CC BY
219
Современные технологии - транспорту
71
Библиографический список
1. Применение RFID-технологий в системе автоведения поездов метрополитена / А. М. Костроминов, М. Ю. Королев, В. В. Гаврилов, Т. В. Крючкова // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2009. - Вып. 3 (20). - С. 91-97.
2. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. - М. : Наука, 1969. - 576 с.
УДК 629.4.083: 621.313 В. О. Мельк, В. А. Смирнов
Омский государственный университет путей сообщения
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛОКОМОТИВОВ ПОСЛЕ РЕМОНТА
Рассматриваются вопросы энергосбережения при испытаниях тяговоэнергетического оборудования локомотивов после ремонта, формулируются основные направления экономии топливно-энергетических ресурсов, анализируется положительный опыт России и зарубежных стран в данном направлении, приводится описание современных энергосберегающих испытательных станций разработки ОмГУПС, внедряемых на предприятиях локомотивного хозяйства ОАО РЖД.
ремонт локомотивов, испытания оборудования, энергосберегающие технологии.
Введение
На долю тягово-энергетического оборудования (тяговых двигателей, вспомогательных электрических машин, дизель-генераторной установки, полупроводниковых преобразователей и трансформаторов) приходится более 20 % отказов электровозов и около 50 % тепловозов на линии (рис. 1) [1]. Основными видами эксплуатационных повреждений электрических машин являются пробои изоляции и межвитковые замыкания обмоток, дефекты моторно-якорных и моторно-осевых подшипников, выработка, повышенные биения коллектора, дефекты щеточного аппарата, попадание смазки в остов. У дизель-генераторной установки преобладают дефекты топливной аппаратуры, турбокомпрессора, системы охлаждения и цилиндропоршневой группы.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
72
Современные технологии - транспорту
Более 70 % случаев повреждений являются технологическими и обусловлены неудовлетворительным качеством текущего и капитального ремонта.
Техническое состояние тяговоэнергетического оборудования локомотивов является также важнейшим фактором, формирующим показатели энергетической эффективности перевозочного процесса - удельного расхода дизельного топлива и электрической энергии на тягу поездов (более 70 % в структуре затрат топливно-энергетических ресурсов ОАО РЖД и 40 % совокупных расходов локомотивного хозяйства).
Важнейшим элементом энергетической эффективности локомотива является коэффициент полезного действия тягового привода, значения которого в процессе эксплуатации определяются состоянием колекторно-щеточного узла, магнитной системы остова, качеством коммутации, исправностью и параметрами работы системы охлаждения.
По тепловозному парку более 70 % всех случаев увеличения удельно -го расхода дизельного топлива связаны с дефектами топливной аппаратуры, снижением производительности наддувочного агрегата, неисправностями системы охлаждения дизеля и ряда других технологических причин, обусловленных качеством ремонта и технического обслуживания.
Таким образом, обеспечение высокого качества ремонта тяговоэнергетического оборудования является важнейшей задачей обеспечения как показателей безопасности движения, так и нормативных энергетических характеристик подвижного состава в эксплуатации.
В соответствии с установленными требованиями тяговый подвижной состав и его основное оборудование после ремонта подвергаются испытаниям с целью подтверждения соответствия параметров и характеристик. В настоящее время в локомотивном хозяйстве ОАО РЖД обязательными являются приемосдаточные испытания после ремонта электрических машин и дизель-генераторной установки (ДГУ) под нагрузкой. Исходной нормативно-методической базой при составлении программ и методик испытаний оборудования после ремонта являются национальные стандарты (ГОСТ) и технические условия (ТУ) предприятий заводов-изготовителей.
Такой подход обеспечивает наиболее полную проверку соответствия оборудования техническим условиям предприятия-изготовителя, гарантирует выявление максимального количества возможных скрытых дефектов и
Преобр., тр-ры 0,7%
Всгсм. машины 5,1%
Эл. машины 10,1%
Прочее
оборудование
ДГУ
40,0%
Прочее
оборудование
Рис. 1. Отказы технических средств по видам оборудования
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
73
технологических нарушений, которые с высокой долей вероятности могут проявиться в первый же период эксплуатации. Основным недостатком нагрузочных испытаний является значительный расход топливноэнергетических ресурсов (ТЭР).
