Совершенствование технологии восстановления изоляции
электрических машин тягового подвижного состава
при деповском ремонте

Дульский Евгений Юрьевич
 ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИрГУПС (ИрИИТ)

Анализ отказов тяговых двигателей
электровозов серии «Ермак»

1.1 Анализ надежности тяговых двигателей электровозов серии «ЕРМАК»

   В процессе эксплуатации ТЭД подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов, причем на электровозе эти факторы оказывают комплексное воздействие [2, 18, 50, 51, 64, 89, 118, 135].

   В настоящее время рабочий парк грузовых электровозов нового поколения серии «ЕРМАК» (Э5К, 2ЭС5К и 3ЭС5К) на сети железных дорог Восточного полигона обращения составляет уже 500 единиц, находящихся на обслуживании «ТрансМашХолдинг-Сервис» (ТМХ-Сервис).

   Несмотря на то, что данные электровозы является современными, в качестве тяговых на них используются коллекторные двигатели типа НБ-514Б, применяемые и на более старых сериях электровозов, таких как ВЛ85. Как показала практика, по количеству отказов среди прочего оборудования, данный ТЭД занимал и занимает первое место (рисунки 1.1, 1.2) [20, 21, 35, 58, 60, 114, 131].

   Проблема надежности этих двигателей перешла и на электровозы серии «ЕРМАК» [128].

   За 12 месяцев 2012 года по электровозам серии 2ЭС5К, 3ЭС5К допущено 1371 случай захода локомотивов на неплановый ремонт, против 267 случаев за тот же период 2011 года (допущено увеличение количества заходов на неплановый ремонт в 5,2 раза). Общий простой в ремонте данной серии электровозов за 2012 год составил 20534 часа, против 6201 часа в 2011 году (увеличение количества часов в 3.3 раза). На 1 млн. км. пробега случаи непланового ремонта составили 71,4 в декабре 2012 года, против 12,97 случаев в декабре 2012 года (увеличение в 5,5 раза). На 1 млн. км. пробега случаи непланового ремонта составили 55,02 за 2012 год, против 10,58 случаев за 2011 год (увеличение в 5,2 раза).

Рисунок 1.1. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов
серии ВЛ85 по сети ВСЖД за 2011 год

Рисунок 1.2. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов
серии ВЛ85 по сети ВСЖД за 2012 год

   По данным статистики, отказы ТЭД электровозов серии «ЕРМАК» за 2011 год составляли 17% от общего числа отказов всего оборудования электровозов (рисунок 1.3), а за 2012 год - 27% (рисунок 1.4).

Рисунок 1.3. Диаграмма отказов оборудования электровозов серии «ЕРМАК»
по сети ВСЖД за 2011 год

Рисунок 1.4. Диаграмма отказов оборудования электровозов серии «ЕРМАК»
по сети ВСЖД за 2012 год

   С начала 2012 года в сравнении с 2011 годом количество заходов электровозов серии «ЕРМАК» на неплановый ремонт резко увеличилось (таблица 1.1). Самая частая причина неплановых ремонтов электровозов данных серий – отказ ТЭД типа НБ-514Б, что составляет порядка 30% от отказов всего оборудования.

Таблица 1.1 – Количество заходов электровозов серии «ЕРМАК»
на неплановый ремонт за 2011–2012 гг.

   В таблице 1.2 представлены сведения по отказам электровозов по сериям.

Таблица 1.2 – Распределение отказов по сериям электровозов за 2012 г.

   Главная причина отказов ТЭД на электровозах и ЭМ в целом – это низкий ресурс изоляции их обмоток (таблица 1.3).
   Так как изоляция является наиболее уязвимым и в тоже время дорогим элементом в конструкции машины, проблеме продления её ресурса и восстановления её физико-механических свойств уделяется большое внимание [1, 39, 56, 58, 86, 91, 93, 135, 137, 138].
   Из всех отказов ТЭД по причине выхода из строя изоляции примерно 30-40% приходится на лобовые части обмоток якоря ТЭД.

