Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ безотказности тяговых электрических машин электропоездов 12
1.1 Надежность электропоездов постоянного тока 12
1.2 Влияние условий эксплуатации на безотказность тяговых электрических машин 18
1.3 Влияние токовой нагрузки на надежность ТЭМ электропоездов постоянного тока 53
2. Экспериментально - статистическое исследование безотказности тэм электропоездов постоянного тока 56
2.1 Влияние системы вентиляции ТЭМ на эксплуатационную надежность электропоезда 56
2.2 Влияние расположения моторных вагонов в электропоезде на безотказность ТЭМ 62
2.3 Влияние расположения ТЭМ в силовой цепи моторного вагона на его безотказность 65
2.4 Анализ соотношения токов моторных вагонов электропоездов 69
3. Экспериментально-теоретическое исследование безотказности тэм электропоездов 73
3.1 Влияние теплового старения изоляции на срок службы ТЭМ 73
3.2 Тепловой расчет ТЭМ электропоездов 76
3.3 Расчет температуры якоря и дополнительного полюса ТЭМ электропоезда Москва-Тверь 92
3.4 Влияние электрического торможения на нагрев изоляции ТЭМ 97
4. Реализация исследований в системе железнодорожного транспорта 101
4.1 Изменение системы вентиляции ТЭМ в зимний период эксплуатации 101
4.2 Ввод системы температурного контроля ТЭМ 104
4.3 Изменение схемы включения тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона 109
4.4 Устройство контроля объемного увлажнения изоляции ТЭМ ПО
4.5 Статистический метод контроля старения изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов 118
5. Внедрение результатов исследований на железнодорожном транспорте и их экономическая эффективновсть 120
5.1 Результаты исследования, предложенные для внедрения 120
5.2 Расчет экономического эффекта от внедрения системы температурного контроля в одном из моторвагонных депо 121
Заключение 129
Список литературы
- Влияние условий эксплуатации на безотказность тяговых электрических машин
- Влияние расположения моторных вагонов в электропоезде на безотказность ТЭМ
- Тепловой расчет ТЭМ электропоездов
- Изменение схемы включения тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона
Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время возросший пассажиропоток из-за уменьшения числа электропоездов на линии, а также интенсивное использование электрического торможения, существенно увеличивают токовую нагрузку тяговых электрических машин (ТЭМ). Опыт эксплуатации электропоездов показывает, что самовентиляция ТЭМ не обеспечивает необходимого расхода воздуха. Это приводит к интенсивному тепловому старению изоляции обмоток ТЭМ. Закрытие выходных отверстий электрической машины в зимний период эксплуатации еще больше увеличивает скорость теплового старения обмоток, что приводит к резкому снижению надежности тяговых машин электропоездов.
На электропоездах другие способы охлаждения ТЭМ, кроме самовентиляции, не используются из-за повышенного шума. Вытяжная самовентиляция представляет собой центробежный вентилятор, насаженный на вал якоря тяговой электрической машины со стороны выходных отверстий. При вращении якоря происходит выброс воздуха из машины. При этом в ТЭМ наблюдается разряжение, за счет которого и обеспечивается движение вентилирующего воздуха внутри машины от входного отверстия к выходным.
Характерной особенностью самовентиляции является то, что при пониженных скоростях движения электропоезда количество охлаждающего воздуха не велико и не обеспечивает полного удаления тепла из ТЭМ. При движении с большой скоростью происходит избыточное охлаждение тяговой машины. Это приводит к возрастанию сопротивления вращению якоря тяговой машины, и, как следствие, увеличению затрат электроэнергии. При самовентиляции снижение скорости движения электропоезда приводит к увеличению времени остывания ТЭМ.
Большое значение для эффективности вентиляции ТЭМ имеет чистота охлаждающего воздуха. Вследствие этого вентилирующий воздух засасывается через защитные решетки в крыше моторного вагона. В зимнее время года, закрытие выходных отверстий из тяговой машины приводит к скоплению пыли внутри ТЭМ. Это, а также закрытие отверстий для выхода охлаждающего воз-
духа, приводит к резкому снижению теплоотдачи и теплопроводности тяговой машины.
Отсутствие контроля увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ, после длительного нахождения электропоездов в нерабочем состоянии, а также эксплуатация моторных вагонов с отключенными тяговыми электрическими машинами нередко приводит к пробою их изоляции при вводе электропоезда или восстановленного моторного вагона в эксплуатацию.