Продолжительность цикла обкатки и приемосдаточных испытаний дизель-генераторной установки составляет 11 и более часов (большая часть времени под нагрузкой). В качестве иллюстрации удельных затрат дизельного топлива на испытания ниже приводятся данные нормативного расхода на контрольные и реостатные испытания после текущего ремонта (соответственно менее продолжительные и энергоемкие): для тепловоза ТЭМ2 -600 кг, ТЭ10 - 1550 кг, ТЭП70 - 1600 кг, М62 - 1800 кг.
Существующая технология приемосдаточных испытаний тяговых электрических двигателей (ТЭД) электровозов после ремонта предусматривает следующие режимы испытаний [2]:
1) испытание на нагревание под нагрузкой в номинальном режиме в течение 1 часа;
2) проверка коммутации - 1-й режим: номинальное напряжение, ток якоря полуторный часовой, номинальная степень возбуждения;
3) проверка коммутации - 2-й режим: максимальное напряжение, конструкционная частота вращения, степень возбуждения наименьшая;
4) испытания на повышенную частоту вращения.
Общая продолжительность испытаний с учетом подготовительных и вспомогательных технологических операций составляет около 2-3 часов. Средний расход электрической энергии на испытания пары ТЭД методом взаимной нагрузки составляет около 200 кВтч.
Способы снижения затрат ТЭР при испытаниях тягово-энергетического оборудования могут быть условно разделены на три группы (рис. 2).
Рис. 2. Способы экономии ТЭР при испытаниях тягово-энергетического оборудования
локомотивов
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
74
Современные технологии - транспорту
Предпосылками для исключения испытаний под нагрузкой или по крайней мере для существенного сокращения их объема и продолжительности могут служить: совершенствование технологий ремонта за счет внедрения современного оборудования (гарантированное качество ремонта обеспечивается технологически); создание эффективной системы пооперационного контроля на промежуточных стадиях по возможности с сведением к минимуму роли человеческого фактора в результатах проверок; применение альтернативных способов приемосдаточных испытаний методами неразрушающего контроля и диагностирования.
Изменение технологии испытаний основывается на пересмотре нормативной и технической базы методик с целью снижения продолжительности и удельной энергоемкости испытательных режимов за счет изменения условий испытаний (например, испытаний тяговых электрических двигателей на нагрев без принудительного охлаждения), использования методов косвенных испытаний (метод короткого замыкания и холостого хода при испытаниях электрических машин), применения методов моделирования нагрузки.
Основным препятствием для практической реализации данного подхода является необходимость существенного пересмотра методик испытаний и оценочных критериев, что в условиях многообразия типов оборудования тягового подвижного состава требует значительных затрат на проведение необходимых научных исследований.
Повышение коэффициента полезного действия схем испытаний предусматривает получение эффекта без существенных изменений в методиках испытаний за счет внедрения энергосберегающих технологий и оборудования. Примером успешной реализации данного подхода являются станции испытаний тяговых двигателей методом взаимной нагрузки, инверторные преобразователи для рекуперации электрической энергии при испытаниях дизель-генераторных установок тепловозов.
1 «Безнагрузочные» испытания
Анализ неисправностей, выявленных при испытаниях различных групп тягово-энергетического оборудования (ТЭД, вспомогательных машин, дизель-генераторной установки и т. д.), показывает, что большинство причин внутреннего возврата связано с дефектами отдельных деталей и сборочных единиц, обнаружение которых возможно на более ранних этапах технологического процесса ремонта «безнагрузочными» методами.
По данным локомотивного ремонтного депо Московка ЗападноСибирской железной дороги около 50 % неисправностей тяговых двигателей обусловлено дефектами моторно-якорных подшипников, 10 % - дефектами смазки, еще около 8 % приходится на низкое качество обработки кол-
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
75
лектора, 4 % связаны с низким качеством изоляции обмоток после пропитки, 3 % - с неудовлетворительным состоянием траверс и щеткодержателей.
