Видеоканал РЦИТ на YouTUBE


Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru


ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ
«Регионального Центра Инновационных Технологий»
Надёжность тягового подвижного состава


Надёжность тягового подвижного состава

   Исследования, проведенные совместно с доцентом В. Г. Галкиным (ОмГУПС) показали, что наибольшее влияние на пробои изоляции ТЭД оказывают токовая нагрузка (температура нагрева изоляции) и ее характер (скорость нагрева изоляции). Зимой на железных дорогах Западной и Восточной Сибири наблюдаются интенсивное увлажнение состарившейся изоляции и ее пробой.
   Исследованиями Уральского отделения ВНИИЖТа установлено существенное снижение мощности ТЭД НБ-418К6, ТЛ-2К1 по сравнению с НБ-412М при уменьшенном расходе воздуха. Это явление, как установлено автором, еще в большей степени проявляется и у ТЭД НБ-514.
   Установлено, что зависимости параметров потоков отказов ТЭД электровозов ВЛ10У, ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р и их изоляции от величины токовой нагрузки носят параболический характер. При значениях тока ТЭД, меньших тока продолжительного режима наблюдается практически линейная зависимость ωтэд и ωиз от нагрузки (рис. 1). В случае работы ТЭД с током, большим значения тока продолжительного режима, наблюдается резкое увеличение ωтэд, ωиз.


Рис. 1. Зависимость параметра потока отказов ТЭД от коэффициента КI  
(KI = Icp / I, Icp, I – средний ток текущего и ток продолжительного режима)

   Анализ показал, что надежность ТЭД НБ-514 после заводского ремонта почти в полтора раза ниже, чем НБ-418К6. Случаи отказа ТЭД НБ-514 электровозов ВЛ85 северного направления ВСЖД Тайшет–Таксимо (депо Вихоревка – ТЧ9, Северобайкальск – ТЧ12) более чем в два с половиной раза превышают количество отказов ТЭД того же типа электровозов депо Нижнеудинск (ТЧ2) и Улан-Удэ (ТЧ7) южного направления Тайшет – Петровский Завод (рис. 2). Это вызвано значительными нагрузками и продолжительностью эксплуатации в условиях низких температур воздуха ТЭД электровозов северного направления. Аналогичная закономерность наблюдается и у ТЭД НБ-418К6 электровозов ВЛ80. Случаи отказа ТЭД НБ-418К6, использующихся на северном направлении движения более чем в три раза превышают количество отказов ТЭД этого же типа южного направления дороги.
   Таким образом, прослеживается та же закономерность, что и у ТЭД дорог Западной Сибири, – старение изоляции ТЭД в первую очередь обусловлено скоростью нагрева изоляции и значением температуры нагрева. электровозы постоянного тока ВЛ10У ωтэд = 13,96 KI 3 – 10,89 KI 2 + 6,557 KI – 0,231 электровозы переменного тока ωтэд 10 км отказ 6 КI


Рис. 2. Надежность двигателей НБ-514 (а) и НБ-418К6(б)

   Отказы ТЭД электровозов КярЖД имеют аналогичный характер. Наибольшее количество отказов вызвано пробоем изоляции обмоток и круговыми огнями на коллекторах. Одной из причин, вызывающих круговой огонь на коллекторе, является затягивание меди. Выполнен анализ надежности АВМ пяти групп электровозов ВСЖД и КярЖД. У наиболее повреждаемых АВМ электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск отказы роторов находятся на уровне отказов статорных обмоток (рис. 3). Столь высокая доля выплавлений роторов двигателей АНЭ225 указывает на их работу в режиме, близком к режиму индукционного нагревателя. Установлено, что это явление вызвано отсутствием вентиляторов, вентиляционных каналов в листах ротора, скоса пазов ротора, открытием пазов ротора, а также неудовлетворительной защитой электротепловыми реле из-за значительного различия постоянных времени нагревания реле и АВМ. Выявлено, что отказы ВИПов электровозов ВЛ85 нередко обусловлены существенным повышением их температуры из-за значительной неравномерности вентиляции.


Рис. 3.

   Повышенный нагрев и колебания температуры ведут к ускоренному термомеханическому старению электронных приборов (ЭП), что проявляется в ухудшении их характеристик и последующем выходе из строя. При нарушении характеристик ЭП увеличивается неравномерность распределения нагрузки оборудования электровоза, а также нарушается нормальная работа ВИПов (броски тока) из-за помех, особенно в зимний период. При появлении бросков тока ВИПа электровоз выводится из эксплуатации. Наиболее часто отказы ВИПов наблюдаются у электровозов ВЛ85 северного направления ВСЖД Тайшет–Таксимо (рис. 4), что свидетельствует о существенном влиянии внешних условий эксплуатации, и прежде всего температуры окружающей среды, на надежность преобразователей.


Рис. 4.

   Установлено четырехкратное снижение расхода воздуха СР электровозов ВЛ85 по сравнению с аналогичным и реакторами электровозов ВЛ80 при практически равных потерях. Испытания электровозов ВЛ85 свидетельствуют о снижении расхода воздуха у трети реакторов до значений, составляющих четверть и менее номинального значения. Выявлено, что при этом возможен перегрев реактора с его воспламенением. Наблюдается снижение надежности СР и в первую очередь электровозов ВЛ85 (рис. 5). Часть перегревов реакторов вызвана перегрузкой по току, ослаблением крепления подводящих перемычек и уменьшением теплоотдачи из-за значительного загрязнения обмоток. Несмотря на то что отказы СР составляют лишь несколько процентов от отказов электровозов, они наиболее опасны, так как большая часть возгораний оборудования электровозов ВЛ85 вызывается именно ими. Более половины пожаров на электровозах железных дорог Восточного региона вызвано возгораниями предельно нагруженного оборудования – ТЭД, СР, ВИП и АВМ.