Пониженный ресурс изоляционных конструкций является основной причиной отказов ТЭМ электропоездов постоянного тока. Таким образом, разработка новых методик, технологий и средств определения состояния изоляции тяговых машин и повышения их ресурса является актуальной задачей.
Степень разработанности задачи. В разработку конструкции тяговых электрических машин большой вклад внесли: И.Н. Богаенко, Н.В. Виноградов, А.И. Вольдек, М.Д. Глушенко, О.Д. Гольдберг, Г. Готтер, А.В. Грищенко, Я.С. Турин, Я.Б. Данилевич, Н.П. Ермолин, Д.Д. Захарченко, И.П. Копылов, А.Э. Кравчик, А.С. Курбасов, В.А. Кучумов, Б.Н. Минаев, М.Д. Находкин, Г.Н. Петров, Н. А. Ротанов, А.Н. Савоськин, В.И. Стрекопытов и др.
Решением вопросов безотказности изоляционных конструкций тяговых машин, которые являются самыми дорогостоящими и повреждаемыми узлами ТЭМ, внесли: В.Д. Авилов, В.И. Бочаров, В.Г. Галкин, З.Г. Гиоев, И.П. Гордеев, В.Г. Данько, В.В. Дубов, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, П.Г. Колпахчъян, А.С. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.И. Москвитин, М.А. Михеев, В.В. Овчаров, А.С. Серебряков, А.Т. Осяев, В.М. Попов, В.В. Харламов, A.M. Худоногов, И.Ф. Филиппов и др.
В диссертационной работе использованы результаты исследований всех вышеперечисленных авторов.
Целью и задачей диссертационного исследования является разработка методик и средств, для повышения ресурса тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать состояние безотказности тяговых машин элек-
тропоездов постоянного тока Московского узла, с определением наиболее повреждаемых узлов ТЭМ;
определить влияние эксплуатационных воздействий на повреждение изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов;
уточнить механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов;
усовершенствовать методику расчета старения изоляционных конструкций ТЭМ с самовентиляцией, позволяющую определить износ изоляции в зависимости от режимов и условий эксплуатации;
разработать методику и средство контроля увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ;
внедрить результаты исследования в производство и определить их технико-экономическую эффективность.
Научная новизна работы заключается в следующем:
уточнен механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов постоянного тока, который обусловлен: тепловым износом изоляции, ускоряемым перегрузками, из-за неравномерности токовой нагрузки и интенсивным применением электрического торможения и снижением количества охлаждающего воздуха ТЭМ в зимний период вследствие закрытия отверстий для выхода воздуха; термомеханическим износом изоляции, из-за снижения ее упругости в зимний период; а также электрическим старением изоляции ТЭМ, включенных первыми в силовую цепь со стороны контактной сети. При аварийной эксплуатации моторных вагонов с отключенными тяговыми машинами их многопористая изоляция обильно увлажняется, как по скорости, так и по объему накопляемой влаги. Это приводит к резкому снижению электрической прочности и пробою изоляции под действием напряжения контактной сети при вводе ТЭМ в эксплуатацию;
усовершенствована методика расчета старения изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов, позволяющая определить скорость старения изоляции с учетом теплового, термомеханического и электрического износа;
- разработано оригинальное устройство контроля объемного увлаж
нения изоляционных конструкций ТЭМ, позволившее своевременно выявлять
тяговые машины с пониженной электрической прочностью изоляции из-за пе
реувлажнения и предотвратить ее пробой.
Теоретическая и практическая значимость работы:
уточненный механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ позволяет: совершенствовать систему вентиляции тяговых машин с учетом зимних условий эксплуатации на железных дорогах России; обеспечивать выравнивание электрического воздействия на изоляцию ТЭМ, находящихся в неравных потенциальных условиях в силовой цепи; совершенствовать систему контроля теплового состояния элементов электрической машины; своевременно выявлять ТЭМ с переувлажненной изоляцией;
разработанная автором методика статистического контроля изоляции ТЭМ дает возможность определить состояние изоляционных конструкций парка электропоездов депо;
предложенная автором усовершенствованная методика расчета старения изоляции ТЭМ электропоездов позволяет определить тепловой режим ТЭМ при увеличении токовой нагрузки из-за интенсивного использования электрического торможения и повышения технической скорости на направлениях движения электропоездов без превышения допустимой температуры;
разработанная оригинальная методика переключения тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона позволяет существенно снизить электрическое старение ТЭМ;
усовершенствованная система вентиляции тяговых электрических машин обеспечивает необходимый уровень теплоотдачи и теплопроводности изоляционных конструкций, существенно снижая температуру перегрева обмоток;
предложенная автором система температурного контроля ТЭМ позволяет обеспечить снижение токовой нагрузки при увеличении температуры выше предельно допустимого значения;
- предлагаемая автором методика контроля объемного увлажнения
изоляции ТЭМ позволяет своевременно выявить тяговые машины с пониженной
электрической прочностью изоляции и исключить ее пробой.
