Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ отказов оборудования вагонов метрополитена 7
1.1 Эксплуатационные отказы оборудования вагонов 7
1.2 Технологический процесс ремонта оборудования вагонов 13
1.3 Анализ производственных дефектов электрооборудования вагонов 20
1.4 Вероятностный анализ времени устранения производственных дефектов электрооборудования вагонов 29
Выводы 41
2. Исследование переходных процессов в силовой цепи вагона метрополитена в режиме электрического торможения 42
2.1 Состояние вопроса 42
2.2 Математическая модель процесса самовозбуждения тяговых электродвигателей вагона 43
2.3 Математическая модель процесса торможения вагона 53
2.4 Исследование процесса самовозбуждения ТЭД при технологическом разбросе параметров силовой цепи вагона 59
2.5 Исследование аварийных режимов работы силовой цепи вагона 62
Выводы 70
3. Модернизация силовой цепи вагона метрополитена 72
3.1 Статистический анализ эксплуатационной надежности элементов силовой цепи вагона 72
3.2 Модернизация силовой цепи вагона 78
3.3 Оценка надежности модернизированной силовой цепи вагона 86
3.4 Технологический процесс обслуживания и ремонта вагона с модернизированным комплектом электрооборудования 97
Выводы 100
4. Автоматизированная система технологического контроля электрооборудования вагона метрополитена 101
4.1 Система технологического контроля качества ремонта электрооборудования вагона 101
4.2 Стационарный контроль электрооборудования вагона 107
4.3 Стенд для стационарных испытаний электрооборудования вагона 114
Выводы 128
5. Технико-экономическое обоснование работы 130
5.1 Технико-экономическое обоснование модернизации электрооборудования вагона метрополитена 130
5.2 Технико-экономическое обоснование системы технологического контроля электрооборудования вагона метрополитена 132
Выводы 134
Заключение 135
- Вероятностный анализ времени устранения производственных дефектов электрооборудования вагонов
- Исследование процесса самовозбуждения ТЭД при технологическом разбросе параметров силовой цепи вагона
- Технологический процесс обслуживания и ремонта вагона с модернизированным комплектом электрооборудования
- Стенд для стационарных испытаний электрооборудования вагона
Введение к работе
Постоянно возрастающий пассажиропоток линий метрополитена требует особого внимания к надежности и эффективности его подвижного состава. Электрооборудование вагонов метрополитена имеет много общего с электрооборудованием других видов электроподвижного состава (электровозов и электропоездов). Поэтому автором был произведен обзор выполненных ранее научных исследований и практических разработок в области совершенствования электрооборудования электроподвижного состава. Среди них широко известны работы ученых Московского государственного университета путей сообщения [1-14], Петербургского государственного университета путей сообщения [15-20], Российского государственного открытого технического университета путей сообщения [21-29], Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта [30,31], Всероссийского научно-исследовательского института вагоностроения [32], работников промышленных предприятий [33-35] и других авторов [36-43]. Аналогичные вопросы рассмотрены и в зарубежных источниках [44-47].
Значительная часть действующего электроподвижного состава метрополитенов страны в связи с длительным сроком эксплуатации требует замены или капитального ремонта. Полная и быстрая замена действующих вагонов новыми требует значительных финансовых затрат. Капитальный ремонт требует меньших затрат, и производственные мощности отечественных вагоноремонтных заводов достаточны для проведения требуемого объема капитального ремонта. Кроме того, в процессе капитального ремонта представляется возможным провести усовершенствовании структуры электрооборудования вагона в направлении повышения его надежности. Указанные обстоятельства дают основание считать капитальный ремонт наиболее реальным путем для поддержания работоспособного состояния действующего парка вагонов метрополитена на ближайшие 15 лет.
Совершенствование структуры электрооборудования вагонов при
капитальном ремонте, исходя из имеющихся на данный момент в нашей стране отработанных технических решений, может быть выполнено по следующим программам:
без модернизации на базе контакторных элементов, которые применяются на действующих вагонах [48];
с модернизацией на базе импульсной системы регулирования напряжения и тока возбуждения тяговых электродвигателей [33-35, 49];
с модернизацией на базе бесконтактных переключателей силовой цепи, реализованной на трех опытных вагонах [50],
Первый вариант решения задачи сохранит все существующие недостатки системы в эксплуатации вагонов метрополитена, а именно - высокий процент отказов контактори ого электрооборудования и значительные затраты на техническое обслуживание и ремонт.
Второй вариант существенно повысит стоимость электрооборудования и потребует переделки конструкции элементов нижней части вагона, к которым должно крепиться новое электрооборудование, а это не допускается гарантийными условиями продления на 15 лет срока службы вагонов.