Рис. 5. Надежность СР электровозов переменного тока:
а – количество порч; б – неплановых ремонтов

   Эксплуатационно-ремонтное локомотивное депо Новая Чара ВСЖД введено в эксплуатацию в 1990 году. Однопутный участок обращения тепловозов депо Таксимо-Хани имеет протяженность 394 км. На участке эксплуатируются трех- и двухсекционные тепловозы ТЭ10У и ТЭ10М, постройки 1985-1991 годов, прошедшие капитальный ремонт с продлением срока эксплуатации в 1995-2006 годах. Лимитирующими по условиям нагревания тяговых электродвигателей в четном направлении являются перегоны между станциями Икабья и Хани, которые включают шестидесятикилометровый подъем из них почти двадцать километров с крутизной более 17‰. В нечетном направлении массу поездов по нагреванию ограничивает сорокачетырехкилометровый подъем, который начинается от станции Хани. Прицепка трехсекционных подталкивающих тепловозов производится на станциях Икабья и Хани. В период с 1996 по 2003 год грузонапряженность участка Таксимо-Хани увеличилась почти в три раза. Одновременно повысилась масса поезда, приходящаяся на одну моторную ось тепловоза. С использованием программы КОРТЭС выполнены тяговые расчеты ведения поездов массой 4100 т в четном и 4850 т в нечетном направлениях. В качестве головного и подталкивающих локомотивов приняты тепловозы 3ТЭ10У, с параметрами, соответствующими техническому состоянию новых тепловозов. Анализ результатов тяговых расчетов показал, что при следовании со станции Хани превышение температуры обмоток ТЭД достигло на вершине подъема 120°С, то есть предельного значения для класса нагревостойкости «В» тяговых электродвигателей. Минимальное значение скорости при новых бандажах составило 25 км/ч. При следовании со станции Новая Чара наибольшее превышение ТЭД имело значение 87°С, а скорость не снижалась менее 36 км/ч.

   Выполнены опытные поездки на участке Новая Чара-Хани в четном и нечетном направлениях с грузовыми поездами массой 4100 и 4850 т соответственно. В поездках контролировались ток, напряжение, температура ТЭД, скорость движения и другие данные. Анализ результатов опытных поездок показал, что скорость тепловоза на расчетный подъем не превышала 18-20 км/ч. Нормативная расчетная скорость тепловоза - 23,8 км/ч.
   При движении со станции Новая Чара в четном направлении температура остова наиболее нагретого ТЭД на вершине расчетного подъема составила 58°С, наименее нагретого - 34°С. При движении на станции Хани в нечетном направлении остов наиболее нагретого ТЭД имел на вершине подъема температуру 74°С, а наименее нагретого 45°С при температуре окружающей среды 32°С.
   Как показывают результаты выполненных ранее опытных поездок с локомотивами при такой разнице температуры остовов наиболее и наименее нагретых ТЭД разница температуры якорных обмоток составляет 60°С и более.
   Таким образом, результаты тяговых расчетов и опытных поездок указывают на повышенную температуру ТЭД тепловозов депо Новая Чара при ведении грузовых поездов на расчетные подъемы. Это вызывает интенсивное старение обмоток, выражающееся в повышенной пористости и хрупкости изоляции.
   Проанализирована надежность ТЭД тепловозов грузового движения. При анализе надежности тяговых электродвигателей ЭД118А и ЭД118Б тепловозов 3ТЭ10М и 3ТЭ10У использованы статистические данные об отказах ТЭД и пробегах тепловозов в период с января 2004 по июнь 2006 года, представленные отделом главного технолога и группой учета цеха эксплуатации локомотивного депо Новая Чара. Всего контролировалось 360 ТЭД. На основании первичных данных были рассчитаны параметры потока отказов тяговых электродвигателей, обмоток якорей, главных и дополнительных полюсов.

При анализе данных о надежности ТЭД можно отметить следующее.

   1. Отказы изоляции в первом полугодии 2006 года составили почти три четверти неисправностей ТЭД, причем 74% из них вызваны повреждениями изоляции якоря.

   2. Зависимости параметров потоков отказов тяговых электродвигателей, якорных и обмоток возбуждения изменяются во времени эксплуатации по линейным законам:
   ωтэд = 2,369Т + 13,75 , r = 0,709;
   ωя = 0,923Т + 16,41 , r = 0,463;
   ωгп, дп = 0,565Т – 0,374 , r = 0,565.
   (В выражениях: Т – месяц года; r – коэффициент корреляции).

   3. Отмечается увеличение параметров потоков отказов за рассматриваемый период соответственно ТЭД, якорных обмоток и обмоток возбуждения с 20,9; 19,2; 1,42 отказов на 1 млн.км в первом полугодии 2004 года до 77,8; 41,4; 14,9 в этом же полугодии 2006 года.

   4. Наблюдается существенное колебание параметра потока отказов во времени эксплуатации. Отказы ТЭД резко возросли в экстремально холодный зимний период 2005-2006 года.
   Проведен анализ влияния среднемесячных температуры ϑср и влажности ψср окружающего воздуха на надежность ТЭД в период эксплуатации с марта 2005 по июнь 2006 года. Зависимости надежности ТЭД, обмоток якорных обмоток, а также главных и дополнительных полюсов тяговых электродвигателей от среднемесячной температуры и относительной влажности воздуха имеют нелинейный характер:

   (В выражениях R – корреляционное отношение.)

   При анализе влияния ϑср и ψср на безотказность ТЭД и его изоляционных конструкций установлено:
   1. Наибольшее влияние средняя температура окружающей среды оказывает на тяговые электродвигатели, несколько меньшее на якорные и обмотки возбуждения двигателей. Минимальное число отказов ТЭД наблюдается при среднемесячных температурах окружающего воздуха, равных -5…0°С. Надежность снижается как при снижении ϑср, так и повышении более этих значений.
   2. Наибольшее влияние среднемесячная относительная влажность оказывает на надежность якорных обмоток ТЭД. С уменьшением относительной влажности воздуха менее 65%, а также с ее увеличением более 75% отказы изоляции якоря растут. Влияние среднемесячной относительной влажности воздуха на ТЭД в целом и особенно изоляцию обмоток возбуждения незначительно.
   3. Из двух метеорологических факторов внешней среды – среднемесячных температуры и относительной влажности воздуха более существенно влияет на надежность ТЭД первый фактор. Так теснота связи ϑср с надежностью ТЭД в целом, якорной обмотки и обмоток возбуждения двигателя составляет 0,57; 0,49; 0,41, а ψср с надежностью двигателей - соответственно 0,13; 0,39; 0,07.

