Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ надежности предельно нагруженного оборудования электровозов железных дорог Восточного региона 18
1.1. Анализ надежности тяговых двигателей 18
1.2. Влияние нагрузки на надежность тяговых двигателей электровозов постоянного и переменного тока 42
1.3. Влияние метеорологических условий эксплуатации на надежность тяговых двигателей 52
1.4. Характер и причины отказов тяговых двигателей в эксплуатации 60
1.5. Анализ надежности тяговых двигателей после капитального ремонта на Улан-Удэнском локомотивовагоноремонтном заводе 65
1.6. Анализ надежности асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока 75
1.7. Анализ надежности выпрямительно-инверторных преобразователей электровозов ВЛ85 92
1.8. Анализ надежности сглаживающих реакторов электровозов переменного тока... 97
2. Научные основы повышения надежности электровоза путем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования . 103
2.1. Применимость марковских цепей для формирования модели функционирования железной дороги 103
2.2. Модель функционирования технологического процесса перегона железной дороги с расчетным подъемом 111
3. Экспериментально-теоретическое исследование надежности предельно нагруженного оборудования электровозов 119
3.1. Тепловое старение изоляции тягового электрического двигателя... 119
3.1.1. Закономерности теплового старения изоляции электрических машин 119
3.1.2. Тепловой переходный процесс тягового двигателя 122
3.2. Тепловое старение изоляции асинхронной вспомогательной машины 128
3.2.1. Тепловой переходный процесс асинхронного электродвигателя 129
3.2.2. Анализ воздействия отклонения напряжения питания на процесс теплового износа изоляции асинхронного двигателя АНЭ225 привода компрессора 131
3.2.2.1. Анализ работы и исследование тепловых реле АВМ электровозов 131
3.2.2.2. Электромеханические переходные процессы при пуске асинхронного двигателя
3.2.2.3. Тепловые переходные процессы при пуске асинхронного двигателя 138
3.2.2.4. Анализ влияния пусковых токов на процесс теплового износа изоляции асинхронного электродвигателя 141
3.2.2.5. Методика расчета нагревания обмоток приводного двигателя компрессора 142
3.2.3. Методика определения теплового износа изоляции двигателя вентилятора при отклонении напряжения в контактной сети 146
3.2.3.1. Расчет напряжения питания асинхронной вспомогательной машины в зависимости от напряжения на токоприемнике 146
3.2.3.2. Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя ЛНЭ225 при номинальной мощности на валу 147
3.3. Тепловой переходный процесс выпрямительно-инверторного преобразователя 150
4. Экспериментально-теоретическое исследование надежности коллекторно-щеточного узла тягового двигателя 154
4.1. Круговые огни и износ коллекторов при затягивании меди 154
4.2. Затягивание меди на двигателях электровозов постоянного и переменного тока 160
4.3. Многофакторный анализ затягивания меди коллекторов ТД 163
4.4. Исследование факторов, влияющих на затягивание меди коллекторов 175
4.5. Площадь скользящего контакта 187
4.6. Фактическая плотность тока в переходе щетка - коллектор 200
4.7. Напряженность электрического поля в контакте. Частота изменения тока и напряженности 204
4.8. Температура в скользящем контакте 208
4.9. Усилия при трении щеток о коллектор 216
4.10. Механизм затягивания меди коллекторов тяговых электродвигателей 220
5. Разработка методов и средств непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза 224
5.1. Обоснование и выбор методов и средств температурного контроля.. 224
5.1.1. Принципы, методы и средства непрерывного контроля температуры 224
5.1.2. Метод измерения температуры с использованием в качестве датчика транзистора в режиме диода 227
5.1.3. Расчет элементов мостовой схемы измерения температуры 232
5.1.4. Определение рабочего диапазона измеряемых температур 234
5.1.5. Варианты конструктивного исполнения элементов системы температурного контроля 238
5.1.6. Выбор оптимального варианта исполнения системы непрерывного температурного контроля 243
5.1.7. Помехоустойчивость системы 251
5.1.8. Генератор тактовых импульсов 257
5.1.9. Схемы управления аналоговым коммутатором 259
5.1.10. Схема индикации состояния счетчика или номера открытого канала аналогового коммутатора 260
5.1.11. Блок сигнализации системы температурного контроля 263
5.1.12. Подсистема автоматического отключения по превышению критической температуры 267
5.2. Система непрерывного контроля температуры тяговых двигателей и
сглаживающих реакторов электровоза ВЛ85 270
5.2.1. Схема системы непрерывного контроля температуры. Работа системы в режиме автоматического опроса 271
5.2.2. Работа системы при предварительном прогреве оборудования... 283
5.2.3. Работа системы при превышении допустимой температуры 286
5.3. Разработка системы температурной стабилизации оборудования
электровоза переменного тока 287
6. Внедрение результатов исследований в систему железнодорожного транспорта и их экономическая эффективность 300
6.1. Реализация исследований в системе железнодорожного транспорта . 300
6.2. Расчет экономического эффекта от внедрения системы непрерывного контроля температуры тяговых двигателей, сглаживающих реакторов и выпрямительно-инверторных преобразователей 311
Основные результаты и выводы 318
Литература 321
Приложение 1 339
- Влияние метеорологических условий эксплуатации на надежность тяговых двигателей
- Модель функционирования технологического процесса перегона железной дороги с расчетным подъемом
- Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя ЛНЭ225 при номинальной мощности на валу
- Напряженность электрического поля в контакте. Частота изменения тока и напряженности
Введение к работе
Рост экономического развития России во многом обеспечивается надежной и высокоэффективной работой железнодорожного транспорта. Это в наибольшей степени относится к настоящему периоду ее развития - периоду экономической перестройки и реформации [1].
С 1 октября 2003 года начала свою хозяйственную деятельность крупнейшая в мире и России транспортная компания ОАО «Российские железные дороги». К 2007 году планируется объем грузовых перевозок увеличить на 22,5 %, пассажирских на 8,4 %. При этом объем грузооборота превысит 2 триллиона тонно-километров, превзойдя уровень 1992 года. Без освоения производства нового более надежного электроподвижного состава невозможно обеспечить эти показатели.
К концу 70-х годов прошлого столетия был практически исчерпан резерв повышения мощности коллекторных тяговых двигателей магистральных электровозов. В то же время необходимость повышения массы грузовых поездов с целью увеличения провозной способности железных дорог и скорости пассажирских поездов в конкурентной борьбе с авиационным транспортом, требовала дальнейшего увеличения мощности электровозов. При создании электровозов нового поколения с асинхронным электроприводом, увеличенной мощности, резко повышается актуальность разработок систем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования. В этой связи уже на первых опытных электровозах ЭП10 в обмотки тяговых двигателей установлены несколько датчиков температуры [2].
Не менее важно обеспечивать температурный контроль на используемых в настоящее время электровозах переменного тока. На сети железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, составляющей около половины электрифицированных дорог страны, эксплуатируются несколько типов грузовых электровозов - ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ85 [3]. Срок эксплуатации их составляет от 12 до 35 и более лет. Выпуск новых грузовых электровозов прекращен и в ближайшие 10-15 лет предполагается эксплуатация имеющегося в настоящее время парка электровозов без пополнения новыми локомотивами. Это в наибольшей мере касается Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД), почти полностью электрифицированной по системе переменного тока, электровозы которой, работая на крутых (17%о и более) и протяженных расчетных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную.