Методы исследования. В теоретической части работы использованы следующие методы: теория планирования эксперимента, теория нагревания и охлаждения твёрдого тела, оценка технико-экономической эффективности результатов исследований. Экспериментальные исследования проводились в мо-торвагонных депо Крюково, Раменское, Перерва, Нахабино в период с 2008 по 2014 годы и заключались в измерении параметров, характеризующих состояние и режим работы тяговых машин в эксплуатации. При текущих ремонтах и технических обслуживаниях оценивалась степень увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ. Обработка и анализ полученных данных велись с использованием теории и методов математической статистики: теории оценивания; корреляционного и регрессионного анализов. Для обработки результатов эксперимента был использован программный продукт MS Excel 2010.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
уточненный механизм процесса снижения электрических свойств изоляции ТЭМ электропоездов постоянного тока позволяет разрабатывать методики и средства, обеспечивающие повышение ресурса электрических машин до необходимого уровня;
уточненная методика расчета старения изоляции ТЭМ электропоездов с самовентиляцией с учетом: скорости движения, неравномерности токовой нагрузки, изменения схемы вентиляции;
усовершенствованная система вентиляции ТЭМ электропоездов;
методики, повышающие ресурс ТЭМ электропоездов: переключения тяговых машин в силовой цепи моторного вагона; контроля увлажненности изоляции;
устройство объемного увлажнения изоляционных конструкций ТЭМ.
Достоверность научных положений и результатов обеспечивается согласованием расчетов температуры элементов ТЭМ по предложенной методике
с тепловыми испытаниями тяговых машин электропоездов на линии. Расхождение результатов расчётов и экспериментов в эксплуатации не превышает 7 %.
Реализация результатов работы. Результаты исследований представлены в центральную дирекцию моторвагонного подвижного состава ОАО «РЖД» и рекомендованы к внедрению в моторвагонных депо страны.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения (Москва, 2011); XXII международной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира» (Нижний Новгород, 2013); республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Ташкент, 2013); заседаниях кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУ ПС (МНИТ) (Москва, 2010-2014).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 22 работы, в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; получен патент на полезную модель (№148398 опубликовано 10.12.14 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, библиографического списка из 111 наименований и содержит 201 страницу основного текста, 118 рисунков и 30 таблиц.
Влияние условий эксплуатации на безотказность тяговых электрических машин
Сравнительный анализ отказов дополнительных и главных полюсов ТЭМ электропоездов депо Крюково и Перерва указывает на более высокую надежность главных полюсов. Так в депо Крюково, в наблюдаемый период эксплуатации с 2008 по 2013 год, за исключением зимнего периода с ноября 2012 года по март 2013, юга не превышал 6,9 отказов/106 км, что обеспечивало требуемую безотказность главных полюсов. В летнее время года, в депо Раменское, параметр потока отказов главных полюсов значительно меньший, чем дополнительных, что свидетельствует о пониженном тепловом воздействии на них и, как следствие, лучшем состоянии изоляции. Следует отметить непрерывное увеличение как юга так и Юдп, при этом рост средней линии тренда во времени значительно больший для изоляции дополнительного полюса, чем главного.
Эксплуатация ТЭМ при повышенных токовых нагрузках с частыми изменениями скорости движения, которые ведут к столь же частым изменениям интенсивности вентиляции, значительно усугубляется резкими перепадами температуры воздуха.
При низкой температуре окружающей среды существенно уменьшается содержание влаги в воздухе. Изоляция тяговых электродвигателей становиться хрупкой, что приводит к увеличению скорости ее теплового и термомеханического старения, и, соответственно, увеличению числа пробоев изоляции. Кроме того, в зимний период эксплуатации, как отмечено выше, для предотвращения попадания снега закрываются выходные отверстия ТЭМ. Это приводит к существенному снижению теплоотдачи электрической машины, перегреву и ускоренному тепловому старению изоляции, с последующим снижением электрической прочности и пробоем.