   На основании проведенных исследований надежности изоляции ТЭД тепловозов депо Новая Чара можно утверждать, что характер и теснота связи между параметрами потоков отказов якорных обмоток и обмоток возбуждения ТЭД тепловозов указывает на повышенную хрупкость изоляции, приводящую к ее ускоренному разрушению. Это может быть вызвано отсутствием пропитки обмоток ТЭД на текущих ремонтах третьего объема, использованием при средних и капитальных ремонтах некачественных пропиточных лаков или лаков и компаундов, не обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики изоляции ТЭД, отсутствием регулярного объективного входного контроля изоляционных материалов, а также пооперационного и выходного контроля изоляции, использования методов пропитки, не обеспечивающих полное заполнение пропиточным лаком пустот в изоляции и между ее слоями. Нарушение технологии пропитки лаками, сушки и покрытия изоляции покровными эмалями – неполное просушивание изоляции перед и после пропиток, сокращенное время сушки, неравномерная температура по высоте или длине ТЭД при сушке – также способствует снижению надежности изоляции в эксплуатации.
   Установлено, что среднесуточный пробег грузовых тепловозов депо Новая Чара составляет 221 км. Наименьший и наибольший среднесуточный пробег тепловозов соответственно – 142 и 315 км. Это приводит к тому, что среднее время ожидания работы тепловозов превышает десять-двенадцать часов. За это время происходит сближение температуры обмоток ТЭД и воздуха до величины, при которой наблюдается интенсивное поглощение изоляцией влаги из окружающего воздуха. Чем более пориста изоляция, тем больший объем воды она поглощает за то же время и тем ниже, как правило, ее диэлектрическая прочность. Быстрому сближению температуры обмоток ТЭД с окружающим воздухом способствует также постоянная работа дизелей и соответственно вентиляторов тепловозов депо Новая Чара на холостом ходу в ожидании поездов.
   Таким образом, температурно-влажностный режим изоляции обмоток определяет эксплуатационную надежность ТЭД тепловозов депо Новая Чара. Для обеспечения требуемой эксплуатационной надежности ТЭД депо Новая Чара необходимо регулярное (постоянное) использование объективных средств контроля увлажненности изоляции и при ее переувлажнении применение ресурсосберегающей (сохраняющей изоляцию), энергосберегающей сушки ТЭД, сравнительно быстро восстанавливающей желаемый уровень увлажнения и диэлектрической прочности изоляции.

Контроль электрической прочности изоляции
Надежность тяговых двигателей электровозов

   В настоящее время на железных дорогах Восточного региона (ВР) [Красноярская, Восточно-Сибирская и Забайкальская железные дороги] используются мощные электровозы переменного тока. Электровозы эксплуатируются на трех направлениях – южном (Междуреченск-Тайшет), центральном (Мариинск-Карымская), северном (Тайшет- Таксимо). Они работают на крутых и протяжённых подъёмах, общая длина которых более ста километров. На этих подъёмах электровозы нередко реализуют мощность существенно превосходящую номинальную.
   Морозы на участках эксплуатации достигают -50°C и ниже, перепады температуры в течение суток до 20-35°С и более, продолжительность работы при отрицательной температуре окружающей среды составляет до одиннадцати месяцев в году.
   Анализы технического состояния электровозов железных дорог России за последние годы эксплуатации показывают, что порчи и неисправности электровозов ВР в 1,6 раза превышают среднесетевые. В экстремально холодный зимний период это превышение составило 2 – 2,5 раза.
   Пониженная надежность электровозов Восточного региона приводит к задержкам поездов, срывам передач вагонов на соседние железные дороги и снижению безопасности движения поездов.

   Анализ надежности электровозов Восточно-Сибирской железной дороги за последние годы эксплуатации показал, что существенная часть отказов приходится на тяговые электродвигатели. Наблюдается дальнейшее снижение надежности ТЭД электровозов ВЛ85 (двигатель НБ-514) и ВЛ80 (двигатель НБ-418К6). Более половины повреждений тяговых электродвигателей приходится на изоляционные конструкции. Стоимость восстановления работоспособности ТЭД после пробоя изоляции составляет десятки и сотни тысяч рублей. Велик ущерб от задержек поездов на линии при отказах ТЭД.
   Для определения влияния эксплуатационных факторов на надежность изоляции тяговых электродвигателей в качестве объекта рассмотрены двигатели НБ-514 электровозов ВЛ85 депо Абакан Красноярской железной дороги (южное направление ВР), депо Нижнеудинск (центральное направление ВР) и Вихоревка (северное направление ВР) Восточно – Сибирской железной дороги. Электровозы ВЛ85 осуществляют большую часть работы в грузовом движении ВР. В течение шести лет в каждом депо контролировалось от 120 и более ТЭД. На основании первичных данных были рассчитаны параметры потока отказов тяговых двигателей ωтэд и их изоляции ωиз (см. рис.7).


Рис. 7. Надежность ТЭД электровозов ВЛ85 южного, центрального и северного направлений Восточного региона