В настоящие время на Улан-Удэнском локомотивовагоноремонтном заводе ВСЖД производится переоборудование электровозов ВЛ80Т, ВЛ80С при выполнение капитальных ремонтов с продлением срока экс плуатации (КРП). Модернизированные электровозы ВЛ80ТК и ВЛ80СК оборудованы современными микропроцессорными системами управления с выводом данных об основных параметрах работы на мониторы, расположенные на пультах управления. Как показал опыт эксплуатации электровозов ВЛ80ТК и ВЛ80СК депо Вихоревка ВСЖД их слабым «звеном» является отсутствие информации о температуре предельно нагруженного оборудования. В то же время, ввод системы непрерывного контроля температуры этого оборудования при проведении КРП на электровозах ВЛ80ТК и ВЛ80СК вполне осуществим.
Анализ надежности оборудования электровозов Восточного региона показывает, что на долю тяговых электрических двигателей (ТЭД) приходится более одной пятой отказов. Наблюдается рост повреждений ТЭД по мере увеличения срока эксплуатации. Использование электровозов с вышедшим из строя хотя бы одним двигателем запрещается. Средняя стоимость устранения отказа ТЭД в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования. Велик ущерб от задержек поездов при повреждениях двигателей. Две трети неисправностей ТЭД вызваны пробоями изоляции обмоток. Испытания показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки оборудования, а также снижением расхода охлаждающего воздуха существенно меньше допустимых значений. Тепловое и термомеханическое старение изоляции двигателей электровозов Восточного региона ускоряется из-за значительных колебаний нагрузки при следовании по горно-холмистому профилю дороги, с частыми подъемами и спусками.
Тепловое старение изоляции способствует накоплению и росту микропустот, микротрещин в изоляции. Благодаря этому, в зимний период эксплуатации при минусовой температуре воздуха, из-за частых переходов температуры обмоток, при используемой в настоящее время технологии эксплуатации ТЭД, через нулевое значение наблюдается интенсивное увлажнение состарившейся изоляции. Это приводит к значительному росту пробоев изоляции обмоток зимой.
Значительная доля отказов двигателей приходится на коллектор-но-щеточный узел (КЩУ). Эти неисправности нередко связаны с затягиванием меди в межламельные промежутки коллектора, при котором существенно возрастает интенсивность возникновения круговых огней и износ коллекторов. В среднем на половине поступающих в текущий ремонт ТЭД производится устранение сдвинутых в межламельное пространство чешуек меди. Нами установлено, что из имеющих место в условиях работы электровозов Восточного региона эксплуатационных и технологических факторов наибольшее влияние на затягивание меди коллекторов оказывает температура коллекторов и характер токорас-пределения в щетках. Наименьшее затягивание меди, износ коллекторов и количество круговых огней наблюдаются при температуре коллекторов 65-80° С. При уменьшении или увеличении температуры коллекторов относительно оптимального значения надежность работы КЩУ резко снижается.
Более одной пятой отказов ТЭД вызваны моторно-якорными подшипниками (МЯП). Нередко повреждения этого узла вызывают заклинивания колесных пар электровозов и разрушения (разбандажиров-ки) якорей и возгорание ТЭД.
На асинхронные вспомогательные машины (АВМ) электровозов ВСЖД приходится более 12% отказов. На электровозах ВЛ85, которые выполняют большую часть работы в грузовом движении, повреждения распределились следующим образом. Наибольшая часть неисправностей двигателей АНЭ225 (более 80%) приходится на мотор-компрессоры (МК). Остальные отказы АВМ этих электровозов распределились между мотор-вентиляторами МВ1-.МВЗ (более 14%), МВ4-МВ5 (менее 3%) и фазорасщепителями ФР (около 1% отказов). Наблюдается рост повреждений во времени эксплуатации. Установлено, что снижение надежности АВМ обусловлено причинами, приводящими к чрезмерным перегревам статорных обмоток, роторов и подшипников. Этими причинами в большинстве случаев являются уменьшение напряжения питания значительно меньше допустимых значений, завышенная нагрузка приводных двигателей вентиляторов и затрудненный пуск МК в зимний период эксплуатации.
Повышенному нагреву элементов двигателей АНЭ225 способствует отсутствие вентиляторов и вентиляционных отверстий в роторах, а также форма их пазов. Эти двигатели могут работать при чрезмерном снижении питающего напряжения при повышенном скольжении. Надежность двигателей АНЭ225 ниже, чем АЭ92-4, ранее выпущенных электровозов ВЛ80 и даже АС82, АП82 общепромышленного исполнения, которые установлены на электровозах ВЛ60К.
Ежегодный ущерб от пожаров оборудования электровозов Восточного региона составляет 6,0-7,0 миллионов рублей и более. Имеют место случаи выгорания секций электровозов на 85-90%. Значительное количество пожаров оборудования электровозов вызвано возгораниями ТЭД, сглаживающих реакторов (СР) и выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП). Исследования показали, что отказы и пожары ТЭД, СР и ВИП нередко обусловлены чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки и существенного снижения интенсивности вентиляции. Количество отказов ВИП, на долю которых приходится более 10% повре ждений электровозов, можно существенно снизить, обеспечив температуру элементов ВИП в диапазоне оптимальных значений. При этом исключается как перегрев тиристоров, так и переохлаждение их с увлажнением в зимний период эксплуатации. Перегрев и частые колебания температуры, которые вызывают ухудшение теплоотдачи в контакте тиристор-охладитель, ведут к ускоренному тепловому старению электронных приборов, что проявляется в нарушении их характеристик. Это увеличивает неравномерность распределения нагрузки оборудования электровоза, а также приводит к нарушениям работы преобразователей (броскам тока) из-за помех особенно в зимний период.
При появлении бросков тока ВИП, электровоз выводится из эксплуатации до устранения причин этого отказа. В среднем в летний период броски тока ежедневно наблюдаются на 1-2 электровозах ВСЖД. Зимой количество электровозов с бросками тока ВИП увеличивается до 5-6. Тяговые двигатели отечественных электровозов переменного тока не имеют защиты от перегрева. Попытки использования радиотелеметрической системы контроля температуры ТЭД закончились неудачей. Условную защиту от превышения температуры осуществляют токовые реле и быстродействующие выключатели. Однако они имеют токи уставки, составляющие 1,7-2,2 номинального тока, и допускают чрезмерный перегрев изоляции двигателей. Отсутствует непрерывный контроль температуры МЯП. Электротепловые реле не срабатывают в большинстве случаев, вызывающих повышенный нагрев элементов АВМ. Нет контроля температуры СР и ВИП. В то же время противопожарная защита, установленная на электровозах ВЛ85, как показывает опыт эксплуатации, не эффективна.