Кроме того, основным достоинством вагонов метрополитена с импульсным регулированием является возможность рекуперации электрической энергии. Однако, действующая система электроснабжения линий метрополитена не приспособлена к приему рекуперируемой энергии, и в ближайшие годы ее переоборудование не предвидится. Рекуперируемая в контактную сеть электрическая энергия может быть использована в режиме пуска другим составом, находящимся на одном тяговом плече с рекуперируемым составом, но эффективность такого процесса не может быть высокой, так как режимы пуска и торможения составов, находящихся на одном тяговом плече, синхронизировать практически невозможно.
Третий вариант - модернизация электрооборудования на базе бесконтактных переключателей силовой цепи вагона обеспечивает:
- повышение надежности электрооборудования и сокращение расходов на
его техническое обслуживание за счет использования бесконтактной техники;
сохранение и использование действующих технологий и оборудования для технического обслуживания и ремонта вагонов;
сцепляемость модернизированных вагонов с действующими;
отсутствие помех для устройств связи и сигнализации;
- стоимость капитального ремонта вагона на уровне, установленном
нормативными документами (60% от стоимости нового вагона).
Отмеченные выше положения позволяют сделать заключение о том, что наиболее рациональным и позволяющим в сжатые сроки провести модернизацию действующего парка вагонов метрополитена является вариант с использованием бесконтактных переключателей силовой цепи вагона, что было и положено в основу настоящей работы. В работе поставлены и решены следующие задачи:
выполнен статистический анализ эксплуатационных отказов и технологических дефектов оборудования вагонов метрополитена, что позволило выявить наиболее слабые места в конструкции оборудования вагона и в технологическом процессе ремонта вагона;
разработана математическая модель переходных процессов в силовой цепи вагона, которая позволила исследовать наиболее опасные режимы работы тяговых электродвигателей и установить причины возникновения отказов, ведущих к тяжелым последствиям;
разработана более совершенная структура силовой цепи вагона на базе бесконтактных переключающих элементов, которая обеспечивает повышение надежности электрооборудования вагона;
разработаны методы и средства автоматизированного технологического контроля электрооборудования вагона, обеспечивающие выявление скрытых технологических дефектов, допускаемых в процессе ремонта, что существенно повышает надежность вагонов и сокращает сроки ввода их в эксплуатацию;
дано технико-экономическое обоснование принятых технических решений.
Вероятностный анализ времени устранения производственных дефектов электрооборудования вагонов
Представленные выше результаты статистического анализа дают усредненную характеристику затрат времени на поиск и устранение брака, допускаемого при сборке и монтаже электрооборудования вагонов. Такие характеристики позволяют оценить соотношение различных видов брака, и определить на каком этапе технологического процесса сборки и монтажа необходимо обратить особое внимание, чтобы повысить качество выпускаемой продукции. Вместе с тем, следует отметить, что усредненные данные не раскрывают полной картины о закономерностях рассматриваемого технологического процесса, не позволяют оценить такие важнейшие его характеристики, как количество и вероятность выпуска вагонов за установленное нормативное время, в то время как они являются основными производственными показателями. Такая оценка может быть выполнена только по результатам вероятностного анализа всех составляющих технологического процесса.
Для более качественной оценки временных показателей процесса наладки и регулировки вагонов были построены по статистическим данным гистограммы (рис. 1.7 и 1.8) распределения времени и плотности вероятности поиска и устранения производственных дефектов за два года наблюдения. Необходимо отметить, что полученные графики справедливы для любого периода времени, так как производственный процесс не менялся на протяжении многих лет. Таким образом, это не случайное явление, а система, которую необходимо исправлять.
Гистограммы плотностей вероятности аппроксимированы экспоненциальной функцией. Проверка близости распределения выборки экспоненциальных данных к принятой аналитической модели закона распределения по критерию согласия % Пирсона показала, что выбранный теоретический закон распределения не противоречит экспериментальным данным с вероятностью не менее 0,25 [57]. В условиях практики это считается достаточным для оценки вероятностных показателей процесса наладки и регулировки вагонов.