   Анализ изменения ωиз за один и тот же период эксплуатации показывает, что наименьшее число отказов изоляции двигателей, наблюдается на ТЭД электровозов депо Нижнеудинск, которые эксплуатируются на центральном направлении Мариинск КрасЖД – Карымская ЗабЖД – 5,7отказов/106км. Изоляция тяговых электродвигателей депо Вихоревка (северное направление Тайшет ВСЖД – Таксимо ВСЖД) имеют в 3,3 раза большее число отказов, чем двигатели центрального направления. Число отказов изоляции двигателей депо Абакан (южное направление Тайшет ВСЖД – Междуреченск КрасЖД) в 1,5 раза превышает аналогичную характеристику ТЭД электровозов центрального направления.
   Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии эксплуатационных факторов на надежность ТЭД электровозов Восточного региона.
   Выполнен анализ надежности электровозов ВСЖД за последние годы эксплуатации. Установлено, что большая часть отказов приходится на тяговые электрические двигатели (ТЭД), причем более половины их повреждений приходится на изоляционные конструкции. Наибольшее количество отказов изоляции наблюдается на ТЭД подталкивающих электровозов , которые эксплуатируются при повышенных, резкоизменяющихся токовых нагрузках, влажности и колебаниях температуры окружающего воздуха.
   При исследовании эксплуатационной надёжности изоляции тяговых двигателей подталкивающих электровозов в качестве объекта взяты двигатели НБ-418К6 электровозов переменного тока ВЛ80р. В течении шести лет 2000-2005 контролировались не менее 160-220 ТЭД. Данные об отказах ТЭД фиксировались в журналы технологов по тяговым электрическим машинам. Данные о пробегах электровозов выбирались из книги учета пробегов электровозов депо. На основании первичных данных рассчитаны параметры потока отказов тяговых электродвигателей ωтэд, электрических отказов ТЭД ωэл, якорей ωя, главных, дополнительных полюсов и компенсационных обмоток. При анализе к электрическим отказам ТЭД отнесены пробои изоляции, межвитковые замыкания как якоря, так и остовных полюсов и обмоток. Одновременно на участке Иркутск-Сортировочный – Слюдянка, выполнялись опытные поездки с динамометрическими вагонами, в которых осуществлялась запись скорости движения подталкивающего электровоза, напряжения контактной сети, ТЭД, токи двигателей, температуры обмоток и катушек ТЭД, окружающего воздуха, сопротивление и увлажненность изоляции ТЭД.

   Анализ литературных сведений о надежности изоляции двигателей показывает, что отказы изоляционных конструкций ТЭД обусловлены воздействием на ТЭД нескольких разных по природе факторов. При анализе факторов, воздействующих на изоляцию ТЭД, была использована следующая схема их классификации. В зависимости от типов электровозов, двигателей и характеристик участков подталкивания факторы группировались по трем уровням:
   - различные роды питающего тока, типы электровозов, двигателей, участки подталкивания;
   - один тип электровозов и тип двигателей, различные участки подталкивания;
   - один тип электровозов и тип двигателей, один участок подталкивания.

   В пределах уровня факторы разделяются на эксплуатационные, технологические и конструкционные, а также на переменные (имеющие достаточно широкий диапазон изменения) и постоянные (не изменяющиеся или факторы, колебания которых относительно среднего значения незначительны). Таким образом, на первом уровне исследования все факторы являются переменными. Для второго уровня часть факторов являются переменными, а часть постоянными. Для третьего уровня количество переменных факторов уменьшается по сравнению со вторым уровнем при возрастании количества постоянных.
   При установлении связи между ωэл и метеорологическими условиями эксплуатации, в период с января по декабрь , использованы данные о среднемесячных значениях параметра потока электрических отказов ТЭД, температуры ϑв и колеблемости температуры воздуха ∆ϑв, давлении водяного пара содержащегося в воздухе (абсолютной влажности) ψ и его колеблемости ∆ψ, количеством циклов перехода температуры окружающего воздуха через нулевое значение, а также глубины промерзания грунта Н, которое, согласно исследований сотрудников ОмГУПС, определяет величину вертикальных ускорений ТЭД. Данные о температуре, влажности окружающей среды и их колеблемости, а так же о глубине промерзания грунта (уровне вертикальных вибраций) были получены на метеостанциях Иркутск и Слюдянка. Принимались усредненные данные по двум пунктам. Зависимости между факторами и результирующим признаком.

   Результаты выполненного анализа указывают, что по степени влияния на электрические отказы изоляции ТЭД подталкивающих электровозов ВЛ80р ВСЖД эксплуатационные факторы можно расположить в следующей последовательности:
   1. Токовая нагрузка.
   2. Колеблемость температуры окружающей среды.
   3. Влажность окружающей среды.
   4. Температура окружающей среды.
   5. Число циклов перехода температуры окружающей среды через нулевое значение.
   6. Колеблемость влажности окружающей среды.
   7. Величина динамического воздействия со стороны пути.
   Полученные результаты указывают на то, что в значительной мере надежность ТЭД подталкивающих электровозов ВЛ80р зависит от эксплуатационных факторов, формирующих температурно-влажностный режим изоляции двигателя.


Система контроля увлажненности изоляции тяговых электродвигателей

   Выпуск новых грузовых электровозов существенно снижен и в ближайшие г оды предполагается эксплуатация имеющегося в настоящее время парка электровозов практически без пополнения новыми локомотивами. До девяноста процентов локомотивов выработали установленный срок эксплуатации, однако, их работа продолжается при постоянно понижающемся уровне надежности, который определяется, в первую очередь, состоянием изоляции силового электрооборудования. В этих условиях требуемый уровень надежности электровозов, возможно обеспечить лишь при регулярном объективном контроле уровня электрической прочности изоляции силового электрооборудования.
   Результаты исследований надежности электровозов научными коллективами нашей страны показывают, что на тяговые электродвигатели (ТЭД) приходится от 20 до 50% повреждений. На отказы изоляции приходится от половины до 2/3 неисправностей. Наибольшее число отказов ТЭД наблюдается в переходные периоды осенний – зимний – весенний. Установлено, что около 80% пробоев изоляции вызвано резким понижением уровня электрической прочности из-за увлажнения. Наибольшее число пробоев изоляции ТЭД наблюдается на направлениях железных дорог с продолжительным временем нахождения ЭПС в ожидании работы. Наиболее интенсивное увлажнение (как по скорости увлажнения, так и по накопленной массе влаги) наблюдается на ТЭД с состарившейся изоляцией. Наибольшая вероятность пробоя изоляции отмечается у ТЭД, с переувлажненной изоляцией при работе на высоком напряжении, что имеет место при движении электровозов с тяжелыми поездами на протяженные, критические по величине, подъемы.
   На отечественных электровозах отсутствует контроль влажности и температуры изоляции ТЭД, что не позволяет обеспечивать требуемый уровень ее электрической прочности.