Таким образом, анализ состояния электровозов Восточного региона свидетельствует об необходимости ввода на первом этапе непрерывного контроля температуры основного оборудования ВИП, СР, ТЭД и АВМ, с последующим решением вопросов по стабилизации температуры предельно нагруженного оборудования. Система непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования обеспечит минимально возможный тепловой и термомеханический износ изоляции обмоток СР, ТЭД, АВМ и тиристоров ВИП, оптимальные условия работы коллекторно-щеточного узла ТЭД и ВИП, а также исключит переохлаждение элементов оборудования в зимний период эксплуатации. Эта же система обеспечит контроль МЯП, температура которых является определяющей характеристикой их состояния. При увеличении температуры контролируемого элемента до предельно допустимой величины рассматриваемая система включит световую и (или) звуковую сигнализацию и снимет нагрузку с чрезмерно нагретых ВИП, СР, ТЭД или ЛВМ после предупреждения локомотивных бригад головного и подталкивающего электровозов. Это позволит избежать выдавливания вагонов и обрывы автосцепок в момент снятия нагрузки, сохранить своевременно отключенное перегретое оборудование и избежать схода электровоза с пути. Вводимая система обеспечит надежную работу не только наиболее распространенных двухсекционных электровозов, но и многосекционных (три или четыре секции). Эта же система будет эффективна также в случае использования радио или телеуправления электровозами, находящимися в средней и хвостовой частях состава из кабины головного электровоза при вождении длинно-составных поездов. Введение системы контроля температуры оборудования позволит откорректировать режимные карты и предусмотреть режимы нагрузки, которые исключат чрезмерные перегревы и пожары оборудования электровозов. Система своевременно переключит питание мотор-вентиляторов электровозов с низкой частоты вращения на высокую и наоборот при использовании двухступенчатого регулирования частоты вращения вентиляторов, обеспечив практически постоянную, оптимальную температуру ВИП, СР и ТЭД.
Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение надежности электровоза путем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести системный анализ надежности предельно нагруженного оборудования электровоза в различных географических и макроклимати-ческих зонах Транссибирской магистрали (на примере Красноярской, Восточно-Сибирской, Забайкальской железных дорог).
2. Создать модель функционирования перегона железной дороги, определить ее характеристики, разработать методику оценки уровня надежности перегона железной дороги и его повышения введением непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза.
3. Определить влияние эксплутационных воздействий на развитие процессов повреждения предельно нагруженного оборудования электровозов.
4. Обосновать механизм затягивания меди коллекторов тяговых двигателей на основании теоретических и экспериментально-статистических исследований. Установить влияние на этот процесс конструкционных, технологических, эксплутационных и температурных факторов.
5. Разработать методы и средства непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза.
6. Внедрить и испытать элементы системы непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза и определить их экономическую эффективность.
Научная новизна работы. Решение поставленных задач определило научную новизну диссертационной работы, которая заключается в следующем.
1. Разработана концепция повышения надежности электровоза путем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования, синтезирующая принципы многокоординатности и многоуровневости, обеспечивающая эффективность и безопасность перевозочного процесса.
2. Разработана математическая модель функционирования перегона железной дороги с расчетным подъемом, которая позволяет установить взаимосвязи между элементами системы «перегон железной дороги», влияние каждого элемента на надежность системы, определить наиболее «слабые» элементы.
3. Выявлено, что в условиях эксплуатации электровозов переменного тока основными диагностическими параметрами, характеризующими тепловой процесс оборудования, являются температура и скорость ее нарастания.
4. Установлены степень и температурный характер влияния затягивания меди коллекторов тяговых двигателей на интенсивность возникновения круговых огней и их износ. Уточнен механизм затягивания меди коллекторов, представляющий собой пластическую деформацию меди коллекторов, резко ускоряемую действием тока и электрического поля. Установлено, что затягивание меди коллекторов является составляющей общего износа, служит индикатором интенсивности износа коллекторов и указывает на перекоммутацию двигателей в тяговом режиме. Разработана классификация факторов, влияющих на затягивание меди коллекторов, определены степень и характер этого влияния. Определены силы, действующие в контакте «щетка-коллектор» ТЭД электровозов, фактическая площадь контакта, плотность тока в контакте и напряженность электрического поля Е, частота изменения jr и Е, температура в скользящем электрическом контакте. Установлена температура коллекторов ТЭД, при которой наблюдаются наименьший износ коллекторов, щеток, затягивание меди и количество круговых огней на коллекторах.
5. Разработаны методы и средства непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза с применением современной техники. Практическая ценность работы заключается в формулировании и реализации концепции повышения надежности электровоза путем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования, отражающей совокупность принципов многокоординатности и многоуров-невости.
Получены зависимости интенсивности износа узлов и элементов ТЭД электровозов постоянного и переменного тока от величины нагрузки, что позволяет прогнозировать и планировать срок их службы, разрабатывать эффективные мероприятия по предупреждению отказов, определять оптимальные массу составов и скорость движения на конкретных участках и направлениях железных дорог, устанавливать объективные нормы расхода запасных частей и материалов.
Предложенная модель надежности перегона железной дороги дает возможность выявить взаимосвязи между компонентами системы «перегон железной дороги», значение каждого компонента, наиболее «слабые» элементы и разработать мероприятия по повышению надежности системы.
Разработаны методики расчета теплового старения изоляции ТЭД и СР при разных нагрузке, интенсивности вентиляции, ухудшении теплопроводности из-за потери пропиточным лаком диэлектрических свойств вследствие перегрева, некачественной пропитки и (или) пониженной теплоотдачи из-за загрязнения поверхности обмоток; изоляции ЛВМ при разной нагрузке, изменении напряжения питания, увеличении времени пуска мотор-компрессоров (МК) при снижении напряжения питания, увеличении сопротивления пуску МК в зимний период эксплуатации, повреждении симметрирующих конденсаторов; электронных приборов при разных нагрузке, интенсивности вентиляции, ухудшении теплоотдачи из-за ослабления контакта «тиристор-охладитель» или загрязнения поверхности охладителя. Предложенные методики дают возможность определять фактический срок службы оборудования и планировать мероприятия по сокращению его отказов.
Выявленный в работе электро- и молекулярно-механический механизм затягивания меди коллектора ТЭД наиболее полно описывает этот процесс. Согласно установленному механизму затягивание меди представляет собой процесс ускоряемой воздействием электрического поля и тока пластической деформации поверхностного слоя коллектора, растягиваемого и сжимаемого выступами щеток. Выявление механизма затягивания меди коллекторов дает возможность существенно уменьшить интенсивность этого нежелательного процесса или полностью исключить его проведением комплекса конструкционных, технологических и эксплуатационных мероприятий. Полученные зависимости интенсивности износа коллекторов, щеток, затягивания меди и количества круговых огней ТЭД от температуры коллекторов использованы при введении элементов системы непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза ВЛ85.
Разработан непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза - ВИПов, СР, ТЭД и АВМ.