Таблица 1.3 – Распределения отказов элементов ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»

   Восстановительные работы по восстановлению изоляции ТЭД типа НБ-514Б проводят в объеме деповского ремонта (ТР-3) в локомотиво-ремонтных депо через каждые 500 т. км пробега электровозов серии «ЕРМАК». На практике же это цифра значительно меньше и в среднем равна 350 т. км.

   При эксплуатации электровозов на изоляционные конструкции тяговых ЭМ (ТЭМ) воздействует сложный комплекс внешних факторов [9, 46, 106, 127, 141, 143, 145, 147], который с течением времени приводит к постепенному изменению структуры и ухудшению диэлектрических свойств изоляции. В первую очередь, к таким факторам относятся:
   – температурные воздействия (от –60 до +30 °С);
   – вибрационные механические воздействия;
   – влияние увлажнения изоляции;
   – запыленность;
   – воздействие внутренних перенапряжений;
   – грозовые перенапряжения.

   Действие перечисленных факторов вызывает объективное старение изоляционных конструкций. Принято считать, что в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены при восстановительных ремонтах изоляции. Однако, как правило, изменения свойств изоляционных материалов носят необратимый характер и завершаются пробоем изоляционной конструкции ЭМ ТПС [64]. Объективные процессы старения ограничивают срок службы, поэтому при разработке, изготовлении, в процессе ремонта и эксплуатации ЭМ ТПС должны быть предусмотрены меры, снижающие темпы старения до такого уровня, при котором обеспечивается срок ее службы.

   Повышение надежности и продление ресурса ЭМ ТПС – проблема многогранная и требует комплексного решения. В этом направлении можно выделить следующие пути:
   - совершенствование конструкции ЭМ;
   - модернизация действующих ЭМ ТПС и систем их диагностики [111];
   - совершенствование устройств защиты от работы в аварийных режимах;
   - внедрение новых методов и средств восстановления изоляции ЭМ ТПС при их ремонте и техническом обслуживании.

1.2 Анализ основных факторов и возможных причин
выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов
по сети железных дорог Восточного полигона обращения

   Наиболее пагубное воздействие на изоляцию оказывает влага и теплота [57, 87]. При поглощении изоляцией влаги снижаются её объемное и особенно поверхностное сопротивления, растет угол диэлектрических потерь и несколько повышается диэлектрическая проницаемость, снижается электрическая прочность вследствие перераспределения поля внутри изоляционного материала. При этом насыщенные влагой участки изоляции обладают очень большой диэлектрической проницаемостью, а в менее увлажненных участках резко возрастает напряженность электрического поля. Следствием этого являются пробои и межвитковые замыкания.

   Наличие влаги в изоляции объясняется несколькими факторами. Главным из них является несовершенная система вентиляции ТЭД типа НБ-514Б (рисунок 1.5) [62], обусловленная тем, что обмотки лобовых частей его якоря оказываются в конце пути охлаждающего воздуха, который успевает нагреваться до того момента, как их достигнет [30, 82].

Рисунок 1.5. Образование конденсированной влаги и
при осуществлении вентиляции ТЭД типа НБ-514Б

   При этом если ТЭД снаружи находится под воздействием низких температур, в области его задней прижимной шайбы начинает конденсироваться влага, которая при остановке машины приводит к переувлажнению лобовой части и проникновению воды в глубину паза проводников.

   Образование конденсированной влаги возникает также при постановке электровоза в теплое депо с непрогретыми заранее ТЭД в периоды низких температур окружающей среды и при эксплуатации ТПС на участках и перегонах, имеющих протяженные искусственные сооружения (например – Северо–Муйский тоннель).

   При анализе конструкции ЭМ ТПС была выдвинута гипотеза о том, что влага проникает в изоляцию через открытые лобовые части обмоток, будь это якорь или статор. Активная часть обмотки укладывается в пазы и удерживается от радиального смещения клиньями из (стекло-) текстолита, в этих местах изоляция наиболее защищена от проникновения влаги [3, 119]. В лобовых же частях обмоток проводники не имеют подобной защиты (рисунок 1.6–1.7).