   Группой ученых МИИТ накоплен многолетний опыт исследования надежности изоляции ТЭД электровозов. Обобщение этого опыта, а также анализ состояния электровозного парка нашей страны показывает, что для обеспечения необходимого уровня надежности ТЭД электровозов необходимо введение стационарной системы контроля увлажненности изоляции тяговых электродвигателей (СКУ) при прохождении ТО-2, текущих ремонтов и, что особо необходимо, контроль увлажненности изоляции перед отправлением после отстоя в ожидании работы, в первую очередь ТЭД электровозов, выделяемых для работы с тяжелыми поездами на протяженных, критических по величине, подъемах. Зажимы типа «крокодил» требуемого усилия


Рис.8 Электрическая схема автоматизированной системы определения
степени увлажнения изоляции ТЭД электровоза ВЛ80

   СКУ включает пять блоков (рис. 8). Блок 1 (MIC-2500). Прибором MIC-2500 оператор производит поочередное измерения величины поверхностного увлажнения (коэффициента абсорбции Ка) изоляции обмоток тягового электродвигателя электровоза. Дата, номер ТЭД и результат измерения вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 990 результатов измерений).
   Блок 2 (ПКВ). Прибором ПКВ оператор производит поочередное измерения величины объемного увлажнения (отношения абсорбционной емкости ΔС к геометрической емкости Сг) изоляции обмоток тягового электродвигателя электровоза. Дата, номер ТЭД и результат измерения ΔС/Сг вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 990 результатов измерений).
   Блок 3 (КЕЛЬВИН). ИК- термометром «Кельвин» оператор производит поочередное измерения температуры изоляции обмоток тягового электродвигателя Т°. Дата, номер ТЭД и результат измерения температуры вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 1000 результатов измерений).

   После осуществления измерений поверхностного , объемного увлажнений и температуры тяговых электродвигателей электровоза полученные значения Ка , ΔС/Сг и Т° с блоков 1,2,3 подаются:
   - на блок 4 - пересчета коэффициента абсорбции при температуре двигателя в момент измерения на , соответствующему температуре 20°С.
   - на блок 5 - пересчета отношения абсорбционной емкости ΔС к геометрической емкости Сг при температуре двигателя в момент измерения на соответствующей температуре 20°С.
   Результаты пересчитанного коэффициента абсорбции и пересчитанного отношения абсорбционной емкости ΔС к геометрической емкости Сг , выводятся на компьютер в виде табл.1 и табл.2.

Таблица 1 Электровоз ВЛ 80с №2056

Дата №ТЭД Заключение о степени увлажнении изоляции.
  1      
  2      
  3      
  4      
  5      
  6      
  7      
  8      

   На основании табл. 1 по данным и для каждого из проверенных двигателей выполняется заключение о увлажненности его изоляции, необходимости сушки изоляции и ее продолжительности (табл. 2).

Таблица 2

Длительность сушки

≥ 2 < 0,1 Сушка не требуется (сухая изоляция)
1,3 - 1,9 < 0,1 Кратковременная сушка (поверхностное увлажнение) 1,5-2 часа
> 2 > 0,1 Сушка по времени превышающая кратковременную в два раза (объемное увлажнение)
< 1,3 > 0,1 Сушка длительной продолжительности (поверхностное и объемное увлажнение)

Методы сушки увлажнённой изоляции ТПС

   Данные о надежности оборудования электровозов озов ов ВСЖД показывают, что большая доля отказов приходится на тяговые электрические машины. На основании исследований надежности ТЭД кафедрой ЭПС ИрГУПС было установлено, что 75…85% двигателей выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭД и снижение ее диэлектрической прочности.
   Широкое применение в практике сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭД электровозов и электропоездов получил конвективный метод с использованием калориферных установок. Такая практика существовала и на ВСЖД. Однако в последние годы калориферную сушку изоляции ТЭД прекратили, а заменили сушкой при помощи вентиляторов электровозов с параметрами теплоносителя, зависящими от температуры и влажности воздуха в цехе депо или на ПТОЛ. Однако технология сушки увлажненной изоляции ТЭД этим методом не позволяет управлять параметрами теплоносителя, а, следовательно, качественно сушить изоляцию. Сушка увлажненной изоляции обмоток ТЭД холодным воздухом с высоким влагосодержанием в течение длительного времени приводит не только к большим затратам энергии, но и не позволяет в большинстве случаев восстановить сопротивление изоляции. Исследования показали, что повышение температуры сушки с 30°С до 60°С приводит к сокращению процесса в 2 раза.

   Для сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭД рекомендуется применять горячий воздух от мобильных и стационарных калориферных установок. Однако существующие инструкции, рекомендации и руководства по выбору режимов сушки увлажненной изоляции тяговых электродвигателей предлагают в начале процесса сушки применять низкие температуры нагрева, а в конце процесса сушки температуру нагрева доводить до значений предельно допустимых для данного класса изоляции. Например, в руководстве по эксплуатации ВЛ85 (стр. 453) написано: “Начинайте сушку изоляции при температуре воздуха около 50°С, постепенно увеличивая до температуры 90…100°С”. Проведенные нами предварительные исследования указали, что такие режимы не только энергозатратны, но и приводят к интенсивному старению изоляции и сокращению срока службы ТЭД. Нами разработаны новые ресурсосберегающие принципы, методы, способы и средства по сушке увлажненной изоляции ТЭД, которые необходимо внедрять в практику ВСЖД путем применения управляемых электрокалориферных установок. Сущность новых принципов сушки состоит в том, что используется импульсно-прерывный способ управления электрокалориферной установкой с нисходящим уровнем энергетической мощности для каждого из последующих циклов (имеется патент на данный способ сушки). Этот способ предлагается применять для испарения влаги из материалов с повышенным влагосодержанием.
   Неправильно организованный процесс сушки не только будет ухудшать диэлектрические свойства изоляции ТЭД, но и сокращать сроки службы его. В этой связи необходимо создать экспериментально-производственную электрокалориферную установку с программатором, позволяющим варьировать режимами сушки увлажненной изоляции ТЭД с целью оптимизации технологии. В результате предварительных испытаний импульсно-прерывистой техники и технологии сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭД с нисходящим подводом энергии получен следующий технико-экономический эффект:
   1. Расход энергии на удаление влаги уменьшается в 1,5 … 2 раза.
   2. Время сушки увлажненной изоляции сокращается в 2 раза.
   3. Интенсивность старения изоляции снижается на 35 … 40%.

