaman, kollektör dilimlerinin yükseklik farkı ölçülmekte ve bu fark 76/1000 mm (.003")yi aştığı zaman kollektörler torna edilmektedir. Söz konu su yükseklik farkı sınırının kesinlikle saptanabilmesi için bütün depolarda, 3.3. bölümde adı geçen "kollektör profili ölçme aygıtı" geniş çapta kullanılmaktadır. Bu aygıtın ölçü kayıtlarından bazı örnekler Şekil 3'de görülmektedir.

Kollektörlerin yeniden torna edilmesi için gereken zaman (servis) motorun tasarım/ya pımına ve lokomotifin çalışma koşullarına bağlı olarak büyük değişiklikler göster mektedir. Örneğin, bazı cer motorlarında

Tablo 1. 1950'den beri Jl.D.na verilen cer

motorlarının özellikleri.

(ELEKTRİK TÎPİ)

J

koli. hızı

enbüyük

fırça A/cm2 (3)

reaktans volt (2)

ortalama dilim arası volt (1)

kutup/end I amp sarım 1 (en k.kutup) |

|

kutup %

| en k./en b. 1

kutup ad. 1

yalıtım 1 sınıfı

ı soğutma tipi

Adet

sargı tipi

Devamlı rejim (tam alan)

hp V

m/san

96 kendi B 4 dalga

52 kendi B 4 dalga

356 kendi B 4 dalga

628 kendi B 4

90 600 125 930 59 1,19 11,2 5,0 119 550 180 158 675 190 1200 47 0,82 15,5 185 620 250 1190 52 1,08 11,6 2,5

7,1 30

EG8567

7,4 33,5 EG14D

8,5 41,7 (EG116 (EG14D

6,8 40,1 EG14D

284 kendi B 4 dalga 189 693 220 1140 62 0,96 17,4

9,9 43,1 EG116

544 kendi B 4 dalga 192 975 165 1320 58 1,01 18,4 4,9 6,8 45,7 EG14D

3200 kendi F 4 dalga

92 kendi H 4

228 cebri B 4 dalga

225 675 280 985 53 1,2 17,7 5,4 8,7 42,7 EG14D

256 580 355 1095 54 0,86 10,7

11,8 42,7 (EG116

(EG99B/RA

310 700 360 880 46 0,98 17,6 8,3 7,7 45,7 EG6749N

24 cebri B 4

lap 358 675 425 1045

EG14D

42 cebri B 4

ı.ıı lap 390 700 450 1330 65

11,8 5,0 9,3 47,8 EG6749N

96 cebri B 6

lap 575 675 700 1167 60 0,71 13,2 5,5 9,9 47,8 EG14D

60 cebri H 4

lap 743 837 707 1230 70 0,89 16,7 6,4* 11,9 44,1 EG14D

40 cebri H 6

lap 750 850 725 1185 57 0,6 17,2

11,5 49,9 EG116

300 cebri H 6 kompan 830 975 700 1175 72 . 1,04 20,0 4,7 10,7 40,İ EG14D se+lap

(l)Ortalama hat geriliminde (2)Devamlı zayıf alan rejiminde (3)Devamlı tam alan rejiminde

(DÎZEL ELEKTRÎK TİPÎ)

40 cebri B 4 dalga

40 cebri B 4. lap

352 cebri H 4 dalga

236 cebri B 4

40 kendi B 4

232 cebri B 4

144 380 330 152 300 435

375 25 0,34 17,6 4,1 8,4 33

(EG6749N (EG98B/T

418 26 0,38 5,7

14,4 47,3 EG11S

158 397 350 480 46 0,52 11,5

11 40,1 EG99B/RA

182 475 330 510 25 0,45 12,0 2,7 9,8 45,7 (EG6749N

(EG14D

199 383 425 1360 81 0,92 11,5

11,6 40,6 EG14D

210 375 485 350 26 0,38 7,7

16 53,4 EG99B/RA

1712 704

1500 188 276 40

1000 1052

452 336 762 1200 132

cebri B 6 cebri B 4 cebri H 4 cebri B 4 cebri B 4 cebri B 6 cebri H 4 cebri B 4 cebri B 4 cebri H/B 4 cebri B 4 cebri F 4 cebri H 4

