Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ надёжности тяговых электрических машин электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах восточного региона 16
1.1 Проблема надёжности и её значение для современной техники 16
1.2 Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин 17
1.3 Анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов Восточного региона 18
1.4 Анализ отказов тяговых электрических машин НБ-514 депо Нижнеудинск ВСЖД 29
2 Уточнение механизма возникновения пробоя изоляции открытых лобовых соединений тяговых электрических машин 36
2.1 Факторы, влияющие на выход из строя изоляционных конструкций тяговых электродвигателей НБ-514 электровозов ВЛ85 36
2.1.1 Анализ возникновения круговых огней на коллекторах ТЭМ 37
2.1.2 Заволакивание коллекторов ТЭМ 42
2.1.3 Анализ интенсивности уменьшения толщины бандажей электровозов ВЛ85, ВЛ80к, ВЛ80т 44
2.1.4 Определение уровня загрузки электровозов 46
2.1.5 Интенсивность образования круговых огней на коллекторах ТЭМ электровозов ВЛ85 47
2.2 Расхождение токовых нагрузок тяговых электрических машин НБ 514 электровозов ВЛ85 49
2.3 Влияние различия диаметров колесных пар на токовые нагрузки электровоза ВЛ85 54
2.4 Влияние вертикальных вибраций от пути на надёжность якорных обмоток тяговых электрических машин 55
2.5 Влияние пропитки изоляции на работу ТЭМ з
2.6 Анализ надёжности тяговых электрических машин после ремонта на локомотиворемонтном заводе 59
2.7 Тепловое старение изоляции тяговой электрической машины 63
2.7.1 Влияние схемы вентиляции ТЭМ на тепловое старение якорных обмоток 63
2.7.2 Закономерности теплового старения изоляции электрических машин 65
2.7.3 Тепловой переходный процесс тяговой электрической машины 69
2.8 Программа расчёта зависимости токовой нагрузки при различной температуре 76
2.9 Уточнение механизма пробоя изоляции открытых лобовых соединений якорной обмотки тяговой электрической машины 84
3 Методика энергетического подхода к анализу технологии восстановления открытых лобовых соединений электрических машин тепловым излучением 87
3.1 Энергетический подход к анализу технологии восстановления тепловым излучением 87
3.2 Этапы преобразования электрической энергии в технологическом процессе восстановления ОЛС 89
3.2.1 Подача энергии к источнику излучения 89
3.2.2 Генерирование потока в источнике излучения 94
3.2.3 Формирование потока отражателем 96
3.2.4 Формирование пространственного распределения потока 98
3.2.5 Формирование поверхностного распределения энергии потока на лобовых соединениях 101
3.2.6 Поглощение энергии ИК-излучения связующим и превращение ее теплоту 104
4 Математическая модель кинетики нагрева пропитанной изоляции в технологии восстановления открытых лобовых соединений якорных обмоток электрических машин тепловым излучением 110
4.1 Методический подход к выбору математической модели 110
4.2 Построение математической модели кинетики нагрева изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки на установке с генератором теплового излучения 112
4.3 Технология процесса восстановления открытых лобовых соединений
якорной обмотки тяговой электрической машины при тепловом излучении 131
5 Комплекс экспериментальных исследований по обеспечению требуемого уровня механической и электрической прочности изоляции якорей тяговых электрических машин с открытыми лобовыми соединениями 133
5.1 Основные этапы при проведении экспериментальных исследований 133
5.2 Разработка метода и средства по герметизации компаундом изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки тяговой электрической машины НБ-514 135
5.3 Выбор инфракрасного излучателя 136
5.4 Выбор пропиточного состава 145
5.5 Испытание экспериментальной установки для пропитки компаундом открытых лобовых соединений якорной обмотки НБ-514 и тепловой сушки с помощью энергии инфракрасного излучения 153
5.6 Проведение экспериментов 155
5.7 Внедрение результатов исследований в производство и их эффективность 164
5.7.1 Расчёт капитальных вложений на изготовление установки 165
5.7.2 Расчёт годовой экономического эффекта технологии восстановления изоляции открытых лобовых соединений якорной обмотки инфракрасным излучением 168 5.7.3 Расчёт срока окупаемости внедрения установки по восстановлению изоляции открытых лобовых соединений якорных обмоток тяговых
электрических машин 169
Основные результаты и выводы 172
Список литературы 173
- Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин
- Анализ интенсивности уменьшения толщины бандажей электровозов ВЛ85, ВЛ80к, ВЛ80т
- Генерирование потока в источнике излучения
- Построение математической модели кинетики нагрева изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки на установке с генератором теплового излучения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Начавшийся третий этап реформы железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для повышения конкуренции в сфере грузовых и пассажирских перевозок, переходу к свободному ценообразованию в конкурентных секторах.