Широтно – прерывистый метод энергоподвода

   Сущность новых принципов сушки состоит в том, что используется широтно-прерывистый способ управления электрокалориферной установкой с нисходящим уровнем энергетической мощности для каждого из последующих циклов. Анализ кривой кинетики процесса сушки изоляции с физико-механической связью влаги показывает, что для удаления свободной влаги в начальный момент процесса сушки целесообразно подводить большое количество энергии, до достижения предельно допустимой температуры для данного класса изоляции с целью интенсификации процесса влагоудаления и сокращения времени на процесс сушки. По мере удаления влаги из изоляции уровень подводимой энергии необходимо снижать и поддерживать рабочую температуру, не превышающую предельно допустимых значений для данного класса изоляции. Время работы нагревателя калорифера в первом цикле определяется из выражения

(Рис. 9)

   где Тн  – постоянная времени нагрева ТЭМ;
   tmax  – предельно допустимая температура для данного класса изоляции;
   Vпред  – предельно допустимая скорость нагрева для данного класса изоляции.

   Рассмотрим и проанализируем различные варианты сушки увлажненной изоляции при помощи электрокалориферных установок. Технологический процесс сушки увлажненной изоляции ТЭМ с помощью электрокалориферной установки можно с позиции энергоподвода и выбора режима организовать по следующим схемам:
   - постоянный энергоподвод;
   - прерывистый энергоподвод.

   При постоянном энергоподводе нагревательные элементы и вентилятор электрокалорифера остаются включенными в течение всего процесса сушки изоляции. При прерывистом энергоподводе происходит чередование периодов включения и отключения нагревательных элементов при постоянно включенном вентиляторе. С позиций ресурсосбережения наибольший интерес для исследования представляет прерывистый энергоподвод. График работы электронагревателя калорифера в прерывистом режиме приведен на рис. 9.
   При помощи специального устройства, работающего как ключ, периодически присоединяют к источнику питания электронагреватель калорифера и затем отключают его. Замыкание и размыкание ключа происходит с периодом повторения tц.


Рис.9. Широтно-прерывистый принцип управления энергоподводом

   В течение промежутка времени tр ключ замкнут, а в течение промежутка времени tп ключ разомкнут. Среднее значение мощности электронагревателя зависит от соотношения величин tр и tц. Отношение tр к tц назовем коэффициентом относительной продолжительности включения электронагревателя и обозначим этот параметр индексом ɛ . Коэффициент относительной продолжительности включения электронагревателя можно определить по следующему выражению

(Рис. 10)

   Следовательно, изменяя значения tр и tц, можно регулировать среднее значение мощности электронагревателя электрокалорифера и управлять процессом сушки увлажненной изоляции. Кривая нагрева изоляции будет иметь пилообразный вид, отражающий процесс сушки при прерывистом нагреве. Через определенное время температурный режим при прерывистом энергоподводе практически установится и общий подъем кривой нагрева изоляции прекратиться.
   Электропотребление на процесс сушки увлажненной изоляции определиться положением крайней правой точки кривой энергопотребления.
   Включение и отключение электронагревателей калорифера при прерывистом энергоподводе осуществляется широтно-прерывистым методом управления электронагревателем калорифера.
   Принцип регулирования энергоподводом в процессе сушки увлажненной изоляции путем широтно-прерывистого метода управления электронагревателем калорифера базируется на том, что сохраняется неизменным период цикла tЦ, в течение которого происходит включение и отключение электронагревателя калорифера, изменяется интервал tР, в течение которого происходит включение электронагревателя. Были исследованы три режима широтно-прерывистого энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции:
   – с постоянным уровнем энергетической мощности в каждом цикле;
  – с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле;
   – с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле.

   Для ускорения процесса удаления влаги из внутренних слоев изоляции и охлаждения коллекторных пластин под щетками рекомендуется через 4 - 5 ч. снижать температуру воздуха до 50 - 60°С. Выполнить эту рекомендацию можно при организации процесса сушки увлажненной изоляции методом широтно-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле (рис. 10).


Рис. 10. Широтно-прерывистый принцип управления энергоподводом с понижением уровня мощности

   Так как, влага находится в основном в поверхностных слоях изоляции обмотки, то в период интенсивного нагрева большая часть ее будет удалена в первых циклах процесса сушки. Чередование периодов интенсивного нагрева изоляции с интенсивной вентиляцией позволяет использовать эффект внутреннего термовлагопереноса и завершить процесс сушки с минимальными затратами энергии и на сравнительно низком температурном режиме. А это в свою очередь позволит не только значительно сократить расход энергии на процесс сушки, но и в значительной степени обеспечить более высокую надежность изоляции после сушки и уменьшить показатели ее старения.
   Принципиально другая картина будет при организации процесса сушки увлажненной изоляции методом широтно- прерывистого энергоподвода с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле, т.е. так, как это показано на (рисунке 11).


Рис. 11. Широтно-прерывистый принцип управления энергоподводом с повышением уровня мощности

   Увеличение температуры к концу процесса сушки приведет не только к повышенным затратам энергии, но и к необратимым процессам в изоляции тяговых электрических машин и к сокращению срока их службы.
   Мощность электрокалориферной установки выбирается из расчета времени нахождения электровоза в депо при проведении технического обслуживания (ТО). Напряжение питания электрокалориферной установки принимается 380В.