Решению этих проблем и задач посвящена диссертационная работа, которая выполнялась автором в Иркутском государственном университете путей сообщения. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе выполнен системный анализ надежности предельно нагруженного оборудования электровозов Восточного региона -тяговых двигателей, выпрямительно-инверторных преобразователей, сглаживающих реакторов, асинхронных вспомогательных машин. Установлено существенное влияние температуры на процесс старения изоляционных конструкций СР, ТЭД, АВМ, а также повреждений роторов и подшипниковых узлов АВМ, электронных приборов и элементов системы формирования импульсов ВИП. Выявлено значительное влияние факторов внешней среды (температуры, влажности воздуха) на надежность предельно нагруженного оборудования электровозов. Установлено, что определяющим фактором состояния подшипниковых узлов ТЭД, АВМ является их температура. Показано, что отсутствие контроля температуры ТЭД, СР, ВИП, или несовершенная защита от перегрева АВМ способствует интенсивному тепловому старению изоляционных конструкций и пожарам предельно нагруженного оборудования, заклиниванию колесных пар, обрывам автосцепок с последующими длительными задержками лимитирующих перегонов с расчетными подъемами. На основе выполненного системного анализа делается вывод о необходимости внедрения систем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровозов для обеспечения высокой надежности перегонов Восточного региона с лимитирующими подъемами.
Во второй главе, на основании статистических данных об отказах перегонов ВСЖД с лимитирующими подъемами, разрабатывается восьми-элементная модель перегона железной дороги, включающая следующие компоненты: «машинист»; «электровоз»; «состав»; «путь»; «электроснабжение»; «СЦБ и связь»; «организация движения»; «среда». Установлена применимость марковских цепей для формирование модели функционирования перегона железной дороги с расчетным подъемом. Показано, что в модели системы «Перегон железной дороги с расчетным подъемом» имеет место последовательное соединение восьми элементов, когда надежность системы определяется уровнем надежности каждого элемента. Установлено, что внедрение систем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровоза значительно повышает надежность определяющей компоненты «электровоз» и, соответственно, всей системы «Перегон железной дороги с расчетным подъемом».
В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований надежности предельно нагруженного оборудования электровозов железных дорог Восточного региона. На основании результатов исследований теплового старения изоляции с применением законов кинетики химических реакций Я.Вант Гоффа и С. Аррениуса даны количественные оценки износа изоляции ТЭД, СР и АВМ в условиях эксплуатации. Определена интенсивность теплового старения электронных приборов выпрямительно-инверторных преобразователей ВИП-4000 электровозов ВЛ85 при отсутствии системы контроля температуры.
Четвертая глава посвящена исследованию процесса затягивания меди коллекторов ТЭД. Установлено существенное влияние затягивания меди на интенсивность возникновения круговых огней на коллекторах ТЭД, износ коллекторов и щеток. Выполнена оценка воздействия конструкционных и эксплутационных факторов на интенсивность затягивания меди коллекторов. Установлено существенно влияние факторов внешней среды, и в первую очередь температуры, на процесс затягивания меди коллекторов. Выявлено, что наименьшее затягивание меди, износ коллекторов, щеток и интенсивность возникновения круговых огней имеет место при температуре коллекторов двигателей электровозов железных дорог Восточного региона, равной 65-80° С. Результаты теоретических и экспериментальных исследований подтвердили выдвинутое ранее предположение о необходимости ввода систем непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровозов Восточного региона, которые обеспечат минимальный тепловой и термомеханический износ изоляционных конструкций ТЭД, СР, АВМ, износ элементов ВИЛ и работу КЩУ ТЭД при оптимальных условиях.
В пятой главе разработаны методы и средства непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования. Установлено, что в условиях эксплуатации электровозов переменного тока железных дорог Восточного региона наиболее предпочтительными датчиками температуры предельно нагруженного оборудования являются металлические термосопротивления с линейной характеристикой изменения сопротивления от температуры, полупроводниковые термосопротивления с отрицательным температурным коэффициентом и термосопротивления с положительным температурным коэффициентом (позисторы). Возможно также использование биметаллических реле-регуляторов температуры и транзисторов, включенных по схеме диода. Для контроля температуры якорной обмотки, использован метод косвенного измерения но температуре компенсационной обмотки. При измерении температуры моторно-якорных подшипников ТЭД, СР, ВИП, статорных обмоток, железа статора, подшипников ЛВМ, наиболее эффективным является метод непосредственного измерения температуры. В качестве исполнительных элементов при использовании по-зисторов эффективными являются устройства встроенной температурной защиты типа УВТЗ-1, УВТЗ-1М, УВТЗ-4Б, УВТЗ-5. При применении в качестве датчиков температуры термосопротивлений с отрицательным температурным коэффициентом или транзисторов в режиме диода наиболее надежными в настоящий период показали себя микроконтроллерные системы, включающие аналоговые и цифровые схемы с жесткой структурой. Эти системы позволяют вести опрос большого количества датчиков температуры с частотой до 100 Гц. Как показал опыт, введение систем должно осуществляется в два этапа. Первый этап — внедрение систем с сигнализацией (световой и (или) звуковой) и дальнейшими действиями локомотивной бригады по своевременному выключению перегретого оборудования. Второй этап — внедрение систем с сигнализацией и последующим автоматическим выключением предаварийного оборудовании блоком автоматического выключения после выдержки времени.
Выполнена экспериментальная проверка возможности поддержания температуры коллекторов ТЭД на уровне 65-80° С с использованием элементов непрерывного контроля температуры и штатного оборудования электровоза BJI85.
В шестой главе приведены результаты производственных исследований по внедрению элементов системы непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровозов и выполнен расчет экономической эффективности от внедрения системы на электровозе BJI85 в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте», утвержденными указанием МПС России от 31 августа 1998 года № В 1024 У.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы и выводы, а также сформулированы проблемы, требующие дальнейшего решения.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Впервые выполненный системный анализ надежности предельно нагруженного оборудования (ВИП, СР, ТЭД, АВМ) электровозов железных дорог Восточного региона.
2. Принципы и методы построения систем непрерывного контроля температур предельно нагруженного оборудования электровозов. 3. Модель надежности перегона железной дороги с расчетным подъемом.
4. Механизм затягивания меди коллектора тягового двигателя электровоза.
5. Модель непрерывного теплового старения изоляции тягового двигателя электровоза переменного тока.
6. Модели непрерывного теплового старения изоляции асинхронных вспомогательных машин электровозов перемененного тока.
7. Модель непрерывного теплового старения изоляции сглаживающего реактора электровоза переменного тока.
8. Разработанные и реализованные технические решения и практические схемы системы непрерывного контроля температуры предельно нагруженного оборудования электровозов.
Предложенные автором элементы системы непрерывного контроля температуры тяговых двигателей, сглаживающих реакторов, буксовых подшипников колесных пар введены на электровозах ВЛ80Т №1369, ВЛ 80Р №1814 И: №1835 локомотивного депо Иркутск-сортировочный, ВЛ85 №85 и №130 депо Ннжнеудинск ВСЖД, ВЛ85 №40 и №222 депо Иланская КрасЖД.
По результатам исследований опубликована 51 работа, получен патент на полезную модель «Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток тяговой электрической машины постоянного тока». Написаны в соавторстве учебные пособия по курсам «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС» - «Асинхронный электропривод технологических установок железнодорожного транспорта» и «Комплекс тренажеров по автоматизированному электроприводу ЭПС и технологических установок локомотивных предприятий - Часть 1, Часть 2 и Часть 3», рекомендованных учебно-методическим объединением по образовании в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства (УМО - ж.д.) в качестве учебных пособий для вузов железнодорожного транспорта для студентов специальности 181400 «Электрический транспорт железных дорог» и монография «Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза».