lap 212 300 600 362 21 0,29 7,3 5,8 10,5 44,7 EG14D

lap 213 515 350 549 25 0,45 12,0 3,7 10,4 45,2 EG14D

lap 220 300 630 320 25 0,27 6,5 4,6 11,8 37,1 EG14D

lap 224 440 430 340 32 0,50 10,9 3,6 13,2 43,7 EG98B/T

lap 236 415 485 386 29 0,42 7,9 3,6 16 53

EG99B/RA

lap 250 250 850 350

11,9 44,7 EG14D

lap 250 330 650 490 20 0,22 17,4 4,2 14,4 42,7 EG14D

lap 275 375 600 530 27 0,42 8,8 4,8 11,8 44,2 EG14D

lap 305 580 440 450 32 0,50 13,2 4,8 13,5 33

EG98B/T

lap 331 392 700 527 23 0,36 9,3 6,1 13,8 43,7 EG14D

lap 337 620 440 680 45 0,72 13,2 5,3 13,5 46,8 EG98B/T

lap 368 422 710

27 0,38 10,8 6,5 16,3 47,8 EG14D

lap 480 660 630 747 40 0,44 13,1 4,6 11,8 41,7 EG6749

(1) Dizel yük atma noktasında, (2) Devamlı zayıf alan rejiminde, (3) Devamlı tam alan rejiminde

280 000 Km'lik servisten sonra torna işlemi gerekirken, kimi motorlar yeniden torna lanmadan Önce 460 000 Km'yi geçen servis ler yapabilmektedir.

6. SONUÇ:

Servis koşullarının değişkenliği yüzünden, cer motorlarının kesin yapım değer ve o rantılarını saptamak zordur.

Servis tecrübelerinden kazanılan hilgilerin ışığı altında, yine de kollektör arızala rını azaltıcı ve geciktirici bazı temel kurallar ortaya konabilir. Tasarımın bu temel kuralların çerçevesi içinde kalması durumunda fırça tipi değişiklikleri/seçimi ile iyi makineler yaratılabilir.

Tasarıma iyi sonuç verecek dengeler sağla yabilmek için aşağıdaki sınırların uygu lanması tavsiye edilir:

Ana kutup/ enduvı reaksiyonu amper sarım oranı Ortalama dilim arası gerilimi

Fırça akım yoğunluğu

En büyük kollektör yüzey hızı (en bü yük servis hızında)

Elektrik

en

1,0

Dizel elk m j

3 2 0,4

en çok en çok

15 V 12 ,4 A/cm2

en çok 40 , 7 m/sn

adet ortal.ama dilinı arası volt (D reaktans 1 volt (2) | fırç

A/cm enbfr koli' m/saı

Tablo 2. 1950den beri l.D.na verilen ana üreteçlerin özellikleri.

a

HH

4 1 <4H

<wH

<Hc

H

3 T3

4 1 <U 313

sarşı tipi

Devamlı rej imde :

kW

V

rl

CM

N H

*** • r!

88 B 6

lap 406 397

10 B 6 duplex lap 555 290

44 B 6

lap 590 410

128 B 6

lap 640 600

10 B 6

lap 680 400

10 B 6 duplex lap 700 383

47 B 10

lap 757 440

58 B 6 duplex lap 780 415

20 B 8

lap 790 480

425 B 12

lap 820 545

69 B 10

lap 890 415

263 B 8

lap 900 750

98 B 10

l a p 1012 575

44 B/H 10 lap+kompanse 1090 660

250 B/H 10 1ap+komp ans e 1107 615

200 B 10

l a p 1313 730

137 B 10 lap+kompanse 1531 580

56 F 8 lap+kompanse 1650 785

103 F

8 lap+kompanse 1798 844

100 F 12 lap+kompanse 1805 423

700 1740 1320 1070 1700 1700 1720 1700 1650 1500 1940 1200 1760 1650 1800 1800 2640 2100 2130 4260

1500 1250 1250

850 1600 1500

750 1500

625 750 750 900 750 1125 850 850 1080 1080 1150 1150

13 8,5

19,7 16,6

9,5 19,6 11,3 17,2 17,8 16,0 18,8 19,6 19,6 19,6

26,0 22,5 23,1 18,7

11,6 11,5 6,0 10,9 4,6 12,3 11,3 11,3 6 , 3 10,5 11,3 5,7 14,6 A,2 10,4 12,1 »5 7 10,4 6,4 10,9 5,2 10,1 6 , 1 14 12,1 12,6 9 , 8 5,7 13 6,2 13,2 5,5 14,7

32 34,5 33,5 29 45,1 41,1 38,6 41,1 25,4 40,6 37,6 43,1 38,6 49,3 37,1 37,1 49,3 46,2 48,8 48,8

EG16 EG16 EG12 EGİ6 EG16

EG98B/T EG114 EG14 EG12 EG16 EG14 EG14D EG16 EG16 EG16 EG98B/T EG114 EG114 EG114

(1) Dizel yük atma noktasında, (2) Devamlı akım rejiminde, BÜTÜN ÜRETEÇLER KENDİNDEN SOĞUTMALIDIR