Рис. 12. Динамика изменения параметра потока межвитковых замыканий
изоляции якорей двигателей НБ-418К6, прошедших ремонт КР


Рис. 13. Зависимость показателя безотказности двигателей НБ-514,
прошедших ремонт КР, по межвитковым замыканиям якорей


Рис. 14. Характер изменения параметра потока пробоев изоляции
главных полюсов двигателей НБ-418К6, прошедших ремонт КР


Рис. 15. Изменение параметра потока пробоев изоляции
главных полюсов двигателей НБ-514, прошедших ремонт КР


Рис. 16. Зависимость показателя безотказности двигателей НБ-418К6,
прошедших ремонт КР, по пробоям изоляции дополнительных полюсов

   Параметры потоков отказов тяговых электродвигателей НБ-514 и НБ-418К6, прошедших средний и капитальный ремонты СР и КР

Параметры

/

Узлы двигателей

Виды ремонта
СР КР
Тип двигателя
НБ-514 НБ-418К6 НБ-514 НБ-418К6

ЯКОРЬ

       
0,042 0,016 0,016 0,011
0,004 0,016 0,010 0,009
0,047 0,032 0,026 0,020
1,49 1,30

ОСТОВ

       
0,0086 0,0029 0,018 0,0086
0,0040 0,0050 0,020 0,0113
0,0126 0,0079 0,038 0,0199
1,59 1,91

МЯП

       
0,019 0,025 0,034 0,031
0,052 0,039 0,058 0,052
0,052 0,039 0,058 0,052
1,11 1,11

Методика комплексного статистического контроля состояния изоляции ТЭД


Характер изменения потока отказов изоляции тяговых двигателей электровозов ВСЖД

Влияние окружающей среды на надёжность ТЭД


Контроль наддува охлаждающего воздуха
ДИАГНОСТИКА ВЕНТИЛЯЦИИ ПРЕДЕЛЬНО НАГРУЖЕНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА

   Рассмотрены способы диагностики вентиляции оборудования электровоза. Приведена методика определения расхода воздуха предельно нагруженного оборудования электровоза по величине активной мощности приводного двигателя вентилятора.
   Опыт эксплуатации электровозов железных дорог Восточного региона показал, что на предельно нагруженное оборудование: тяговые электродвигатели (ТЭД), выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП), сглаживающие реакторы (СР) приходится около половины отказов. Это оборудование электровозов не надежно и оно не защищено от неблагоприятных эксплуатационных воздействий, в том числе и от повышенного нагрева.
   Тяговые двигатели отечественных электровозов переменного тока не имеют защиты от перегрева. Условную защиту от превышения температуры осуществляют токовые реле и быстродействующие выключатели. Однако они имеют токи уставки, составляющие 1,7-2,2 номинального тока, и допускают чрезмерный перегрев изоляции двигателей. Отсутствует контроль температуры СР и ВИП. В то же время противопожарная защита, установленная на электровозах ВЛ85, как показывает опыт эксплуатации, не эффективна.
   Статистические данные о работе электровозов переменного тока, наблюдения и опытные поездки с ними свидетельствуют о существенном влиянии вентиляции на нагрев предельно нагруженного оборудования. Для количественной оценки проведены вентиляционные испытания электровозов ВЛ80С и ВЛ85 в зимний период эксплуатации. Установлено снижение расхода воздуха различных видов оборудования. Средний расход воздуха тяговых двигателей контрольной группы, состоящей из 32 двигателей, составил 66,5 % от номинального расхода QH при коэффициенте вариации 33,2 %.(Минимальное значение расхода воздуха для зимних условий эксплуатации - 0,8 QH ). Три четверти обследованных ТЭД имели расход воздуха менее предельно допустимого. Причем расход воздуха через один из контролируемых ТЭД составил лишь около четверти QH.
   Около 80 % сглаживающих реакторов пятнадцати обследованных электровозов ВЛ85 имели расход воздуха менее номинального (45 м3/мин). Две трети общей совокупности СР работали при количестве охлаждающего воздуха 32,8- 46,6% от QH. Снижение расхода воздуха наблюдается и у остального вентилируемого оборудования электровозов. Расчеты и эксперименты показали, что наблюдаемое в эксплуатации чрезмерное снижение расхода охлаждающего воздуха приводит к интенсивному старению изоляции оборудования, отжигу и изломам проводников и шин, а также к пожарам электровозов. Ежегодный ущерб от пожаров оборудования электровозов Восточного региона составляет 12- 14 миллиона рублей и более. Имеют место случаи выгорания секций электровозов на 85-90%. Значительное количество пожаров оборудования электровозов вызвано возгораниями СР, ВИП, ТЭД.

   В настоящее время полная проверка и регулировка вентиляции электровозов производится лишь на заводе-изготовителе. Частичная проверка и регулировка, при которой контролируется расход воздуха ТЭД и избыточное по отношению к атмосферному давление в высоковольтных камерах (ВВК) электровозов, выполняется при средних, капитальных, текущих ремонтах третьего объема, а также при подготовке к работе в зимних условиях, т.е. не чаще, чем один раз в году. Опыт эксплуатации электровозов переменного тока на ВСЖД показывает, что этого недостаточно для обеспечения необходимой интенсивности вентиляции. Необходима более частая периодическая проверка и регулировка вентиляции всего оборудования электровозов или, что более желательно, постоянный контроль вентиляции (или температуры) основного оборудования.
   При проверке вентиляции ТЭД и избыточного давления в ВВК применяются трубки Пито и Прандтля, устанавливаемые в воздуховоды через отверстия в крышках коллекторных люков или полых болтах крепления подшипниковых щитов ТЭД, соединенные резиновыми шлангами с жидкостными микроманометрами или U - образными манометрами. Используется также способ определения расхода воздуха с передачей давления воздуха в коллекторной камере ТЭД к манометру через штуцер, устанавливаемый на крышке коллекторного люка, и шланг. Эти способы трудоемки, особенно на электровозах с наклонными тягами, и не позволяют производить качественную регулировку групповой системы вентиляции.
   Нами разработана и опробована методика проверки и регулировки групповой системы вентиляции с использованием магазина U-образных манометров, номограмм расхода воздуха в зависимости от его давления в воздуховодах с учетом температуры и атмосферного давления воздуха в момент измерения. Трудоемкость проверки и регулировки групповой системы вентиляции при применении этой методики значительно ниже по сравнению с существующими.
   Опробованы способы измерения расхода воздуха и контроля вентиляции электровозов переменного тока с использованием:
   - чашечных, индукционных анемометров и анемометров со светодиодами;
   - емкостных датчиков расхода воздуха;
   - медных температурных датчиков интенсивности вентиляции;
   - ветроструйных реле;
   - жидкостных микроманометров при единичном измерении давления на выходе вентилятора, позволяющем определить состояние групповой системы вентиляции по зависимости давления воздуха от его производительности.