Процессы развития научно-технического прогресса в современных условиях являются решающим фактором повышения эффективности работы железнодорожного транспорта. Это в полной мере относится и к локомотивному комплексу железных дорог России. Данное развитие имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с увеличением объема перевозок, особенно грузовых. В настоящее время резко обострились проблемы повышения надёжности тягового подвижного состава (ТПС) и снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат при проведении межпоездного ремонта и экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 №877-р.
Степень разработанности проблемы. Анализ статистических данных, полученных на протяжении последних десяти лет сотрудниками кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ), об отказах тяговых электрических машин (ТЭМ) по пробою изоляции из-за особенностей климатических условий внешней среды и нарушения технологии технического содержания неоднократно обсуждался в научных и практических трудах специалистов тягового подвижного состава. Причины резкого увеличения параметра потока пробоев изоляции якорей ТЭМ НБ-514 локомотивного ремонтного депо Нижнеудинск (ТЧР-22), как наиболее «слабого» узла, были неоднократно отражены в работах А.М. Худоногова и В.П. Смирнова. В этих работах отмечалось, что из-за низкой влагостойкости изоляции лобовой части обмоток якоря со стороны противоположной коллектору при системе вентиляции ТЭМ с разворотом воздушного потока на 270, приводящей к появлению «мертвых» зон, повышенной конденсации влаги в машине и, соответственно, чрезмерному накоплению влаги в изоляции, резко возрастает вероятность её пробоя.
Проблемам повышения эффективности ТПС посвящены труды авторов Ю.А. Бахвалова, И.Н. Богаенко, В.И. Бочарова, А.И. Володина, И.И. Галиева, З.Г. Гиоева, М.Д. Глущенко, В.Г. Григоренко, Ю.А. Давыдова, А.А. Зарифьяна, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаева, В.А. Камаева, А.Л. Курочки, В.А. Кучумова, А.Л. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.Б. Меделя, М.Д. Находкина, М.П. Пахомова, А.В. Плакса, В.В. Привалова, А.Н. Савоськина, И.В. Скогорева, В.В. Стрекопытова, В.П. Феоктистова, В.А. Четвергова, В.Г. Щербакова, В.П. Янова и др.
Существенный вклад в решение вопросов надёжности наиболее «слабых» узлов ТЭМ – изоляционных конструкций внесли В.Д. Авилов, В.Г. Галкин, И.П. Гордеев, Г.Б. Дурандин, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, А.С. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.Т. Осяев, В.М. Попов, А.С. Серебряков, В.В. Харламов, А.М. Худоногов и др.
Анализ надёжности электровозов Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) за последние годы эксплуатации показал, что существенная часть отказов приходится на ТЭМ. Наблюдается дальнейшее снижение надёжности ТЭМ. Более половины повреждений ТЭМ приходится на изоляционные конструкции и, в первую очередь, на лобовые части якорных обмоток.
Актуальность темы обусловлена пониженной надёжностью изоляции лобовых частей якорных обмоток ТЭМ, в условиях работы на направлениях железных дорог Восточного региона страны. Снижение надёжности ТЭМ электровозов Восточного региона не редко приводит к неравномерности движения поездов и срыву плана перевозок по Транссибирской магистрали.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является продление ресурса коллекторных ТЭМ путём капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей тепловым излучением.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать состояние надёжности ТЭМ электровозов ВСЖД для выявления наиболее слабых узлов электрических машин.
2. Для продления ресурса ТЭМ разработать методику энергетического подхода к анализу технологии капсулирования лобовых частей тепловым излучением.
3. Усовершенствовать математическую модель кинетики нагрева пропитанной изоляции в технологии капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин тепловым излучением, позволяющую обеспечить требуемый уровень механической и электрической прочности изоляционных конструкций ТЭМ.
4. Выполнить комплекс экспериментальных исследований по обеспечению требуемого уровня механической и электрической прочности изоляционных конструкций якорных обмоток ТЭМ с открытыми лобовыми частями.
5. Внедрить результаты исследования в производство и определить технико-экономическую эффективность продления ресурса электрических машин тепловым излучением.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1. Уточнён механизм процесса интенсивного старения изоляции лобовых частей якорных обмоток, который обусловлен действием центробежных сил и силы тяготения на массивные незакрепленные лобовые части. Повышенная температура нагрева при работе с предельными токовыми нагрузками и существенным снижением вентиляции, интенсивное боксование электровозов с наклонными тягами ускоряют процесс износа изоляции.