Для оценки влияния температуры окружающего воздуха были рассмотрены зависимости параметров потоков отказов изоляции якорных обмоток электрических машин от среднемесячной температуры воздуха до и после качественной пропитки изоляции ТЭМ локомотивов одного и того же депо ОАО «РЖД» (рисунки 1.21 и 1.22). Каждая зависимость соответствует одному году эксплуатации локомотивов. Рассмотрение зависимостей, приведенных на рисунках, показывает, что у пропитанной изоляции количество отказов якорных обмоток значительно меньше по сравнению с непропитанной изоляцией. Также, при пропитанной изоляции, наблюдается существенное снижение пробоев изоляции с ростом температуры окружающей среды, в отличие от непропитанной, для которой характерно увеличение пробоев с ростом температуры. Значения корреляционных отношений между параметрами потока отказов изоляции и среднемесячной температурой воздуха 0,556 и соответственно 0,963, что указывает на более тесную связь пробоев изоляции электрических машин после пропитки.
Зависимость параметра потока отказов якорей тяговых машин от среднемесячной температуры воздуха после пропитки изоляции
Рассмотренные зависимости параметров потоков отказов изоляции якорных обмоток тяговых электрических машин от среднемесячных значений абсолютной влажности воздуха до и после пропитки изоляции ТЭМ одного и того же депо ОАО «РЖД» (рисунки 1.23 - 1.24) в целом схожи с полученными результатами при температуре окружающего воздуха. Полученные зависимости также соответствует двум годам эксплуатации депо. При этом корреляционное значение несколько больше, чем при температуре окружающей среды, соответственно 0,601 и 0,965. Это указывает на более существенную степень влияния абсолютной влажности на отказы изоляции до и после ее пропитки. отказ 106 км
Надежность якорных обмоток ТЭМ от среднемесячного значения абсолютной влажности воздуха после пропитки изоляции Вышеприведенный анализ исследований состояния изоляции ТЭМ, выполненный на кафедре «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ), позволяет оценить состояние изоляции тяговых машин в моторвагонных депо страны [17]. Для оценки влияния температуры воздуха на состояние изоляции электропоездов постоянного тока использованы зависимости между показателями безотказности ТЭМ электропоездов и его элементов и среднемесячной температурой воздуха в период с 2008 по 2013 годы (рисунки 1.25 - 1.30).
При рассмотрении зависимостей параметров потоков отказов изоляции ТЭМ электропоездов депо Крюково и Перерва от среднемесячной температуры воздуха в период с 2008 по 2013 год можно отметить следующее [11]. Наблюдается значительный разброс статистических данных относительно средней линии тренда, что свидетельствует о необходимости рассмотрения приведенных зависимостей за более короткий срок (один год), когда наиболее полно характеризуются особенности эксплуатации электропоездов в определенный промежуток времени: неизменность парка; интенсивность применения электрического тормоза; изменение токовой нагрузки и т. п. Это так же подтверждается низким значением корреляционного отношения между факториальным и результативными признаками.
В целом, приведенные зависимости параметров потоков отказов изоляции ТЭМ электропоездов депо Крюково и Перерва от среднемесячной температуры воздуха свидетельствуют о повышении безотказности изоляции с увеличением температуры воздуха, что характерно для пропитанной изоляции. В то же время пониженное значение корреляционного отношения между среднемесячной температурой воздуха и параметрами потоков отказов изоляции ТЭМ, значительный разброс статистических данных относительно линии тренда, указывает на существенное ухудшение состояния изоляции по сравнению с качественно пропитанной изоляцией.
Влияние расположения моторных вагонов в электропоезде на безотказность ТЭМ
Анализируя зависимости показателей безотказности изоляции остовных катушек ТЭМ обоих депо от среднемесячной температуры воздуха, можно отметить, что на изоляцию главных полюсов влияние изменения температуры окружающего воздуха незначительно. Невелик и разброс точек относительно средней линии тренда. Это свидетельствует о меньшем тепловом старении изоляции главного полюса по сравнению с изоляцией дополнительного. Причиной более низкой безотказности изоляции главных полюсов ТЭМ электропоездов депо Перерва, по сравнению с депо Крюково является пониженные скорости движения электропоездов, холмистый профиль участков движения, а также измененное формирование поезда (5 моторных вагонов, 6 прицепных). Это приводит к более продолжительному разгону электропоезда на первых позициях реостатного контроллера.