Дефекты перечисленных групп являются прямым следствием нарушений технологии ремонта отдельных сборочных единиц и отсутствия действенного выходного контроля на промежуточных технологических участках (выявление дефектов указанных категорий не связано непосредственно с обязательными испытаниями электрических машин под нагрузкой).
По остальным видам неисправностей (около 25 % от общего числа забракованных двигателей) также возможно исключение нагрузочных испытаний при выполнении следующих условий: удовлетворительном состоянии магнитной системы остова, качественной сборке и настройке нейтрали электрической машины.
Таким образом, ужесточение технологических требований, внедрение прогрессивных технологий восстановления ресурса деталей (в том числе: пропитка изоляции обмоток ультразвуковым и вакуумным с глубоким вакуумом методами, контроль профиля коллектора с последующим поверхностным уплотнением накаткой, динамическая балансировка якорей, механизация сборки электрических машин в вертикальном положении, приборная оценка технического состояния магнитной системы остова и ряда других) позволяет существенно сократить, а при ремонте без разборки магнитной системы остова полностью исключить приемосдаточные испытания под нагрузкой.
Свидетельством правомочности и успешности данного подхода является положительный опыт зарубежных стран в данном направлении. Соответствующее приборное обеспечение неразрушающего контроля электрических машин выпускается рядом компаний, работающих на международном рынке технологий для электромашинного производства.
В качестве примера можно привести комплекс неразрушающего контроля электрических машин компании CAM Innovation (США), который позволяет производить широкий спектр тестовых испытаний методами импульсного воздействия с анализом волнового отклика и обеспечивает выявление следующих видов дефектов: межвитковых замыканий, повреждений проводников катушек, нарушения межслойной изоляции, дисбаланса фаз в многофазных обмотках, неправильного числа витков, неправильного соединения обмоток.
Существенное снижение затрат ТЭР при испытаниях дизельгенераторной установки может быть достигнуто путем внедрения автоматизированных комплексов испытаний топливной аппаратуры (форсунок, регуляторов частоты оборотов, топливных насосов высокого давления), турбокомпрессоров в сочетании с современными технологиями ремонта.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
76
Современные технологии - транспорту
2 Рекуперация и полезное использование преобразованной энергии при испытаниях
Для подтверждения соответствия характеристик оборудования после крупных видов ремонта с разборкой и заменой отдельных элементов экономически обоснованным способом являются испытания с возможностью преобразования и повторного использования энергии. Таковыми являются: метод взаимной нагрузки электрических машин, рекуперация электриче -ской энергии, преобразование и полезное использование тепловой энергии при испытаниях дизель-генераторной установки тепловозов.
При испытаниях методом взаимной нагрузки одна из электрических машин работает в режиме двигателя, а другая - в режиме генератора, от ко -торого вырабатываемая электрическая энергия возвращается в цепь приводного двигателя.
Метод нашел самое широкое распространение для испытаний различных типов электрических коллекторных машин постоянного и пульсирующего тока, асинхронных тяговых двигателей переменного тока и подробно описан в соответствующей литературе [3].
Обобщенная энергетическая диаграмма для различных вариантов испытаний электрических машин представлена на рисунке 3.
Рекуперация или
Рис. 3. Энергетическая диаграмма испытаний электрических машин методами непосредственного нагружения, рекуперации электрической энергии и взаимной
нагрузки
На схеме обозначены: Рс - мощность, потребляемая из сети; Рсн -мощность собственных нужд испытательной станции и схемы испытаний (например, мощность, расходуемая вентилятором системы охлаждения тягового двигателя при испытаниях на нагрев); Pi - полная электрическая мощность, подводимая к испытываемой электрической машине; Дрэс1, Дрэри Дрэс2, Дрэр2 - потери на нагрев обмоток остова (статора) и якоря (ротора) двигателя и нагрузочного генератора соответственно; Дрмс1, Дрмр1,
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
77
Армс2, Дрмр2 - магнитные потери в стали остова (статора) и якоря (ротора); Дрмех1, Дрмех2 - механические потери, включая потери механической передачи испытательного стенда; Р2 - полезная механическая мощность на валу двигателя; Р3 - полезная электрическая мощность на выходе нагрузочного генератора.