2. Усовершенствована методика согласования энергетических характеристик инфракрасных (ИК) излучателей и оптических характеристик пропиточных жидкостей, позволяющая обеспечить существенное сокращение времени и затрат электроэнергии в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭМ.
3. Разработана методика капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин, предусматривающая снижение потерь на всех этапах прохождения энергии от источника питания до объекта и кинетику нагрева изоляции прерывистым тепловым излучением при пропитке и полимеризации, обеспечивающую требуемый уровень надёжности электрических машин.
4. Разработана установка для капсулирования лобовых частей якорных обмоток электрических машин с применением ИК-излучения при пропитке и полимеризации изоляции, позволяющая обеспечить требуемую механическую и электрическую прочность конструкции и многократное уменьшение времени и затрат электроэнергии по сравнению с конвективным методом.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Проведенный анализ отказов электровозов ВСЖД, выявил ухудшение показателей надёжности ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток.
2. Разработанный способ капсулирования якорей с открытыми лобовыми соединениями обмоток мобильной установкой для пропитки и сушки с использованием ИК-излучения, позволяет обеспечить процесс восстановления механической и электрической прочности изоляции до требуемого уровня при существенном сбережении времени и электроэнергии (патент №2396669 РФ. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин).
3. Результаты выполненных экспериментальных исследований различных вариантов ИК-сушки пропитанной изоляции позволили разработать технологию, с нанесением распылителями вещества на открытые лобовые соединения якорных обмоток, с последующей их сушкой ИК-излучателями, обеспечивающую требуемый уровень надёжности изоляции электрических машин.
4. Созданы и исследованы несколько вариантов установок по нанесению и сушке пропиточного вещества, что позволило разработать установку, с частотно-регулируемым электроприводом, на основе векторной широтно-импульсной модуляции, обеспечивающим высокие динамические характеристики в процессе вращения якоря относительно генератора теплового излучения, импульсной подачей пропиточного состава, керамическими ИК-излучателями, расположенными по окружности кольцевой траверсы, обеспечивающую требуемый уровень механической и электрической прочности предельно нагруженных ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток.
Методология и методы исследования. В теоретической части работы использованы методы теории планирования эксперимента, теории нагревания и охлаждения твёрдого тела, методы теории тепломассообмена, метод оценки технико-экономической эффективности результатов исследований.
Экспериментальные исследования проводились в ТЧР-22 ВСЖД с 2000 по 2012 годы и заключались в измерении параметров, характеризующих режим работы и состояние ТЭМ при тягово-эксплуатационных испытаниях, текущих ремонтах, технических обслуживаниях и нахождении электровозов в не рабочем состоянии при помощи современных средств диагностики состояния изоляции ТЭМ. Исследования осуществлялись в соответствии с методами планирования эксперимента. Обработка и анализ опытных данных велись с использованием теории и методов математической статистики: теории проверки гипотез; теории оценивания; корреляционного и регрессионного анализов.
Положения, выносимые на защиту.
1. Установление механизма интенсивного старения изоляции открытых лобовых частей якорных обмоток, позволяющего разрабатывать методики и средства, обеспечивающие требуемый уровень надёжности электрических машин.
2. Усовершенствованная методика согласования энергетических характеристик ИК-излучателей и оптических характеристик пропиточных лаков и компаундов, позволяющая обеспечить требуемый уровень механической и электрической прочности изоляции лобовых соединений якорных обмоток ТЭМ.
3. Методика капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин, предусматривающая уменьшение потерь на этапах прохождения энергии и кинетику нагрева изоляции прерывистым тепловым излучением, обеспечивающую требуемый уровень надёжности ТЭМ.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса капсулирования открытых лобовых частей якорных обмоток электрических машин с использованием теплового излучения, обеспечением требуемого уровня надёжности изоляции ТЭМ, прошедших восстановление механической и электрической прочности открытых лобовых частей якорных обмоток с применением ИК-излучения в период многолетней эксплуатации на направлениях Транссибирской железнодорожной магистрали. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на III-ей Международной научно–практической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт" Омск: Иртышский филиал НГАВТ, 2007; Научно–практической конференции "Транспортная инфраструктура Сибирского региона" Иркутск: ИрГУПС, 2009, Межкафедральном МГУПС (МИИТ) (Москва апрель 2010); на заседаниях кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ) (Москва 2010-2013).
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на ВСЖД при восстановлении изоляции якорных обмоток с открытыми лобовыми частями ТЭМ, поврежденными в период до завершения гарантийного срока эксплуатации. Использование материалов диссертационной работы подтверждено актами внедрений. Результаты работы переданы в отдел технической политики Дирекции тяги ОАО «РЖД», для изучения и последующего внедрения на сети железных дорог страны, а также внедрены в учебный процесс федерального государственного бюджетного образовательного университета высшего профессионального образования «Иркутского государственного университета путей сообщения» (ИрГУПС).