Для зависимостей безотказности изоляции дополнительных полюсов ТЭМ депо Крюково от температуры воздуха характерен существенный разброс точек. Это обусловлено повышенной токовой нагрузкой, приводящей к ускоренному старению изоляции.
В результате интенсивного теплового воздействия, вызывающего рост пористости изоляции тяговых электрических машин, на ее безотказность начинают действовать факторы, влияние которых осуществляется во время длительных стоянок, а также во время эксплуатации секций электропоезда с отключенными тяговыми машинами. Наблюдается интенсивное переувлажнение состарившейся изоляции с резким снижением электрической прочности. После ввода этих ТЭМ без контроля увлажненности в эксплуатацию происходит пробой их изоляции [41].
Зависимости безотказности изоляции ТЭМ электропоездов и их элементов от абсолютной влажности воздуха приведены в приложении 2 (рисунки П2.1 -П2.10).
Для объективной оценки качества состояния изоляционных конструкций ТЭМ за более короткий период эксплуатации рассмотрены годовые зависимости параметров потоков отказов тяговых машин депо Крюково от среднемесячной температуры и объемной влажности воздуха в 2010 и 2012 годах. За это время приписной парк электропоездов депо практически не менялся. В 2010 году применение электрического торможение было незначительное. На протяжении 2011 года локомотивные бригады электропоездов осваивали электрическое торможение, в связи с этим применение электрического торможения ограничивалось в пределах от 120 до 50 км/ч. Начиная с 2012 года электрическое торможение локомотивными бригадами стало применяться на всех электропоездах до полной остановки поезда.
Зависимости показателей безотказности ТЭМ от среднемесячной температуры за эти годы эксплуатации приведены рисунках 1.35 - 1.36.
Зависимость безотказности ТЭМ от среднемесячной температуры воздуха в 2012 году Рассмотрение зависимостей параметров потоков отказов тяговых двигателей от среднемесячной температуры воздуха за 2010 и 2012 годы, приведенных на рисунках 1.35 - 1.36, свидетельствует о снижении надежности ТЭМ более чем 1,5 раза. Наблюдается уменьшение корреляционного отношения, характеризующего связь между средней температурой воздуха и показателям безотказности ТЭМ с 0,615 до 0,485. Характер изменения средней линии тренда за анализируемые годы свидетельствует об ускоренном старении изоляции при интенсивном применении электрического торможения (см. п. 4.5).
Для уточнения характера изменения состояния изоляции наиболее повреждаемых узлов ТЭМ - якорных обмоток и дополнительных полюсов, рассмотрены аналогичные зависимости надежности этих узлов от среднемесячной температуры воздуха (рисунки 1.37- 1.40). графиков, приведенных на рисунках 1.37 и рисунке 1.38, можно отметить, что надежность ДП снизилось почти два раза. Это подтверждается уменьшением корреляционного отношения, характеризующего связь между средней температурой воздуха и показателями безотказности дополнительных полюсов ТЭМ.
Характер изменения показателя безотказности якорных обмоток ТЭМ от среднемесячной температуры воздуха в 2012 году
Влияние токовой нагрузки на надежность ТЭМ электропоездов постоянного тока Увеличение токовой нагрузки ТЭМ электропоездов постоянного тока приводит к повышению температуры двигателей, что сказывается на их безотказность. Интенсивное применение электрического торможения значительно повышает токовое воздействие на изоляцию [24].
Среднее значения токов электропоездов депо Крюково, в зависимости от направления движения, определено из записей картриджей регистраторов параметров движения (РПДА) в опытных поездках с электропоездами. На рисунке 1.37 приведены данные о средних значениях тока, как при применении электрического торможения (ЭТ), так и при нагрузке ТЭМ только в режиме тяги.
Из рисунка 1.41 видно, что интенсивное применение электрического торможения увеличивает токовую нагрузку в среднем на 70 % [42].
Рассмотрение гистограмм, приведенных на рисунках 1.2 - 1.3, показывает, что при увеличении количества электроэнергии, отдаваемой в контактную сеть электропоездами депо Крюково, наблюдается резкое снижение безотказности ТЭМ. Это обусловлено как тепловым воздействием тока, так и повышенным напряжением контактной сети при электрическом торможении.