Рисунок 1.6. Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции
обмоток якоря ТЭД электровоза: 1, 2 – зоны возможного проникновения влаги

   Именно в этом месте вода проникает в паз, вызывая впоследствии МВЗ и пробои изоляции.

   В работе С.А. Бабичева было показано, что по статистике лобовая часть статора электрической машины отказывает в 36% случаях [5].

   Помимо этого, в месте выхода секции из паза сердечника, в области лобовой части, напряженность электрического поля увеличивается [11].

Рисунок 1.7. Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции обмоток
статора асинхронных вспомогательных машин (АВМ) ТПС:
1, 2 – зоны возможного проникновения влаги

   На рисунке 1.8 показана эпюра напряженности электрического поля в области лобовой части обмотки ЭМ ТПС.

   В этой зоне возникают направленные вдоль поверхности разряды. С повышением напряжения такие разряды могут проскакивать на большую длину, вплоть до полного перекрытия лобовой части. Начальное напряжение обеих стадий (кВ) опи- сывается общей формулой Теплера, полученной эмпирическим путем 1,36 10 , 4 -0,45 = × × Н уд U С (1.1) где Суд – удельная поверхностная емкость изоляции [Ф/см2]. а) б)

Рисунок 1.8. Эпюра напряженности электрического поля в области лобовой части
обмотки якоря ТЭД (а) и статора АВМ (б) электровоза

   Такие тлеющие разряды возникают при напряжении в 3-4 раза меньшем ра- бочего и могут повреждать изоляцию при длительной эксплуатации, а также возможны повреждения резиновых уплотнений.

   Краевые разряды устраняются с помощью изменения конструкции изоляции лобовой части обмотки - на ее поверхность наносится полупроводящее покрытие высокого сопротивления [12].

   Кроме того, изоляция обмоток может сильно повреждаться при вибрационных нагрузках, оказываемых на ЭМ ТПС.

   Вибрацию ЭМ ТПС вызывают силы механического и электрического происхождения [148]. Эти силы делятся на действующие при изменении нагрузки, в аварийных условиях и в стабильном состоянии. Помимо этого, они делятся на силы, действующие на сердечник остова ТЭД (статора), на лобовую часть в целом и на отдельный стержень (катушку) в пазу. В местах выхода стержней или катушек из пазов в районе лобовой части вибрация оказывает наиболее пагубное воздействие на состояние изоляции, вызывая её дальнейшее старение. На основании питающей частоты, лобовая часть может колебаться в двух критических диапазонах, частота сети, обычно, производится механическими силами и двойная частота сети, производимая электромагнитными силами от токоведущих фазных проводников.

   Механическая вибрация является результатом вращения якоря ТЭД (ротора АВМ): несбалансированный или смещенный якорь ТЭД (ротор АВМ), поврежденные подшипники и электрические проблемы якоря ТЭД (ротора АВМ), такие как короткое замыкание обмотки или, для АВМ, сломанные стержни в короткозамкнутых роторах [155].

   Вибрацию электрического происхождения вызывают электромагнитные силы между обмотками якоря ТЭД (статора АВМ), создаваемые токами, протекающими через них. В нормальном режиме работы эти силы являются относительно низкими и приходятся на структуру поддержки лобовой части обмотки. Во время крупных стрессовых событий, таких как короткое замыкание, ток может вырасти в 10 раз от номинального значения и в результате воздействие сил на лобовую часть может быть в 100 раз выше, чем при нормальных условиях эксплуатации.

   В доказательство слабой защищенности лобовых частей можно привести опыт локомотиво-ремонтного депо ст. Нижнеудинск.

   В 1999–2001 годах в локомотивном депо ст. Нижнеудинск ВСЖД была введена технология дополнительной пропитки и сушки изоляции лобовой части обмотки якоря с противоколлекторной стороны (рисунок 1.9). Необходимость этой технологии была обусловлена резким увеличением пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514 электровозов серии ВЛ85 за этот период.