Публикации и вклад автора. По результатам проведенных исследований опубликовано пять научных работ в изданиях, определенных перечнем ВАК России, а также получен патент РФ №2396669 на изобретение.
Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, создание производственного образца технологической установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток с открытыми головками секций и испытание этого образца в условиях ТЧР-22, выполнение анализа надёжности ТЭМ локомотивов, значительной части экспериментов, и участие в создание новых установок для управления процессами тепломассообмена в изоляции электрических машин.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка из 112 наименований и содержит 134 страницы текста, 15 таблиц и 47 рисунков.
Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин
Традиционный путь исследования надёжности электрических машин – исследование статистических данных об отказах. При первоначальном изучении статистики отказов по типам электрических машин, наибольшее внимание уделяется «слабым» узлам и причинам отказов.
При исследовании надёжности систем или отдельных технических изделий пользуются следующими приемами: система разбивается на блоки, затем определяются надёжность каждого блока и результирующая надёжность всей системы.
Система разбивается на блоки на основании анализа функционального назначения и физических процессов, происходящих в системе и блоках. Однако нет смысла исследовать все блоки, входящие в систему, так как их надёжность обычно значительно различается. Отказы некоторых из блоков практически невозможны и их учёт при определении результирующей надёжности только усложняет эксперименты и расчёты, практически не меняя окончательный результат. Поэтому при составлении структурных схем пользуются методом «слабых звеньев», выделяя только те блоки, надёжность которых в данных условиях минимальна. Наиболее подробный анализ отказов оборудования электрических машин по различным отраслям промышленности России, указывающий на сходимость полученным исследованиям в сравнении с железнодорожным транспортом приведен в приложении 5.
На протяжении последних тринадцати лет в локомотивном ремонтном депо Нижнеудинск сохраняется стабильная тенденция более 40 отказов в год по пробою изоляции и межвитковому замыканию (МВЗ) якоря типа НБ-514. В этой связи была выдвинута гипотеза о том, что пробои изоляции и межвитковые замыкания якорей наиболее часто происходят в результате интенсивных процессов тепломасообмена в изоляции ОЛС [10,21].
Общеизвестно и неоднократно на основании проводимых анализов и отчетных форм доказано, что ТЭМ являются самой предельно нагруженной составляющей частью, и является движущей силой электровоза [1]. На их долю приходится большая часть всех отказов оборудования электровозов. Отказы ТЭМ происходят как из-за условий эксплуатации при повышенных нагрузках, а также по причине выбора не правильных режимов со стороны локомотивных бригад, так же зависят и от качества выполняемого циклового ремонта[8,12,22].
Условия эксплуатации ТЭМ на различных дорогах резко отличаются не только климатом, но и профилем пути, колебанием напряжения в контактном проводе, грузонапряжённостью и интенсивностью движения [23].
Общепризнано и учеными ИрГУПС в своих работах [24,25,26,27,28] доказано, что эксплуатация ТЭМ при значительных перепадах температур усугубляется резкими изменениями скоростей движения локомотивов, вызывающими столь же резкое изменение нагрузок двигателей, их частотой вращения, толчками и повышенной вибрации. Большие нагрузки, частые пуски приводят к нагреву якорных обмоток и тепловому разрушению изоляции [28]. Неравномерность существующего уменьшенного распределения охлаждающего количества воздуха внутри двигателя, различия в нагрузках оси и диаметров бандажей колесных пар, расхождение скоростных характеристик двигателей приводят к неравномерному перегреву обмоток якоря и полюсных катушек [2].
При превышении допустимой температуры якорных обмоток ТЭМ, их изоляция частично теряет свои эластичные свойства, становится более жесткой и хрупкой, следовательно, в значительной степени теряет электрическую прочность. На основании исследований Смирнова В.П. и других ученых при перегреве обмоток, летучие вещества из изоляционных материалов быстро испаряются, изоляционный слой расслаивается, поэтому образуются пористости, что и приводит к образованию трещин. В условиях эксплуатации при постоянной вибрации за счет движения через не плотности уплотнения коллекторных люков, воздухопроводов, а также через незакрытые вентиляционные отверстия тяговых электродвигателей, конструкция которых предусматривает защиту от попадания снега, внутрь двигателей всё-таки попадает вода и снег. Также в двигателях накапливается влага и при постановке холодного локомотива в теплое помещение [2].