При этом влияние электрического торможения на надежность ТЭМ различается в зависимости от периода эксплуатации (лето-зима). Так, при рассмотрении зависимости тэм от возврата электроэнергии в летний период эксплуатации, приведенной на рисунке 1.42, можно отметить незначительное возрастание средней линии тренда с увеличением интенсивности рекуперации. Наблюдается существенный разброс точек относительно линии тренда. Это, а также низкое значение коэффициента корреляции, указывает на слабую связь между возвратом электроэнергии и показателем безотказности ТЭМ в летний период эксплуатации. В зимний же период эксплуатации, безотказность ТЭМ резкое снижается при увеличении возврата электроэнергии в контактную сеть (рисунок 1.43), из-за изменения системы вентиляции ТЭМ в зимний период эксплуатации.
Тепловой расчет ТЭМ электропоездов
Для гарантированного обеспечения необходимого уровня надежности тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока, разработана система температурного контроля (СТК), которая обеспечивает своевременное снижение токовой нагрузки ТЭМ с соответствующим информированием об этом локомотивной бригады.
В качестве датчиков температуры СТК предлагается использовать позисторы, которые обладают свойством резкого увеличения сопротивления при повышении температуры подконтрольного узла до температуры срабатывания исполнительного устройства [72, 73, 101]. Установку датчика температуры предлагается производить на дополнительный полюс ТЭМ, так как этот узел является лимитирующим по числу отказов, и его нагрев до предельно допустимой температуры (особенно в условиях уменьшения количества охлаждающего воздуха) происходит быстрее, чем других узлов тяговых машин.
В настоящее время выпускаются позисторы типа: СТ14-1А, СТ14-1Б, СТ14-2-15, СТ-14-2-130, СТ14-2-145, СТ14-2-160, РТС-3. Датчики температурного контроля унифицированы для всех типов и размеров электрических машин, они взаимозаменяемы и не требуют регулировки и настройки при монтаже и эксплуатации. Для потенциальной развязки схемы измерения температуры и силовой цепи ТЭМ используется фторопластовая лента толщиной 0,1 мм.
В качестве исполнительного устройства в системе температурного контроля использовано устройство встроенной тепловой защиты типа УВТЗ-5М (рисунок.4.4). Срок службы устройства 8 лет, что позволяет производить замену УВТЗ на заводских ремонтах. Устройство осуществляет самоконтроль всех подводящих цепей и своей исправности. Световая сигнализация о превышении температуры выводится на пульты управления электропоездом в кабины машиниста, а также в шкафы №3 моторных вагонов, в которых смонтированы лампы контроля состояния электропоезда.
Как было установлено в третьей главе диссертационной работы превышение допустимых значений температур изоляции обмоток ТЭМ происходит в случае интенсивного применения электрического торможения, тогда как при использовании тяговых электрических машин только в режиме тяги температура обмоток не превышает допустимые значения. При превышении максимально допустимой температуры перегрева обмоток ДП срабатывает устройство УВТЗ-5М отключая трансформатор возбуждения от цепи 220 В. Это приводит к потере питания обмоток возбуждения тяговых машин моторного вагона, в котором сработало УВТЗ, и замещению электрического торможения пневматическим.
При нормальной работе ТЭМ, не превышается температура перегрева 160 С дополнительного полюса. Транзисторы VT1, VT2, VT5 закрыты, а транзисторы VT3, VT4 открыты, при этом тиристор VS1 закрыт. Контакт реле КМ1 находится в замкнутом состоянии. Катушка контакта КМ1 получает питание. При этом подается питание от фазных проводов 76А, 76Б, 76В на трансформатор возбуждения.
Срабатывание УВТЗ происходит, при превышении на ДП температуры в 160 С. Это приводит к открытию транзистора VT2, а транзистор VT3 закрывается. При этом тиристор VS1 открывается, шунтируя катушку реле КМ1. Контакт катушки реле КМ1 размыкается, разрывая цепь питания трансформатора возбуждения.
В схему СТК включен контактор КН1, который обеспечивает работу трансформатора возбуждения в штатном режиме при неисправности системы температурного контроля.
Техническое обслуживание УВТЗ-5М необходимо выполнять при проведении осеннего и весеннего комиссионного осмотра электропоезда [48].
При техническом обслуживании удаляются загрязнения и продукты окисления с контактных зажимов и наружных частей, проверяется крепление винтов и состояние изоляции подводящих проводов к УВТЗ-5М, все выявленные неисправности устраняются.
Для подачи сигнала включения СТК на кнопку SB1 используется седьмой провод электропоезда, который служит для включения контактора защиты и быстродействующего выключателя на моторных вагонах.