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- X научно-технической конференции ИрИИТ (г.Иркутск, 1985);
- XII научно-технической конференции ИрИИТ (г.Иркутск, 1987);
- XX научно-технической конференции ИрИИТ (г.Иркутск, 1995);
- межвузовской научно-технической конференции «Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы» ОмГУПС (г.Омск, 1998); - научно-технической конференции, посвященной 70-летию ОмГУПС (г.Омск, 2000);
- Всероссийской научно-практической конференции ДВГУПС «Повышение эффективности работы ж.д. транспорта Сибири и Дальнего Востока» (г.Хабаровск, 2001);
- научно-технической конференции СибГУПС (г.Новосибирск, 2001);
- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортных систем и строительного комплекса» БелГУТ (г. Гомель, республика Беларусь, 2001);
- III Международной научной конференции «Научно- техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» ДВГУПС (г. Хабаровск, 2003);
- VIII Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии» ОмГУПС (г. Омск, 2003);
- Международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» ИрГУПС (г. Иркутск, 2004);
- II Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» НГАВТ (г. Тобольск, 2004); заседании кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (г.Иркутск, 2002, 2003);
- заседании кафедры «Электрические машины и аппараты» с участием специалистов кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство», «Автоматизированные системы электроснабжения», «Теоретические основы электротехники», «Высшая математика-1» РГУПС (г. Ростов, 2003);
- заседании секции «Электрическая тяга» НТС ОАО ВЭлНИИ (г.Новочеркасск, 2003);
- заседании кафедры «Электрическая тяга» с участием специалистов кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТ (г. Москва, 2004);
- заседании научно-технического совета ФГУП ВНИКТИ МПС России (г. Коломна, 2005).
Автор диссертации выражает благодарность д.т.н., профессору Лисуно-Владимиру Николаевичу, д.т.н., профессору Худоногову Анатолию Михайловичу за большую помощь и поддержку при подготовке диссертации.
Автор выражает признательность д.т.н. Карасеву Михаилу Федоровичу, к.т.н. Галкину Василию Григорьевичу, к.т.н. Медлину Рогволоду Яковлевичу за идеи, использованные в работе.
Влияние метеорологических условий эксплуатации на надежность тяговых двигателей
Анализ надежности тяговых двигателей выполнен по всем основным электровозным депо ВСЖД: ТЧ2 (Нижнеудинск), ТЧ5 (Иркутск-сортировочный), ТЧ7 (Улан-Удэ), ТЧ9 (Вихоревка), ТЧ12 (Северобайкальск).
Информация о характере и причинах повреждений ТЭД была получена в отделе ремонта службы локомотивного хозяйства, а также непосредственно в технических отделах локомотивных депо. Проверка этой информации осуществлялась путем выезда в локомотивные депо и на Улан-Удэнский локомотивовагоноремонтный завод (УЛВРЗ). Апробация результатов анализа проводилась на семинарах и НТС кафедры «Электроподвижного состава» ИрГУПС с участием слушателей ФПК и студентов заочного отделения. В каждом депо было обследовано не менее 20 электровозов ВЛ85 или (и) ВЛ80, что позволяло получить объективные данные о надежности тяговых двигателей. Анализ надежности двигателей НБ-514 электровозов ВЛ65 был проведен по ТЧ5. По другим депо проанализирована надежность двигателей этого же типа электровозов ВЛ85.
При рассмотрении данных о надежности ТЭД, приведенных на рис. 1.37, 1.38, можно сделать следующие выводы: наибольшая интенсивность отказов двигателей обоих типов наблюдается в депо ТЧ9 и ТЧ12 северного направления дороги Тайшет — Такси-мо; надежность двигателей НБ-418К6 выше, чем НБ-514 по депо: ТЧ9 в 1,1 раза; ТЧ12 в 1,72 раза; ТЧ7 в 1,57 раза; ТЧ2 в 1,35 раза ( в среднем по четырем депо в 1,44 раза).
Отказы двигателей НБ-514 электровозов ВЛ85, работающих в грузовом движении на направлении Тайшет - Таксимо (депо ТЧ9, ТЧ12), в 2,76 раза превышают отказы ТЭД этого же типа электровозов депо ТЧ2 и ТЧ7. ний двигателей НБ-418К6 соответственно в 3,15 и 1,68 раза превышают аналогичный показатель двигателей НБ-514 (большая часть МЯП двигателей НБ-418К6 подвергалась восстановлению в деповских и заводских условиях). Это свидетельствует о низкой эффективности работы отделений по ремонту роликовых подшипников депо ВСЖД и УЛВРЗ, недостаточной эффективности стационарной вибродиагностики, отсутствии средств по диагностике состояния межкатушечных соединений. Необходим непрерывный контроль состояния МЯП и межкатушечных соединений.
Анализ данных о частости отказов якорей двигателей депо ТЧ2 показывает, что более высокую надежность изоляционных конструкций имеет якорь двигателя НБ-418К6 в сравнении с якорем двигателя НБ-514. Если на ТЭД первого типа пробои изоляции и разбандажировки составляют 35,8 % отказов, то на аналогичные повреждения ТЭД второго типа приходится 92,5 %. На основании экспертных оценок высококвалифицированных специалистов депо ТЧ2 и УЛВРЗ по установлению характера и причин отказов изоляционных конструкций якоря двигателя НБ-514 выявлено, что наиболее часто наблюдаются пробои изоляции обмотки якоря по задней лобовой части (особенно в осенне-зимний период 2000-2001 годов). Это указывает на конструктивную недоработку обмотки якоря двигателя НБ-514.
Отмечается более высокая склонность двигателей НБ-418К6 к круговым огням на коллекторах по сравнению с НБ-514.
Пробои изоляции из-за перетирания ее в результате ослабления катушек на сердечниках главных полюсов двигателей НБ-514 и НБ-418К6 составляют соответственно 76,7% и 50% повреждений полюсов этого вида. Однако эти отказы составляют 24,3% от всех неисправностей двигателей НБ-514, тогда как на НБ-418К6 на долю этого повреждения приходится лишь 3,7% всех отказов. Неоднократные расследования этих явлений, выполненные в депо ТЧ2 и на УЛВРЗ, показали, что массовый выход катушек ГП НБ-514 по пробою изоляции обусловлен не совершенной конструкцией крепления их на сердечниках. В эксплуатации отмечается ослабление крепления катушек главных полюсов и перетирание их изоляции в результате интенсивных колебаний и соприкосновений с шихтованным сердечником полюса.