При нахождении двигателей без нагрузки, попадающая в них влага впитывается изоляцией. Проникая в поры и мельчайшие трещины изоляционного материала, она значительно снижает его механическую и электрическую прочность. Подобное увлажнение изоляции происходит особенно интенсивно при повышении влажности с резким увеличением температуры окружающей среды [2,8].
Осенне-зимний период является наиболее неблагоприятным для работы тяговых электродвигателей электровозов, в связи с перепадами температуры, попадание снега внутрь двигателя через, не плотности коллекторных люков и воздухопроводов приводят к увлажнению изоляции. Это способствует резкому снижению её сопротивления.
При повышении температуры воздуха во время суточных колебаний температуры или оттепелей тяговый электродвигатель нагревается медленно. При соприкосновении воздуха с более холодными частями ТЭМ, воздух охлаждается, его влагоёмкость становится предельной, и избыток водяного пара оседает на обмотках и коллекторе в виде инея, от этого изоляция переувлажняется и начинается этап её разрушения, либо при уже начавшемся процессе продолжается разрушения. Образование инея зависит от скорости изменения температуры и относительной влажности воздуха. Так при температурах ниже -20C, иней не образуется из-за малого перепада температуры на 5-6C за 6 часов достаточно для инееобразования [2,27,28].
Для предотвращения инееобразования перед постановкой в отапливаемый цех ТЭМ нужно подогревать. Для этого используется метод подогрева тяговых электродвигателей от вентиляторов электровозов. Перед тем как поставить электровоз в цех включают вентиляторы, и двигатели подогреваются до температуры примерно равной той, которая в цехе. И только после этого устанавливают в цех.
Отдельные повреждения якорей тяговых электродвигателей происходят из-за неправильных режимов управления электровозом, приводящих к лавинному боксованию колесных пар, и как следствие к перегрузке ТЭМ. Катушки главных и добавочных полюсов выходят из строя в результате попадания влаги во внутренние конструкции остова ТЭМ через некачественные их уплотнения, а также ослабления крепления полюсных катушек на сердечниках. Стоит также отметить, что некачественное крепление выводов обмоток полюсов, также приводят к преждевременному выходу из строя оборудования и влияет на его долговечность. В процессе эксплуатации ТЭМ подвергаются большим динамическим нагрузкам, что в первую очередь отрицательно сказывается на работе узла щёткодержателя и состоянии рабочей поверхности коллектора, и в конечном итоге приводит к повышенному искрению под щётками, ухудшению коммутации, образованию кругового огня по коллектору и как следствие к перебросам электрической дуги на корпус, что в свою очередь приводит к срабатыванию защиты [6,29].
Анализ интенсивности уменьшения толщины бандажей электровозов ВЛ85, ВЛ80к, ВЛ80т
Выполненный анализ эксплуатационных данных о работе депо Абакан, а также технических документов по выявлению причин отказов оборудования электровозов позволяет отметить следующие предполагаемые причины повышенной интенсивности возникновения КО электровозов ВЛ85.
Нестабильность температуры коллекторов двигателей во времени. Это, как нами исследовано ранее, приводит на электровозах ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ85 к снижению в зимний период проводящих свойств коллекторной пленки, росту падения напряжения в контакте щётка-коллектор, увеличению нескомпенсированной ЭДС в коммутируемом контуре, росту коэффициента трения и, как следствие, повышению искрения в контакте. При снижении средней температуры поверхности коллекторов ТЭД зимой до 30-40С существенно возрастает скорость образования затяжек, что также способствует возникновению КО.
Повышенную склонность к боксованию колесных пар электровозов ВЛ85 по сравнению с ВЛ80к, ВЛ80т. Своевременное обнаружение боксования невозможно из-за отсутствия амперметров токов двигателей на пультах управления электровозом. Значительная глубина боксования и снижение нагрузки при этом приводит к чрезмерному увеличению напряжения на коллекторах ТЭМ. Положение усугубляется в связи с большим напряжением на коллекторах ТЭМ НБ-514 как при номинальной, так и при уменьшенной нагрузке по сравнению с двигателями ВЛ80к и ВЛ80т. Кроме этого больший рост напряжения на двигателях электровозов ВЛ85 по сравнению с ВЛ80к и ВЛ80т при боксовании обусловлен схемой их питания. ВИП электровозов ВЛ85 питает два ТЭД, ВУВ электровозов ВЛ80к и ВЛ80т в первый полупериод подает напряжение на два двигателя, во второй на четыре.
Чрезмерно высокий коэффициент постоянного ослабления возбуждения – 98%, как следствие, повышенная величина пульсации магнитного потока главных полюсов. Опыт отечественного и зарубежного электромашиностроения свидетельствует о нецелесообразности увеличения коэффициента постоянного ослабления возбуждения более 95,5-96,0%.