Тяговые электрические машины электропоездов постоянно включены последовательно в силовую электрическую цепь, как в режиме тяги, так и в режиме электрического торможения. Анализ экспериментально-статистических исследований показал, что воздействие напряжения на ТЭМ уменьшается по мере расположения двигателей в силовой схеме по отношению к контактной сети (рисунок 4.7).
Для выравнивания скорости электрического старения изоляции ТЭМ, находящихся в неравных потенциальных условиях в силовой цепи моторного вагона предлагается изменять схему расположения тяговых электрических машин при проведении текущих ремонтов в объеме ТР-3 с переключением шины 106 на шину Н, а также перестановкой кабелей в контактной коробке ТЭМ Я\ и Я2, которые является подводящими для обмоток якоря и дополнительного полюса, и, соответственно С1 и С2 для обмотки возбуждения ТЭМ. Другой способ выравнивания электрического старения изоляции заключения в перестановки первой и четвертой ТЭМ машины местами на каждом текущем ремонте ТР-3.
Использование метода «емкость-время» позволяет получить достоверные данные об объемном увлажнении (электрической прочности) изоляции тяговых электрических машин электропоезда.
Существенным преимуществом этого метода является то, что он выявляет увлажнение изоляции ТЭМ, даже если влага находится внутри изоляционных конструкций в виде кристаллов льда. Метод «емкость-время» основан на явлении диэлектрической абсорбции (накопления электрических зарядов на границах раздельных слоев неоднородной изоляции при приложении к ней постоянного напряжения). Это в значительной мере зависит от степени увлажнения испытуемой изоляции. Для реализации метода необходимо измерять две составляющие электрической емкости испытуемой изоляции ТЭМ: геометрическую Сг и абсорбционную АС составляющую. Геометрическая Сг зависит от линейных размеров изоляции, при этом влияние увлажнения изоляции на нее отсутствует. Абсорбционная составляющая АС характеризует процесс накопления электрического заряда абсорбции в неоднородной слоях изоляции. Критерием качества измерения служит отношение АС/СГ. Для неувлажнённой изоляции отношение это значение (АС/СГ) не превышает 0,1. При переувлажнении отношение АС/СГ более 0,1.
Принципиальная электрическая схема прибора для измерения электрической емкости изоляционных конструкций ТЭМ приведена на рисунке 4.8, которая основана на сравнении полученных результатов с эталонными. Для сравнения с эталоном необходимо использовать конденсаторы с малой величиной коэффициента абсорбции.
Изменение схемы включения тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона
При сравнении кривых нагревания якоря и дополнительного полюса ТЭМ, можно отметить, что влияние скорости движения электропоезда наиболее значительно для якоря, чем для ДП ТЭМ. Однако и остывание якоря происходит значительно быстрее, вследствие меньшей термической постоянной времени якоря (рисунок 3.7) чем дополнительного полиса (рисунок 3.8).
Ранее отмечено, при одних и тех же токах ТЭМ в зимний период, из-за закрытия отверстий для выхода воздуха из тяговой машины, предельные значения температуры элементов ТЭМ значительно выше, чем в летний период эксплуатации, а их остывание происходит значительно медленнее. Для сравнения на рисунках 3.16 и 3.17 приведены кривые нагревания ДП и якоря при токе 420 А в зимний период эксплуатации.
Кривые нагревания ДП ТЭМ при токе 420 А в зимний период эксплуатации Таким образом, нагревание якоря ТЭМ при токе 420 А, до предельно допустимых температур (140 С), происходит практически за одно и тоже время, как при летней системе вентиляции, так и зимней. Однако, если в летний период, при высоких скоростях движения электропоезда за два часа непрерывной работы максимальный перегрев изоляции якоря составляет 170-190 С, то в зимний период это значение равно 200-250 С. При этом остывание якоря будет происходить значительно медленнее, в сравнении с летним периодом эксплуатации.
Для дополнительного полюса закрытие отверстий для выхода воздуха из тяговой электрической приводит к значительно более интенсивному увеличению температуры, чем для якоря ТЭМ. Темп нарастания температуры практически не изменяется на всем рассмотренном диапазоне времени, вне зависимости от скорости движения электропоезда. Таким образом, наибольшую температуру изоляционных конструкций в зимний период эксплуатации наблюдается на дополнительных полюсах. Это же подтверждается анализом надежности ТЭМ в первой главе.