Пружинное крепление катушек главных полюсов двигателей НБ-418К6 показало себя намного надежнее клинового крепления катушек главных полюсов двигателей НБ-514. На пробои изоляции дополнительных полюсов двигателей НБ-514 и НБ-418К6 приходится соответственно 12,5% и 3,7% всех отказов, что свидетельствует о пониженной надежности ДП НБ-514. Аналогичный характер отказов узлов и деталей ТЭД наблюдается и в других депо ВСЖД. Выход из строя тяговых двигателей по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава в условиях ВСЖД. Тяговые двигатели являются одним из элементов конструкции электровозов, ограничивающих их эксплутационную надежность. На протяжении последних шести лет количество отказов ТЭД электровозов России устойчиво находится на уровне 22-25 процентов от общего числа повреждений. Тяговые двигатели выходят из строя из-за проявления различных неисправностей и дефектов. Одним из наиболее часто встречающихся разновидностей повреждений ТЭД является нарушение нормальной коммутации и возникновение кругового огня на коллекторе. Среди различных причин способных привести к данному повреждению двигателя является затягивание меди. Наблюдения за работой ТЭД показывают, что при образовании выступов меди (затяжек) на краях коллекторных пластин увеличивается количество круговых огней и износ коллекторов, возрастает трудоемкость ремонта. В [43] установлено, что из трех переменных эксплутационных факторов, оказывающих воздействие на работу скользящего контакта щетка-коллектор (КЩК) двигателей НБ-418К6 электровозов переменного тока ВСЖД — влажность воздуха VF, температура воздуха &в и величина вертикальных ускорений двигателя ав - наибольшее влияние оказывает &в. Наилучшие условия работы — минимальные интенсивность затягивания меди со3 износ коллекторов сок, щеток сощ, интенсивность возникновения круговых огней на коллекторах соко наблюдается в летний период эксплуатации при &в ср +20? С. В это время со3 = 45 отказов / 106км, сок= 0, 26 мм/106 км; сощ= 1, 49 мм/ 104 км; соко = 3, 87 отказа /106 км [43, 44]. Наихудшие условия работы двигателей НБ-418К6 электровозов ВСЖД имеют место в зимний период эксплуатации при температуре воздуха -20 - -25С, когда со3, сок, сощ, соко составляют соответственно 175 отказов/ 106км; 1, 24 мм/ 106км; 1, 86мм/ 104 км; 23, 2 отказа/10 км. Таким образом затягивание меди является одной из причин возникновения круговых огней на коллекторах ТЭД и одновременно служит своеобразным индикатором условий работы КЩК. Выполненные нами исследования надежности ТЭД депо Абакан КрасЖД показали, что наибольшее затягивание меди имеет место у коллекторов двигателей НБ-418К6 электровозов ВЛ80 К,Т, и несколько менее интенсивное, двигателей НБ-514 электровозов ВЛ85.
Существует несколько гипотез механизма затягивания меди коллекторов. Опыт эксплуатации двигателей показывает, что использование рекомендаций по замедлению затягивания меди коллекторов не всегда приводит к положительному результату. Это свидетельствует о недостаточном знании механизма процесса. Поэтому работы по исследованию затягива ния меди коллекторов ТЭД электровозов и снижению его интенсивности можно считать одними из важнейших в тяговом электромашиностроении и эксплуатации.
Модель функционирования технологического процесса перегона железной дороги с расчетным подъемом
Однако кратность пускового тока у электродвигателя типа ЛЭ увеличилась по сравнению с двигателями типа ЛС и ЛП с 5,5 до 7,6. Сделано это было с целью улучшения пусковых характеристик двигателя (кратность пускового момента увеличилась с 1,8 до 4,0, кратность максимального момента увеличилась с 2,2 до 4,0). В начале 80-х годов прошлого столетия был разработан и создан специально для эксплуатации в условиях электрической тяги трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа АНЭ225Ь4УХЛ2. При создании этой машины были резко повышены технические требования по сравнению с электродвигателями АЭ92-402. В частности, был увеличен нижний предел допустимой температуры окружающего воздуха (с минус 50 С до минус 60 С), снижена мощность на единицу массы (стало -55 кВт/380 кг, было -40 кВт/400 кг). В конце 90-х годов на Владимирском электромоторном заводе приступили к изготовлению двигателей типа AH3225L4 с улучшенными по сравнению с ранее выпускаемыми машинами этого же типа технико-экономическими и технологическими показателями. Кратность пускового тока с 7,7 была снижена до 7,5, кратность максимального момента повышена с 4,0 до 4,8, кратность пускового момента повышена с 4,0 до 4,6. Последняя модернизация электродвигателей типа АНЭ225 была проведена в соответствии с пожеланиями эксплуатационников по повышению конструкционной и эксплуатационной надежности машины.
Однако тяговые сети электрифицированных железных дорог характеризуются колебаниями напряжения в широком диапазоне, что оказывает существенное влияние на работу асинхронного электродвигателя. Кроме того, для ЭПС переменного тока качество питающего напряжения ухудшается процессами, происходящими в силовых и вспомогательных цепях электровозов в зависимости от режимов их работы. Поэтому пределы колебаний напряжения на обмотке трансформатора, от которой через фазо-расщепитель питаются двигатели, оказываются шире, чем на токоприемнике. Например, колебания напряжения питания асинхронных двигателей в результате воздействия указанных факторов изменяются в пределах от +25 до -39% номинального, в то время как, согласно стандарту, допустимые колебания напряжения в контактном проводе составляют от+16 до -24% номинального. В этой связи условия работы трехфазных асинхронных двигателей в приводе вспомогательных механизмов отличаются от нормальных. Питающее напряжение в системе «источник питания - асинхронный электропривод - вспомогательная машина» регламентируется в пределе от +13 до -27%, при этом несимметрия фазных напряжений может достигать 10% при максимальном напряжении и 5% при минимальном. В условиях эксплуатации магистральных электровозов переменного тока показатели напряжения значительно выходят за рамки регламентируемых величин, что приводит к рассогласованию в системе "источник питания — асинхронный электропривод вспомогательных механизмов" и к выходу из строя элементов системы. При изменении напряжения сети величина кратности пускового и максимального момента изменяется пропорционально квадрату напряжения, а кратность пускового тока пропорционально напряжению в первой степени.
Рассмотрение статистических данных о надежности оборудования электровозов переменного тока ВСЖД за последние годы эксплуатации показывает, что на долю отказов асинхронных двигателей вспомогательных машин (АВМ) приходится от 16,5 до 21,3% повреждений. Установлено, что у электровозов ВЛ85, которые выполняют большую часть работы в грузовом движении, отказы АВМ распределились следующим образом. Наибольшую долю отказов (81,9%) составляют неисправности трехфазных асинхронных двигателей АНЭ225 привода компрессоров КТб-Эл. Около 14,4% вызваны повреждениями АНЭ225 привода 1, 2 и 3-го вентиляторов. На двигатели 4, 5 вентиляторов и расщепители фаз (также АНЭ225) приходится соответственно 2,8% и 1,2% отказов АВМ. Из этих повреждений 66,7% приходится на обмотки статоров, 22,2% связаны с выплавлением или обрывом стержней роторов, 11,1% вызваны прочими причинами (в основном, подшипниковым узлом) [66].
Пониженная надежность асинхронных двигателей электровозов ВСЖД по сравнению с сетевой, а также увеличенное число отказов АВМ привода КТб-Эл по сравнению с остальными двигателями АНЭ225 электровозов ВЛ85 потребовала тщательного анализа их работы. Для этого проведены испытания асинхронных двигателей электровоза ВЛ85 №151 на тракционных путях ПТОЛ «Запад» депо Иркутск-сортировочный и на перегонах Выдрино - Кедровая - Переёмная, где наблюдалось снижение напряжения в контактной сети ниже стандартных значений. Кроме этого, выполнены стендовые эксперименты, разбор и анализ значительного количества отказов асинхронных двигателей. Проведены экспертные оценки работы АВМ специалистами. Это позволило установить основные причины отказов двигателей и наметить мероприятия по их снижению.