Увеличение в 1,44 раза, по сравнению с двигателями НБ-418К6, максимальное значение межламельного напряжения двигателей НБ-514. (НБ-418К6 – 27 В, НБ-514 – 39 В).
Обязательная шлифовка коллектора при устранении последствий КО. После шлифовки значительно возрастает шероховатость поверхности коллектора и как следствие этого, искрение в контакте и заволакивание. Опыт показывает, что при наличии быстродействующих выключателей отмечаются незначительные повреждения поверхности коллекторов, как правило, по краю ламелей у конуса [49,50]. Эти повреждения в большинстве случаев могут, устранены для сохранения политуры коллектора полировкой брезентом, прометанием щёткой и продувкой сжатым воздухом.
Ускоренное срабатывание защиты электровозов ВЛ85 при использовании быстродействующих выключателей ВБ-021 по сравнению с аппаратами защиты электровозов ВЛ80к и ВЛ80т способствует возникновению чрезмерных перенапряжений на коллекторе, существенно повышающих вероятность пробоя изоляции ТЭМ.
Существующие методы технико-экономических расчётов, связанных с эксплуатацией электровозов, базируются на номинальных характеристиках ТЭМ и электровозов в целом [51,52,53]. Так, например, принимают скорость вращения тяговых электродвигателей при данной нагрузке одинаковой и равной номинальной, а силу тяги электровоза равной при этом силе тяги одного электродвигателя, умноженной на их число. Однако это идеальный случай, при котором характеристики всех колесно-моторных блоков идентичны.
Фактически при изготовлении и сборке тягового электродвигателя техническими условиями предусмотрены отклонения параметров от номинальных. В эксплуатации правилами ремонта [54,55,56] также предусмотрены отклонения от номинальных параметров тягового электродвигателя. Причём при выпуске из ремонта некоторые отклонения изменяются в сторону увеличения. Это приводит к большому разбросу характеристик тяговых электродвигателей, как всего электровоза, так и двигателей одной тележки [57, 58].
При изготовлении тяговых электродвигателей допускаются отклонения магнитного потока главных полюсов ЛФ = ± 3% и сопротивления двигателя Arq = ± 6% (после КР Ar = ± 8%) [59]. Чтобы оценить к чему это приводит, рассмотрим условие электрического равновесия тягового электродвигателя последовательного возбуждения при установившемся режиме
Генерирование потока в источнике излучения
Теоретическая кривая экспериментального ряда позволяет объяснить характер и причины отказов ТЭМ по пробою их изоляции, а также определить пути повышения её надёжности. Известно, что распределение Пуассона в широких условиях описывает закономерности появления внезапных отказов в сложных системах, а экспоненциальное распределение типично для систем с различными Аехр характеристиками в случае, когда влиянием износа можно пренебречь.
Пробой изоляции ТЭМ обусловлен кинетикой необратимых физических явлений, происходящих за счет её нагрева и воздействия случайных факторов, особенно увлажнения в зимний период. Динамика повреждения изоляции ТЭМ по временам года показывает, что её пробои имеют наибольшую частость в месяцы с наиболее низкой температурой окружающей среды, а также в снегопады и метели.
В период работы электровозов изоляция ТЭМ не подвергается опасности увлажнения, так как переход влаги от холодного воздуха к нагретой изоляции весьма затруднён. Непосредственное попадание снега в ТЭМ в период метелей при установке с наружной стороны жалюзи снегозащитных фильтров, как показал опыт, почти исключено.
Таким образом, увлажнение изоляции ТЭМ возможно при постановке охлажденного электровоза в отапливаемый цех и резких оттепелях в период нахождения его в запасе. Причиной увлажнения является то, что на поверхности якоря и катушек полюсов при охлаждении воздуха до точки росы образуются капельки влаги или твердый кристаллический налёт (иней). Охлаждение воздуха ниже точки росы может наблюдаться при: - соприкосновении воздуха с поверхностями якоря и катушек полюсов, охлаждёнными предшествовавшими холодами; - охлаждении якоря и катушек полюсов ниже температуры окружающего воздуха, вследствие непосредственного излучения ими тепла.
Кроме того, охлаждающий воздух содержит водяные пары и, проходя через микропоры и трещины изоляции, сгущается, образуя внутри её капельки воды, которые впоследствии замерзают.
При вводе электровоза в отапливаемый цех или в случае постановки ТЭМ под нагрузку происходит таяние инея. Эта влага поглощается изоляцией через микропоры, трещины, капилляры, межмолекулярные и внутримолекулярные дырки, что и дает объемное увлажнение.