На основании принятого закона распределения (см. рис. 1.7 и 1.8) построены графики (рис. 1.9 и 1.10) вероятности поиска и устранения производственных дефектов. Согласно этих графиков, вероятность сверхнормативных затрат времени на наладку и регулировку вагонов на уровне средних значений /ф = 1,97-5-2,16 чел. час составляет не менее 0,69. Такое значение вероятности недостаточно, так как в условиях производства нормативные затраты времени должны устанавливаться таким образом, чтобы за намеченный срок заканчивалась подготовка практически всех выпускаемых вагонов. Этому условию соответствует значение вероятности 0,9- 0,95. Но при такой вероятности дополнительные затраты времени будут составлять 4,4+6,0 чел.час (для одного дефекта) или 46,16-5-62,84 чел.час для вагона, т.е 140,94-193,18% основного времени на наладку и регулировку электрооборудования вагона метрополитена (32,53 чел.часа). Это обстоятельство подчеркивает необходимость совершенствования технологии сборки и наладки электрооборудования вагона.
Электрооборудование вагонов метрополитена является сложной разветвленной системой. Вместе с тем, в ней можно четко выделить две функциональные подсистемы: силовые цепи, содержащие тяговые электродвигатели и силовые элементы управления и цепи управления элементами силовой цепи. Эти подсистемы, как показывает опыт, отличаются количеством и видами производственных дефектов. Поэтому с целью оценки влияния каждой из них на общий показатель сверхнормативных затрат времени, был выполнен статистический анализ по каждой подсистеме в отдельности.
Исследование процесса самовозбуждения ТЭД при технологическом разбросе параметров силовой цепи вагона
Достоинством перекрестной схемы включения якорных обмоток и обмоток возбуждения ТЭД на вагонах метрополитена является выравнивание токов в параллельных группах ТЭД, что обеспечивает равенство тормозных усилий, развиваемых ТЭД. Однако этот процесс проявляется только в установившемся режиме торможения вагона, а в переходном процессе самовозбуждения ТЭД возможно различие тормозных усилий за счет технологического разброса параметров элементов силовой цепи вагона. Это обстоятельство может привести к ударному воздействию на механическую часть тягового электропривода и ее повреждению. В диссертации проведено исследование влияния технологического разброса параметров элементов силовой цепи вагона на величину начального тормозного усилия, развиваемого ТЭД в процессе их самовозбуждения.
Тормозное усилие, создаваемое ТЭД, определено конструктивными параметрами механической части тягового электропривода и параметрами магнитной системы ТЭД.
Параметрами механической части тягового электропривода, влияющими на тормозное усилие, развиваемое ТЭД, является, согласно (2.5) радиусы колесных пар и передаточные число редуктора колесной пары.
На вагонах метрополитена эксплуатируют подрезиненые и цельнокатаные колеса. При изготовлении диаметр новых колес составляет 800 мм. В процессе эксплуатации происходит естественный износ колес, а также возникают дефекты (прокат, выбоина, подрез гребня и выкрашивание). При появлении дефекта производят обточку колес колесной пары. Минимальный разрешенный диаметр колеса составляет 735 мм. Во время эксплуатации разница в диаметрах колес по кругу катания одного вагона составляет для колесных пар одной тележки 10 мм, а для колесных пар разных тележек — 20 мм. Наибольшая разница токов в группах возникнет при 1= , = / +0,05 = / +0,05, где RK„i = 0,385 м - радиус колесной пары.
Расчеты показывают, что в этом случаи разница токов групп ТЭД составляет + 1,2% от среднего значения.
Допустимая разница электромеханических характеристик ТЭД нормируется [52], как разность частот вращения часового режима ТЭД в одну и другую стороны в сравнении со среднеарифметическим обеих частот вращения, и составляет + 4%.
Технологический разброс параметров магнитной системы ТЭД обусловлен технологическим разбросом сопротивления резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения ТЭД, и различием остаточных магнитных потоков в магнитной системе ТЭД. При выполнении настоящей работы при расчете было установлено, что допустимый разброс сопротивления резисторов, шунтирующих обмотки возбуждения ТЭД оказывает влияние на величину магнитного потока ТЭД (± 0,7%). Различие остаточных магнитных потоков в магнитной системе ТЭД приводит к существенной разнице (до 20%) начального напряжения Е0 на якорных обмотках ТЭД.
Тормозные усилия, развиваемые ТЭД, находятся в линейной зависимости от указанных выше параметров, которые являются случайными величинами. Следовательно, относительные значения разности тормозных усилий, развиваемых параллельными группами ТЭД, может быть оценена, согласно теории случайных величин [65] следующей зависимостью:
(=1 где 5; - относительное значение технологического разброса влияющего параметра.
На рис. 2.9 приведены расчетные зависимости тормозного усилия в параллельных группах ТЭД в режиме их самовозбуждения при указанных выше предельных значениях технологического разброса всех влияющих параметров электропривода вагона. Различие тормозных усилий, относительно наименьшего значения достигает 25%, что приведет к существенному ударному воздействию на механическую часть тягового электропривода. Это служит причиной излома поводков тележки вагона число которых, по данным электродепо при парке 300 вагонов, составляет 2500 -3000 шт. в год, что приводит к дополнительным затратам в 1625 -1950 тыс.руб в год.