Рассмотрим условия работы АВМ электровозов ВЛ85. Повышены частота вращения компрессора КТб-Эл с 440 до 560 об/мин, производительность с 2,75 до 3,5 м /мин. Это привело к увеличению входной мощности приводных двигателей компрессоров КТб-Эл с 22,8 (электровозы ВЛ80) до 30 кВт на ВЛ85.
В 70-75% случаев движения поездов на перегонах с консольным питанием Выдрино — Кедровая — Переёмная отмечалось снижение напряжения сети менее 21 кВ. В отдельных случаях напряжение уменьшалось до 14 кВ. Установлено, что при таком снижении напряжении наблюдаются: чрезмерная неравномерность фазных напряжений и токов АВМ, вызывающая перегревы двух фаз статорной обмотки и преждевременное старение их изоляции; повышенное скольжение, приводящее к резкому увеличению температуры роторов, их валов и подшипников, которое вызывает интенсивное изменение свойств смазки, повреждение поверхности качения подшипников, сепараторов, заедание и заклинивание подшипников и выплавление роторов; затяжные (до 7-10 с и более) пуски мотор-компрессоров, приводящие к последствиям, описанным выше (интенсивному старению обмоток, перегреву роторов, подшипников, заеданию, заклиниванию подшипников и выплавлению роторов).
Отсутствует контроль давления масла, подводимого к подшипникам компрессоров. Отмечены случаи, когда из-за повреждения масляного насоса или вращения двигателя в обратном направлении (смена фаз приводного АНЭ225) компрессор КТб-Эл работает при сухом трении в баббитовых подшипниках. При этом существенно увеличивается момент сопротивления вращению, повышается температура статора и ротора, а так же резко возрастает износ трущихся элементов.
Нередко в зимний период эксплуатации имеют место пуск и работа компрессоров при температуре компрессорного масла существенно меньше допустимой (-15С) из-за неисправности или пониженной мощности нагревателей, а так же использование масла в редукторах КТб-Эл с температурой замерзания -25С и выше вместо -40С по стандарту. В обоих случаях наблюдается резкое увеличение момента сопротивления вращению МК [67].
Отмечены случаи обрывов питания или повреждения разгрузочных клапанов компрессоров. При этом существенно увеличивается момент сопротивления вращению электродвигателя при пуске.
Установлено завышение входной мощности мотор-вентиляторов МВ1-МВЗ из-за нарушения в регулировке вентиляции электровозов. При расчетной входной мощности электродвигателя привода вентилятора 32,5 кВт, соответствующий номинальному напряжению контактной сети, фактическая мощность может превышать 50 кВт и более. В случае работы с напряжением сети менее 21 кВ это вызывает чрезмерные перегревы ста-торных обмоток и роторов.
Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя ЛНЭ225 при номинальной мощности на валу
Для защиты асинхронных электродвигателей электровозов ВЛ85 от перегрузок используют тепловые реле ТРТ-121, ТРТ-141, ТРТ-151 и электротепловые реле РТТ-85-33. Нагревательные элементы реле включают последовательно с фазными обмотками, а размыкающие контакты контактного механизма- последовательно в цепь управления электромагнитного контактора. Через нагревательные элементы проходит ток нагрузки электродвигателя.
Тепловое реле должно защищать электродвигатель от любых перегрузок, в том числе при неполнофазных режимах и не запуске. Зачастую тепловые реле не обеспечивают защиту электродвигателей потому, что они не отрегулированы.
Основным условием при регулировке является соответствие номинального тока нагревательного элемента теплового реле номинальному току нагрузки электродвигателя. К сожалению нередко этого соответствия нет. Если не удается подобрать нагревательные элементы, соответствующие номинальному току электродвигателя, то регулировка теплового реле невозможна, а не отрегулированное тепловое реле свою функцию по защите электродвигателя не выполняет. Если нагревательные элементы подобраны правильно, тепловое реле можно отрегулировать. Регулировку теплового реле выполняют в следующей последовательности. Определяют уставку реле без температурной компенсации где 1н — номинальный ток электродвигателя; 10 — номинальный ток нагревательного элемента теплового реле; С — коэффициент деления шкалы (С = 0,05). Вычисляют поправку на температуру окружающей среды где &ср - температура окружающей среды, С. Поправка необходима в тех случаях, когда температура окружающей среды ниже максимальной (40С) более чем на 10С. При значительном изменении температуры окружающей среды (зимой и летом) тепловое реле следует отрегулировать заново. Находят суммарную уставку реле которая может быть со знаком плюс или минус. Затем на полученное деление шкалы устанавливают стрелку регулировочного винта электротеплового реле типа РТТ или рычаг теплового реле типа ТРТ. Самым большим недостатком тепловых реле является то, что они, даже правильно отрегулированные, не обеспечивают защиту электродвигателей, заклиненных и не запустившихся при обрыве фазы. Это происходит из-за большой температурной инерции тепловых реле. У маломощных тепловых реле типа ТРТ-121 температурная инерция меньше, чем у остальных, так как спираль нагревательного элемента у них намотана непосредственно на биметаллическую пластинку. Этим обеспечивается хорошая теплоотдача от нагревательного элемента к биметаллической пластинке. В более мощных реле (тепловое ТРТ-141, электротепловое РТТ-85-33) нагревательные элементы расположены параллельно биметаллическим пластинкам и между ними имеются воздушные зазоры. Это значительно увеличивает температурную инерцию. Нами проведены испытания тепловых реле ТРТ-121, ТРТ-141, ТРТ-151, электротеплового реле РТТ-85-33 в локомотивном депо Иркутск-сортировочный и на Улан-Удэнском локомотивовагоиоремонтном заводе. Испытания проводились с использованием многоамперного агрегата. Ток тепловых реле регулировался, начиная с номинального до шестикратного. Одновременно определялось время срабатывания реле. Испытания реле проводились как в холодном, так ив нагретом до рабочей температуры состоянии. Результаты испытаний приведены в табл. 3.3. Получены две защитные характеристики: первая — для реле в холодном состоянии, когда все его элементы имеют температуру окружающей среды, вторая — для нагретого реле, когда через нагревательные элементы длительно протекает ток нагрузки, следовательно, биметаллические пластинки нагрелись до рабочей температуры и изогнулись до исходного положения. Установлено, что тепловые реле имеют большой разброс защитных характеристик, и поэтому вместо двух характеристик получается две зоны разброса характеристик, соответствующие холодному и нагретому состоянию. Также были получены данные о времени восстановления реле, после срабатывания, т.е. о времени, в течение которого биметаллическая пластинка займет первоначальное состояние. Данные приведены в табл. 3.4. При рассмотрении защитных характеристик реле можно сделать вывод о том, что тепловые реле начинают работать при токах нагрузки, равных (1,05-1,2)-1„. Наблюдается существенное различие времени срабатывания реле в холодном и нагретом состоянии. Так, например, при испытании электротеплового реле типа РТТ 85-33 током 635 А время срабатывания, в холодном состоянии - составило 23 с, а в горячем — 11с. Из табл. 3.3, 3.4 видно, что у теплового реле ТРТ-141 время срабатывания и восстановления меньше, чем у электротеплового реле РТТ-85-33. Из анализа данных о времени нагревания ЛВМ электровозов и защитных характеристик тепловых реле можно сделать вывод о том, что при перегрузке АВМ из-за заклинивания приводного механизма или увеличенного сопротивления и времени пуска тепловые реле не всегда в состоянии защитить двигатель от аварийного перегрева. Асинхронные электродвигатели работают в паре с рабочими машинами. Различные рабочие машины обладают различными механическими характеристиками. Однако можно получить некоторые обобщающие выводы, если воспользоваться следующей эмпирической формулой для механической характеристики рабочей машины где Мс - момент сопротивления рабочей машины при скорости со, Нм; Мс.н -момент сопротивления трения в движущихся частях механизма, Нм; Мо - момент сопротивления при номинальной скорости со„, Нм; х - коэффициент, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении скорости.