На основе опытных работ установлено следующее:
В период отстоя электровозов в запасе при работающих вентиляторах состояние изоляции ТЭМ находится в пределах нормы как по абсолютному значению её сопротивления, так и по соотношению ёмкостей С2/С50 по прибору ПКВ.
Состояние изоляции существенно изменяется в процессе работы ТЭМ после длительного отстоя при низких температурах.
На рисунке 2.16 приведены данные замеров отношения С2/С5о во время опытных поездок, в зимних условиях. Электровозы отправлялись в поездки после отстоя не менее 12 часов при температуре - 10С и ниже. Полученные опытные точки дают область возможных состояний изоляции в процессе работы ТЭМ в указанных условиях [2, 13].
При нагревании изоляции ТЭМ за первые 30-40 минут движения с поездом после длительного отстоя электровоза происходит её увлажнение. Далее свойства изоляции после прогрева восстанавливаются.
Подобные явления объясняются тем, что замерзшая влага в твердом состоянии не вызывает ухудшения сопротивления и прочности изоляции. При нагревании влага переходит из твердого состояния в жидкое, вызывая увлажнение и снижение диэлектрических свойств. В дальнейшем влага переходит в диэлектрические свойства газообразное состояние (испаряется) и восстанавливаются. Анализ экспериментальных данных, длительные наблюдения и исследование закона распределения наработки до отказа изоляции ТЭМ позволяют предложить следующую модель отказа.
Около 20% отказов происходит вследствие воздействия повышенного уровня и пиков напряжения (рисунок 2.17 а). Эта модель приводит к экспоненциальному распределению наработки изоляции до отказа, если считать, что уровень диэлектрической прочности мало изменяется в процессе эксплуатации [2,27, 62].
Значительная часть отказов (до 80%) является следствием внезапных кратковременных понижений уровня свойств изоляции вследствие неё увлажнения по различным причинам, особенно в зимнее время (рисунок 2.17 б).
Такая модель приводит к распределению Пуассона, поскольку изоляцию ТЭМ можно рассматривать как сложную систему, элементы которой случайно изменяют свои свойства независимо друг от друга.
Описание общего характера явлений композиционной моделью отказов совместно с анализом конкретных причин повреждений изоляции ТЭД позволили установить, что пробой изоляции возникает в основном от воздействия случайных факторов и в меньшей степени, от постепенного старения.
На основе выполненного анализа намечены пути улучшения содержания ТЭМ в зимнее время.
Чтобы не допустить увлажнения изоляции при постановке электровозов в отапливаемый цех, следует подогреть ТЭМ до температуры выше цеховой на 3-4 С. Перед выдачей под поезд электровозов из запаса после длительного отстоя при низких температурах производить сушку изоляции током якоря током на 10-15 % меньше тока продолжительного режима в течение 30-50 мин, независимо от её состояния. Необходимо ввести систематический контроль увлажнения изоляции прибором ПКВ, особенно в зимний период.
Предложена методика расчета теплового старения изоляции якорной обмотки тягового двигателя НБ-514 электровоза ВЛ85.
Электровоз ВЛ85-204, прибывший с легковесным поездом 1.04.2004 после движения по равнинному направлению Улан-Удэ – Слюдянка, проверка проведена прибором ПКВ-7. Данные замеров приведены в таблице 2.18 и показаны для наглядности на (рисунке 2.18) из которого видно, что только 12 ТЭМ имеет объёмную влажность изоляции менее 1,1. Непосредственно 6 и 11 ТЭМ с коэффициентом увлажнения соответственно 0,229 и 0,224 имеют склонность на первом же горно-перевальном участке Слюдянка - Большой Луг иметь отказ ТЭМ.
Построение математической модели кинетики нагрева изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки на установке с генератором теплового излучения
Технологический процесс полимеризации состоит в последовательном многократном присоединении молекул мономеров друг с другом и в зависимости от механизма реакции полимеризация делится на цепную и ступенчатую. Как и всякая химическая реакция протекает с разрывом одних валентных связей и с возникновением новых. Разрыв связей может происходить гомолитически с возникновением свободных радикалов или гетеролитически с образованием ионов [110].
На основании теории цепных реакций, разработанных лауреатом Нобелевской премии, академиком Н.Н. Семеновым, учеными С.С.Медведевым, Х.С. Багдасарьяном разработан механизм реакции полимеризации.
Сущностью цепной реакции полимеризации является то, что развитие кинетической цепи сопровождается ростом молекулярной цепи, при этом промежуточные частицы нестабильны. В процессе реакции полимеризации эти активные центры передаются другим мономерным звеньям, и после каждого присоединения количество активных звеньев остается постоянным, а длина растущей полимерной частицы увеличивается. Согласно теории цепной реакции процесс полимеризации протекает в три стадии.