Отрицательное влияние технологического разброса параметров силовой цепи существенно снижается введением начального подмагничивания ТЭД от постороннего источника. На рис. 2.10 приведена расчетная зависимость тормозного усилия в параллельных группах ТЭД при начальном подмагничивании, превышающее начальное напряжение ТЭД в 3 раза. Расчет показывает, что различие в тормозных усилиях параллельных групп ТЭД снизилось, а процесс самовозбуждения ТЭД вагона происходит быстрее.
Технологический процесс обслуживания и ремонта вагона с модернизированным комплектом электрооборудования
На метрополитенах России и стран СНГ действует система планово-предупредительного обслуживания и ремонта подвижного состава, то она устанавливает проведение технологических обслуживании (ТО), текущих ремонтов (ТР) и капитальных ремонтов (КР) в зависимости от пробега.
Техническое обслуживание первого объема (ТОЇ) проводят в пунктах технического обслуживания при приемки и сдачи вагона в эксплуатацию через 8-J-14 часов работы вагона. ТОЇ является осмотром н проводится слесарем-механиком комплексной бригадой и машинистом поезда.
Техническое обслуживание второго объема (Т02) проводят через 3,75±1,0 тыс.км пробега вагона комплексной бригадой электродепо, а третьего объема (ТОЗ) через 7,5±2,0 тыс. км. Любое ТО проводят во время планового отстоя состава между утренним и вечерними часами «пик», а ТОЇ — также и при ночных отстоях.
Текущий ремонт первого объема (ТР1) производят через 60+10 тыс.км пробега вагона. Как правило, ТР1 выполняют во время длительных плановых отстоев слесарями комплексной бригады. Текущий ремонт второго объема (ТР2) производят через 240+10 тыс.км пробега. При ТР2 вагон выводится из состава и все работы выполняется бригадой слесарей участка планово-подъемочного ремонта (ППР). При этом виде ремонта в большей степени подвергается механическое и пневматическое оборудование, а доля электрооборудования остается на уровне объема TPI. Простой вагона в ремонте может достигать двое суток. Текущий ремонт третьего объема (ТРЗ) производят через 480+20 тыс.км. Этот вид ремонта является самым большим по объему, который проводится в условиях депо и затрагивает все виды оборудования. Электрооборудование ремонтируется слесарями ППР, аппаратао-автоматного отделения (ААО) и участка по ремонту тиристорного регулятора поля (ТРП). Простой вагона в ремонте объема ТРЗ может достигнуть 5 суток. После ТР2 и ТРЗ производят обкатку вагона на линии не в часы «пик».
Капитальные ремонты вагона в объемах КР1 (960+40 тыс.км) и КР2 (2880 тыс.км) проводятся на заводе ЗРЭПС. По существующим нормам ремонта все полупроводниковые элементы заменяются при капитальном ремонте, т.е. только через 5,5 лет произойдет ремонт комплекта модернизированного электрооборудования.
Так как некоторые виды оборудования вагона не изменялись, то вагон с модернизированной схемой силовой цепи проходит также все ТО и ТР как и серийные вагоны, но из-за применения полупроводниковых элементов, которые не требуют обслуживания в эксплуатации, происходит сокращение трудоемкости ТО и ТР и высвобождается производственное оборудование. Ремонт при ТРЗ модернизированного комплекта электрооборудования заменяется на профилактическое обслуживание и проверку силовых полупроводниковых элементов. Сравнение трудозатрат при ТО и ТР серийного и модернизированного комплекта силового электрооборудования приведено в табл. 3.8.
Общая трудоемкость ТО и ТР электрооборудования за цикл от КР2 до
У КР1 составляет:
- для вагона типа 81-717 - 1377,7 ч;
- для вагона типа 81-714 - 1126,8 ч.
Сокращение трудозатрат при применении модернизации составляет для вагона типа 81-717 на 18,4%, а для 81-714 - 21,7%. Также сокращается время простоя вагона в ТО и ТР, что поднимет эксплуатационную готовность вагона. Также при применении модернизированного комплекта обозначится возможность перехода от системы планово-предупредительного ремонта к системе ремонта по состоянию.