   Причины резкого увеличения пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514, обусловленные условиями эксплуатаций электровозов ВЛ85 на участке Тайшет–Таксимо (северный ход) и низкой влагостойкостью изоляции якоря ТЭД типа НБ-514, ранее были отражены в работах А.М. Худоногова и В.П. Смирнова [115, 116, 129, 135].
   На рисунке 1.10 приведен характер изменения потока пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514 на период «до» внедрения технологии дополнительной пропитки и сушки задней лобовой части якорной обмотки и «после» её внедрения.

Рисунок 1.9. Технология дополнительной пропитке и сушке
изоляции лобовой части обмотки якоря

Рисунок 1.10. Характер изменения потока пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514

   Видны два явно выраженных периода кривой отказов: до (сплошная линия) и после (пунктирная линия) внедрения технологии дополнительной пропитки и сушки изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД НБ-514.

1.3 Постановка задач диссертационной работы

   Проведенный анализ надежности ТЭД типа НБ-514Б по электровозам серии «ЕРМАК» показал их высокую уязвимость в плане защищенности изоляционных конструкций от воздействий внешних факторов (в основном влаги).
   Это свидетельствует о неудовлетворительном качестве современных методов и средств по восстановлению изоляции в условиях деповского ремонта, применяемых в настоящее время на сети ОАО «РЖД», что приводит к снижению показателя межремонтного пробега до восстановительных работ в объеме деповского ремонта (ТР-3) для ТЭД типа НБ-514Б в среднем на 150 т. км.
   С этой позиции необходимо совершенствовать технологию восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС на основе капсулирования изоляции их обмоток ИК-излучением в рациональных режимах ИК-энергоподвода.
   Основываясь на выше изложенном, сформулируем задачи, решение которых осуществим в ходе выполнения настоящей диссертационной работы:

   1) предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;

   2) разработать конечно-элементные математические модели для оценки работоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИК-энергоподвода при ремонте;

   3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в эксплуатации;

   4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;

   5) усовершенствовать технологическое оборудование для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б.

• Тяговый электродвигатель ЭД-118А.
• Тяговый электродвигатель ТЛ-2К.
• Тяговый электродвигатель ТЛ-2К1.
• Тяговый электродвигатель ДТК-800А.
• Асинхронный тяговый двигатель ДТА-1200А (3ТС.085.003РЭ).
• Каталог тяговых электродвигателей, типа НБ и НТ.
• ТИ 752 Технологическое обслуживание и ремонт ТЭД НБ-514 (Чертежи двигателя ТЭД НБ-514).
• ТИ 754 Технологическое обслуживание и ремонт ТЭД НБ-418 (Чертежи двигателя ТЭД НБ-418).
• ПКБ ЦТ.06.0001 Разработка технологических процессов для технического обслуживания и текущего ремонта локомотивов их агрегатов, узлов или деталей. О системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД».
• ПКБ ЦТ.25.0011 Техническое обслуживание и ремонт асинхронных электродвигателей НВА-22, НВА-55 электровоза ЭЛ1. Технологическая инструкция.
• ПКБ ЦТ.25.0082 Техническое обслуживание и ремонт тягового электродвигателя типа ЭД-118А. Технологическая инструкция.
• ЦТ-ЦТВР-4782 Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава.
• ЦТ-ЦТВР-4677 Правила ремонта электрических машин тепловозов.
• Сравнительные характеристики тяговых электродвигателей ЭД и АД.
• Перечень документации по локомотивному хозяйству (Технологические инструкции).
• Нормы допусков и износов тяговых электродвигателей типа ЭД-118А, ЭД-118Б (Выписка из инструкции ЦТ-ЦТВР/4677).
• Технология ремонта остова тягового двигателя НБ-514 в ТЧР-2 Нижнеудинск в объеме ТР-3.
• Технологии и технические средства восстановления изоляции электрических машин тягового подвижного состава.
• Анализ методов контроля теплового состояния асинхронного тягового электродвигателя при испытаниях и в эксплуатации.
• Анализ отказов тяговых двигателей электровозов серии «Ермак».
• Анализ надёжности тяговых электрических машин электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Восточного регионаона.
• Тяговые электрические машины. Учебное пособие.