Механические характеристики рабочих машин ориентировочно классифицируются на следующие основные категории: не зависящая от скорости механическая характеристика (х = 0); линейно - возрастающая механическая характеристика (х = 1); нелинейно - возрастающая механическая характеристика (х = 2); нелинейно - спадающая механическая характеристика (х = - 1).
Тепловой переходной процесс в электродвигателе при пуске рассмотрим на базе электромеханического переходного процесса. В основу электромеханического переходного процесса положим уравнение движения системы «электродвигатель - рабочая машина», считая момент инерции системы величиной постоянной где М - момент, развиваемый электродвигателем, Нм; J - момент инерции системы, кг-м ; Мс - момент сопротивления на валу электродвигателя со стороны рабочей машины и механической части электродвигателя,
Напряженность электрического поля в контакте. Частота изменения тока и напряженности
Приведенные данные указывают на существование связи между затягиванием меди коллекторов и круговыми огнями тяговых двигателей электровозов постоянного и переменного тока. Наиболее тесная связь между со3 и шко двигателей ТЛ-2К1 депо Московка наблюдалась в период работы с января 1974 года по февраль 1975, когда частота возникновения круговых огней была значительно выше, чем в последующий период.
Анализ условий эксплуатации и технологии ремонта двигателей показал, что различие в основном связано с изменением технологии ремонта коллекторно-щеточного узла (КЩУ). В начальный период эксплуатации устранение затяжек производилось, как правило, некачественным проме-танием щеткой без последующей продувки сжатым воздухом. При этом заусеницы меди устранялись не полностью и заваливались в межламельное пространство. В эксплуатации заусеницы выравнивались, что приводило к сужению межламельных промежутков и нередко - к круговым огням. С марта-апреля 1975 года технология ремонта КЩУ была изменена. Устранение заусениц меди производилось теперь либо многократным промета-нием щеткой с последующей продувкой сжатым воздухом, либо снятием фасок на кромках ламелей. Это позволило существенно снизить количество круговых огней.
Согласно исследованиям сотрудников ВЭлНИИ [116, 117] износ коллекторов тяговых двигателей увеличивается при затягивании меди в 1,4-3,0 раза. Увеличение износа в случае появления затяжек наблюдали также исследователи Всесоюзного научно-исследовательского института электроугольных изделий (ВНИИЭИ) [100] . Авторы [118] отмечают образование затяжек на коллекторах с наибольшим износом.
Для определения зависимости между затягиванием меди и износом коллекторов произведены измерения глубины выработки коллекторов 162 двигателей ТЛ-2К1 депо Московка в течение 1977 года и согласно (4.1) определен параметр потока их износа сок (табл. 4.6) [119]. (Здесь же, для наглядности, приведены данные о со3 (см- табл. 4.5). По (4.2-4.4) найдено уравнение и характеристики связи между сок и ш3
На экспериментальном этапе исследования затягивания меди коллекторов в качестве объекта взяты двигатели ТЛ-2К1, НБ-406, НБ-412К, НБ-418К6 с коллекторами из меди МС и щетками ЭГ-2А, ЭГ-61, ЭГ-75 нескольких депо, в каждом из которых постоянно (в течение года и более) контролировалось не менее 200-250 ТЭД. В случаях устранения затяжек и возникновения круговых огней производились записи в книгах ремонта и специальных журналах [120]. Одновременно на контрольных участках эксплуатации выполнялись опытные поездки с динамометрическими вагонами, при проведении которых осуществлялась запись скорости движения, позиций, временных отметок на ленты динамометрического стола. Напряжения двигателей, недо - и перекоммутации ТЭД с индикаторов искрения ИИ-1, токи двигателей и терморезисторов датчиков температуры коллекторов записывались при помощи самопишущих приборов Н-390, Н-3020 и шлейфовых осциллографов Н-115. Во время движения, на остановках и конечных пунктах производился контроль температуры обмоток ІМЄТОдом вольтметра-амперметра и коллекторов - ртутными термометрами, термопарами, специальными датчиками с термосопротивлениями. Использовались приборы класса 0,2.
На основании первичных данных по (4.1) рассчитаны параметры потока затяжек со3. Установлены периодические колебания со3 по сезонам эксплуатации. Максимальный рост затяжек может отмечаться не только в зимний период эксплуатации (НБ-418К6), но и в летний (НБ-406), что указывает на связь затягивания меди как с сезонными условиями эксплуатации, так и с особенностями работы коллекторно-щеточного узла (КЩУ) двигателей определенного типа.
Для выяснения степени влияния метеорологических условий эксплуатации и динамического воздействия со стороны пути, на затягивание меди коллекторов использованы данные о среднемесячных значениях температуры &в и относительной влажности vj/ окружающего воздуха, а также
глубины промерзания грунта Н. Согласно исследованию [121, 122] вертикальные ускорения тяговых двигателей ав изменяются пропорционально Н, что позволило принять зависимость ав от Н линейной. По имеющимся данным определены зависимости со3(чО, о 3 (&в) Ъ (ав) для каждого депо (рис. 4.1) [123, 124] . (На графиках значения параметра потока затяжек и вертикальных ускорений даны в относительных единицах. За единицу приняты средние значения за анализируемый (& ,) и летний (аа) периоды эксплуатации). При рассмотрении зависимостей можно отметить следующие закономерности:
Практически у всех тяговых двигателей наблюдается некоторое ускорение затягивания меди при повышении относительной влажности воздуха от 55 до 85%, что, вероятно, связано с изменением условий токопере-хода в контакте.
Повышение величины вертикальных ускорений двигателей НБ-418К6 вызывает некоторое увеличение параметра потока затяжек. Для двигателей ТЛ-2К1 со3 в общем неизменен во всем диапазоне ав. Отмечается рост скорости сдвига меди ТЭД депо Курган и ее снижение в депо Московка. Параметр потока затяжек двигателей депо Златоуст достаточно стабилен при повышении ав от 1,0 до 1,8. Слабое изменение интенсивности образования затяжек при увеличении (уменьшении) величины вибраций отмечается также и у двигателей НБ-406 и НБ-412К депо Московка и Ниж-неудинск.
Максимальное увеличение (уменьшение) параметра потока затяжек по сравнению с остальными рассматриваемыми факторами внешней среды наблюдается при изменении температуры окружающего воздуха. В отличие от зависимостей со3 (у) иш3( ав), примерно одинаковых для всех типов двигателей, кривые ю3(#в) имеют различный характер для разных ТЭД.