Выводы:
Модернизация электрооборудования вагона метрополитена позволяет:
- упростить конструкцию силовой цепи;
- улучшить технологичность обслуживания и ремонта в электродепо при эксплуатации;
- исключить аварийные режимы;
- ускорить процесс самовозбуждения ТЭД вагона, а значит сократить тормозной путь;
- повысить надежность элементов силовой цепи и электрооборудования в целом;
- сохранить сцепляемость вагона с модернизированным комплектом электрооборудования с серийным вагоном;
- сохранить действующий алгоритм работы электрооборудования и раскладку пуско-тормозных резисторов;
2 - сохранить действующую технологию ремонта и обслуживания.
Стенд для стационарных испытаний электрооборудования вагона
Принцип построения стенда с изменением питающего напряжения, как было отмечено выше, более целесообразен [86]. В таком стенде в начальный 114 момент напряжение должно иметь максимальное значение при подключении к V. нагрузке (силовой цепи вагона) и спадать при дальнейшей работе. Такими параметрами обладают: аккумуляторы или конденсаторы. Оба элемента имеют общее название - накопитель энергии (НЭ) [87-94], При выборе накопителя энергии исходят в основном из характеристик накопления электроэнергии, срока службы или циклов заряд-разряд, стоимости и расходов на эксплуатацию. Сравнительные характеристики аккумуляторных и конденсаторных накопителей энергии приведены в табл. 4.4. Согласно приведенным данным показатели конденсатора ИКЭ (импульсный конденсатор энергоемкий) более высокие. Кроме того, ИКЭ устойчив к воздействию вибрации и ударов, пожаро-взрывобезопасен и в процессе эксплуатации не требует специального технического обслуживания. Исходя из этого, в виде накопителя энергии в стенде выбран конденсатор ИКЭ МНПО «Эконд» (г. Москва). Технические параметры макетных образцов импульсных конденсаторов энергоемких ИКЭ-80/320 приведены в табл. 4.5. 115 Для имитации работы силовой цепи вагона стенд должен реализовать значения токов и напряжения, указанные в табл. 4.6 Для управления силовыми цепями вагона и стенда и их контроля при испытаниях используется блок управления стенда (БУС), который определяет режим работы и состояния системы защиты. Команды управления поступают на БУС либо с пульта управления (ПУ) стенда, либо с контроллера машиниста.
БУС выполнен на базе микропроцессорной техники, алгоритм управления которого записывается в виде программы на флэш-память и может изменяться в процессе эксплуатации в зависимости от возникающих потребностей. БУС обеспечивает:
- автоматическое управление режимами проверки электрооборудования;
- ручное управление при испытаниях электрооборудования вагона;
- автоматическое отключение электрооборудования стенда и вагона при возникновении отказов.
Для контроля процессов происходящих в силовой цепи и цепях управления вагона используется система диагностики, которая выполнена на базе системы регистрации параметров СРПЗ (Приложении 2), в которую входят датчики, компьютер, АЦП и блок сопряжения. Система снабжена соответствующим программным и математическим обеспечением и имеет 32 канала, что является достаточным для оценки работоспособности электрооборудования вагона. Максимальная скорость сканирования составляет при 32 канальной системе 0,15 МГц на канал. Если требуется более высокая скорость сканирования, например, для анализа переходного процесса самовозбуждения, то можно увеличить скорость одного канала до 250 МГц.
Система диагностики выполнена со следующими параметрами: три канала датчиков тока типа LEM, четыре канала для токовых клещей, два канала для датчиков высокого напряжения, десять каналов сигнальных проводов постоянно включенных в схему управления вагона. Для расширения возможностей системы диагностики предназначен ряд резервных каналов.
Конструктивно пульт управления, БУС, система диагностики и блок питания выполнены в едином корпусе.
Схема силовых цепей вагона и стенда показана на рис.4.2. Принцип работы силовых цепей вагона описан в работах [48, 62].
При испытаниях силовая цепь вагона отключается от токоприемника ТР главным выключателем (ГВ). Якорные обмотки Я1-кЯ4 ТЭД отключаются в ящике реверсора. Вместо якорных обмоток ТЭД в силовую цепь включаются контакты Х4 и Х5 вспомогательных контакторов с датчиками тока ДТ2, ДТЗ системы диагностики. В переключателе положения (ПП) в разрыв проводов (на схеме рис. 4.2 точка «А») включается контакт Х6 вспомогательного контактора и подключается контакт ТЗ, подключающий в тормозном режиме общую шину питания. В цепь обмоток возбуждения ТЭД ОВ1-ЮВ4 включаются датчики тока ДТ4 и ДТ5 системы диагностики, а в цепь контакторов КСБ1 и КСБ2 — датчики ДТ6 и ДТ7. Эти датчики выполнены в виде токовых клещей, поэтому силовая цепь этих элементов не разрывается. Все описанные выше элементы стенда размещены в передвижном блоке.