   Разработан и опробован в условиях эксплуатации простой и эффективный метод комплексной проверки интенсивности охлаждения вентилируемого оборудования электровозов переменного тока, основанный на измерении активной мощности приводных асинхронных двигателей вентиляторов. Этот метод диагностики вентиляции наиболее подходит при переводе электровозов из зимнего режима работы на летний и наоборот.
   Согласно этому методу производительность вентиляторов определяется на тракционных путях основного депо или пункта технического обслуживания локомотивов. Перед проверкой система вентиляции электровоза, например ВЛ85 (рис. 7), переводится на летний режим (снимаются снегозащитные шторы, закрываются окна рециркуляции, регулировочные заслонки ТЭД, СР, силового трансформатора переводятся в летнее положение). В однофазную цепь питания вспомогательных машин (шина С9) устанавливается измерительный трансформатор тока Т40 типа УТТ-5 (рис.18). Выводы вторичной обмотки Т40 проводами ПС-1000, сечением 1,5мм2 соединяются с токовыми зажимами измерительного комплекса К-506, установленного в кабинете контролируемой секции. Проводами ПС-1000, сечением 1,5мм2 шины С8, С9 (напряжение вспомогательных машин) соединяются с соответствующими зажимами комплекса К- 506. Отключаются двигатель маслонасоса трансформатора контролируемой секции и все асинхронные двигатели неконтролируемой. После подъема токоприемника включается расщепитель фаз (РФ) и мотор-компрессор (МК), по окончании работы которого производятся измерения производительности вентиляторов (см. табл. 1). В каждом цикле измерения после выключения РФ в установившемся режиме работы мотор-вентилятора выполняются измерения напряжения питания Uвм активной (входной) мощности Рэл двигателя АНЭ225 привода вентилятора, температуры υв и давления воздуха В.


Рис. 17. Схема вентиляции электровоза ВЛ85:
1 – дефлектор; 2 – воздуховоды к тяговым двигателям; 3 – патрубок переходный; 4 – вентилятор ЦВВ89-15 №8,2 (МВ1, МВ2, МВ3); 5 – двигатель вентилятора; 6 – вентилятор Ц8 - 19 №6,5 (МВ4); 7 – тяговый трансформатор; 8 – выпрямительная установка возбуждения (ВУВ); 9 – преобразователь ВИП-4000; 10 – колпак ББР; 11 – блок стабилизирующих резисторов; 12 – вентилятор Ц8-19 №7,6 (МВ5); 13 – жалюзи; 14 – воздуховоды к индуктивным шунтам; 15 – воздуховод к сглаживающему реактору; 16 – регулировочная заслонка; 17 – воздухораспределительная камера; 18 – воздуховод к ВУВ; 19 – реактор сглаживающий; 20 – малая форкамера; 21 – большая форкамера; 22 – снегоотбойный лист

Таблица 1 Карта измерения производительности вентиляторов электровоза ВЛ85

Номер
мотор-вентилятора
 Этап измеренияенияения Приводной двигатель Измеряемые параметры
РФ МВ1 МВ2 МВ3 МВ4 МВ5 МК МН Uвм,
В
Рэл,
кВт
В,мм. рт.ст. υв,
 ºС
Состояние двигателя
МВ1 П                        
И                 Uвм1 Рэл1 В1 υв1
МВ2 П                        
И                 Uвм2 Рэл2 В2 υв2
МВ3 П                        
И                 Uвм3 Рэл3 В3 υв3
МВ4 П                        
И                 Uвм4 Рэл4 В4 υв4
МВ5 П                        
И                 Uвм5 Рэл5 В5 υв5
...
П – подготовка к измерению   - двигатель включён
     
И – измерение   - двигатель отключён


Рис. 18. Схема измерения напряжения Uвм и входной мощности Рэл мотор-вентиляторов электровоза ВЛ85:
МВ1, МВ2, МВ3 – мотор-вентиляторы ВИП, СР, ТЭД, индуктивных шунтов; МВ4 – тягового трансформатора; МВ5 – ББР; РФ – расщепитель фаз; МК – мотор-компрессор; МН – мотор-насос трансформатора

   После окончания измерений в первой секции электровоза выполняются монтаж измерительного оборудования и измерения во второй секции.
   По зависимостям выходной механической мощности двигателя АНЭ225 от входной (активной) мощности при разном напряжении питания (рис. 19) находится мощность на валу двигателя , при давлении В i и температуре воздуха υвi и во время измерения входной мощности приводного двигателя вентилятора Рэлi. Определяется плотность воздуха при измерении производительности вентиляторов


Рис. 19. Зависимость выходной мощности Рмех двигателя АНЭ225 от входной Рэл

   Плотность воздуха при нормальных условиях

   где Вн = 760 мм.рт.ст. – давление воздуха при нормальных условиях;
   υвн = + 20 °С – температура воздуха при тех же условиях.

   Находится отношение плотности воздуха при нормальных условиях и в момент измерения

   Выполняется пересчет мощности  , на валу двигателя АНЭ225 к мощности этого же двигателя при нормальных условиях


Рис. 20. Зависимость расхода воздуха Q от мощности РНмех  [на рисунке номинальный расход воздуха:
1 – вентилятор 4 (МВ4); 2 – вентилятор 5 (МВ5); 3 – вентиляторы 1, 2, 3 (МВ1, МВ2, МВ3)]

   По зависимостям подача воздуха вентилятора Q от мощности на валу приводного двигателя РНмех  при нормальных атмосферных условиях (рис.4) устанавливается подача воздуха контролируемым вентилятором. При снижении подачи воздуха более 5% номинального значения устанавливается причина снижения подачи и производится ее устранение. Затем выполняется повторная проверка производительности вентилятора.


Надёжность тягового подвижного состава