Необходимость внедрения технологии восстановления изоляции ОЛС и вспомогательных электрических машин была установлена в период эксплуатации электровозов серии ВЛ85 на ВСЖД.
Как известно, эти машины были разработаны с целью эксплуатации их в зоне БАМ. В 1985 году Новочеркасский электровозостроительный завод изготавливает установочную партию электровозов, а с 1986 года начинается их серийный выпуск. Выпуск электровозов продолжался до 1992 года, всего было изготовлено 270 электровозов.
В связи с принятым решением Центральной Дирекции тяги для объединения в одном месте и совершенствования ремонтного комплекса все электровозы ВЛ85 в настоящее время приписаны к локомотивному эксплуатационному депо Нижнеудинск ВСЖД. Полигон работы электровозов ВЛ85 простирается от ст. Мариинск Красноярской ж.д. до ст. Карымской Забайкальской ж.д. В свое время данные электровозы эксплуатировались на БАМ депо приписки Северобайкальск, Южно-Уральской ж.д. депо приписки Карталы, Красноярской ж.д. депо приписки Абакан и Иланская, Восточно-Сибирской ж.д. депо приписки Вихоревка, Улан-Удэ, Иркутск, Нижнеудинск. При поступлении на ВСЖД на первом этапе их поступления основным полигоном их обращения был «северный» ход на участке Тайшет - Таксимо. Примерно с 1996 года, т.е. через семь-восемь лет эксплуатации начались массовые отказы ТЭМ показателем «изоляция якорь – ноль». Для решения вопроса по снижению отказов оборудования был проведен анализ работы всего оборудования электровоза ВЛ85 в 1999 по 2001 годах. При проведении анализа, были установлены наиболее затратные моменты по отвлечению электровозов из перевозочного процесса. Рассмотрена технология ремонта ТЭМ НБ-514 при выполнении ремонта в объеме ТР-3. Выявлено, что якорю ТЭМ помимо операций предусмотренных технологией, также требовалась дополнительная работа по восстановлению ОЛС со стороны противоположной коллектору. В связи с этим для продления ресурса ТЭМ разработана технология, учитывающая дополнительную пропитку и сушку ОЛС со стороны противоположной коллектору. Технология включала следующие операции: очистку от пыли и смазки, промывку; сушку в стандартных конвективных печах для удаления влаги; пропитку лобовой части в специальной ёмкости лаком ФЛ-98 [111,112] методом окунания; сушку якорей в конвективных печах. В летний период 2001 года руководством локомотивного депо было принято решение о дополнительной пропитке и последующей сушке изоляции ОЛС якорных обмоток со стороны противоположной коллектору. Технология проведения этих операций осуществлялись по разработанной методике. Она заключается в периодической пропитке и сушке ОЛС якорной обмотки. Операции по пропитке ОЛС якорной обмотки осуществляются методом окунания её в ёмкость с пропиточным составом. Операции по сушке ОЛС якорной обмотки осуществляются в конвективных печах путем нагрева всего якоря. Также в условиях депо и ремонтного завода условиях для ликвидации локального отказа была предложена следующая технология. С помощью высоковольтной установки АИ-70 на испытательной станции определялось место локального пробоя на ОЛС якоря. Слесари по ремонту тяговых электрических машин с помощью эпоксидных материалов ликвидировали эти отказы, и якори поступали в эксплуатацию без перемотки обмотки.
В результате введения этих технологий количество отказов по ТЭМ типа НБ-514 было снижено более чем в 1,7 раза [113,114,115]. Факт уменьшения отказов в результате дополнительной пропитки и сушки якорей был подтверждён актами и отчётами.
Последующий анализ показал, что приведенная технология продления ресурса изоляции ТЭМ при ТР-3, средних и капитальных ремонтах не отвечает современному состоянию научно-технического прогресса.
Для обеспечения высокой электрической и механической прочности, термо-и влагостойкости, повышения и продления ресурса изоляции электрических машин с ОЛС предлагается новый способ восстановления ОЛС обмоток с использованием управляемого электромагнитного излучения ИК диапазона [116]. Существенный вклад на всех этапах проведения экспериментальных исследований внесли специалисты локомотивного депо Нижнеудинск Шкурихин С.Н., Петренко В.В., Бочаров А.Н., Стецив Д.В., Исаченко А.И., Алексеев Д.Ю. и другие, а также сотрудники Иркутского государственного университета путей сообщения Худоногов А.М., Смирнов В.П., Лыткина Е.М, Дульский Е.Ю. и другие.