Проведены расчеты нагревания якорной обмотки и дополнительного полюса ТЭМ поезда 6720 от 12 июля 2013 года, курсирующего по участку Москва-Тверь с отправлением из Москвы в 17 ч. 10 мин. и прибытием в Тверь в 19 ч. 39 мин.
Перед отправлением из Москвы электропоезд выполнял перевозку пассажиров по участку Конаково-Москва протяженностью 141 км. Ожидание электропоезда перед началом движения по участку Москва-Тверь составило 26 мин. В связи с этим в тепловых расчетах рассмотрены две начальные температуры перегрева: первая - 0 С, вторая равная температуре перегрева с учетом стоянки электропоезда 26 мин после прибытия.
При расчетах использовались данные о параметрах движения, полученные в опытных поездках на этом участке: скорости движения; позиции регулирования; токе тяговых машин, напряжении контактной сети; температуры обмоток, определенных методом вольтметра-амперметра; температуре окружающего воздуха. На конечной станции производился контроль температуры коллекторов и передних лобовых частей якорей ТЭМ инфракрасными термометрами «Кельвин» с погрешностью измерения не более одного градуса.
При этом начальное значение перегрева т0 в каждом цикле расчета принималась равным значению перегрева по окончанию предыдущего цикла тп. Результаты расчета приведены на рисунках 3.18 и 3.19.
В процессе движения электропоезда интенсивно применялось электрическое торможение до полной остановки. Населенность поезда в три раза превышала число посадочных мест. Это характерно для большинства электропоездов Ленинградского направления в «час пик». Из-за длительной посадки-высадки пассажиров по всему участку поезд следует с максимально
Рисунок 3.21 - Перегрев изоляции дополнительного полюса ТЭМ поезда 6720 в зависимости от начальной температуры в зимний период Таким образом, результаты расчета показали, что при длительности стоянки электропоезда не более 20-30 минут, наблюдается значительное превышение предельно допустимой температуры изоляции тяговых электрических машин, особенно дополнительного полюса. Если в летний период, в случае равенства температуры перегрева ТЭМ температуре окружающей среды при отправлении, изоляция ТЭМ лишь достигает предельного значения температуры в течение поездки, то в зимний период эксплуатации превышение допустимого перегрева якоря составляет 10 С, а дополнительного полюса 40 С. При этом снижение температуры перегрева происходит значительно медленнее, чем в летнее время. Это приводит к ускоренному образованию микропор и трещин в изоляционных конструкциях ТЭМ.
При проведении измерений увлажненности и сопротивления изоляции ТЭМ, в моторвагонных депо Раменское и Нахабино, выявлено, что во время длительных стоянок, а также при работе моторных вагонов с отключенными тяговыми электрическими машинами, наблюдается интенсивное увлажнение изоляции по скорости и объему накопления влаги. Это приводит к резкому снижению электрической прочности изоляции полюсов и обмоток ТЭМ и последующему пробою переувлажненной изоляции после ввода ТЭМ в эксплуатацию [96, 97, 99].
Также, выявлено неоднократное засорение входных отверстий ТЭМ электропоездов проходящих текущие ремонты ТР-1 и ТР-2 [107] (рисунки 3.22 и 3.23). Это вызывает рост аэродинамического сопротивления прохождению охлаждающего воздуха по тяговой машине и, как следствие, повышение температуры обмоток. Рисунок 3.22 - Засорение отверстия для входа воздуха в ТЭМ электропоезда находящегося на ТР-1 депо Крюково
При проведении анализа тепловых режимов тяговых электрических машин с использованием электрического торможения и применении токовой нагрузки только в режиме тяги рассмотрен зимний период эксплуатации. В этот период наблюдается наибольшее число отказов тяговых электрических машин и наиболее высокая температура нагревания изоляции обмоток ТЭМ (рисунки 3.24 - 3.25). На основании ранее выполненных нами опытных поездок начальная температура перегрева обмоток тяговых машин принята 60 С.
Анализ результатов тепловых расчетов показал, что при применении токовой нагрузки только в режиме тяги, перегрев обмоток не превышает предельно допустимого значения. При отсутствии электрического торможения и начальной температуре перегрева якоря 140 С (рисунок 3.26) и 155 С дополнительного полюса (рисунок 3.27) температура обмоток не превышает допустимой. Кроме того, наблюдается снижение температуры якорной обмотки. Однако, в случае засорения отверстия для входа воздуха в ТЭМ, перегрев может увеличиться на 15-20 С, что установлено в опытных поездках.