Экономические показатели метода взаимной нагрузки и качество испытаний определяются его технической реализацией, схемным исполнением и элементной базой функциональных устройств, наличием средств автоматизации испытаний, приборного контроля и диагностирования.
Специалистами ОмГУПС созданы и успешно эксплуатируются на сети железных дорог ОАО РЖД, Казахстана, Украины и Белоруссии автоматизированные станции для испытаний тяговых двигателей и вспомогательных электрических машин на статических полупроводниковых преобразователях (рис. 4) [4].
а) б)
Рис. 4. Автоматизированная станция испытаний электрических машин: а - блок управления и индикации; б - коммутационный шкаф и панель автоматизации
Необходимый токовый режим испытываемых двигателей создается статическим преобразователем, компенсирующим электрические потери в системе испытуемых двигателей. Режим напряжения обеспечивается высоковольтным источником, возмещающим потери холостого хода, добавочные и магнитные потери в испытываемых двигателях за счет первичной сети.
Использование схемы взаимной нагрузки, статических полупроводниковых преобразователей в сочетании с автоматизацией процессов управления позволяет значительно (до 80 %) уменьшить расход электрической энергии на проведение испытаний по сравнению с методом непосредственного нагружения [3].
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
78
Современные технологии - транспорту
Коэффициент экономичности схемы испытаний для двух однотипных тяговых двигателей с последовательным возбуждением при использовании современных статических преобразователей
Г
КЭ ~ 2 • Пд -
1 + 2,2
Р
\
V
вдп
(1 Лвдп )
= 0,75 ... 0,85,
где Рд, пд - мощность и КПД испытываемого тягового двигателя;
РВДП, Пвдп - мощность и КПД вольтодобавочного преобразователя.
Автоматизированная система на базе персональной ЭВМ и микропроцессорных управляющих модулей серии ADAM обеспечивает (рис. 5):
- управление режимами испытаний по заданной программе, поддержание заданных режимов работы электрических машин (напряжения и тока якоря, тока возбуждения);
- сбор, обработку и отображение данных с измерительных датчиков;
- регистрацию информации в базе данных, формирование электронного паспорта с возможностью последующей распечатки протокола результатов испытаний.
ЭС1 ^ А
1зад —'ф- ► ДТ ВДП ►
и ЭС2
'-'зад ' ► ЛП ►
К силовой цепи
П
"зад
ЭС3
ДН
ДЧ
•*
-*
J
Рис. 5. Функциональная схема автоматизированной системы управления испытательной станции электрических машин:
/зад - задатчик тока; изад - задатчик напряжения; пзад - задатчик частоты вращения;
ДТ - датчик тока; ДН - датчик напряжения; ДЧ - датчик числа оборотов
Развитие силовых полупроводниковых преобразователей на управляемых вентилях создает предпосылки возврата электрической энергии в питающую сеть при испытаниях силового оборудования: электрических двигателей, генераторов, дизельных установок.
Применение в качестве нагрузочных устройств при испытаниях дизель-генераторных установок тепловозов трехфазных полупроводниковых инверторов позволяет рекуперировать электрическую энергию тягового ге-
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
79
нератора в сеть переменного тока и за счет передаваемой в сеть энергии изменять нагрузку в соответствии с требуемыми режимами испытаний.
Согласование фаз и распределение фазных токов осуществляется аналогово-цифровым блоком синхронизации по сигналам с датчиков тока.
Наряду с явным преимуществом статических нагружающих устройств имеются недостатки, связанные с искажением формы сетевого тока и усложнением системы автоматического регулирования на переменных режимах нагрузки дизель-генераторной установки. Это существенно ограничивает широкое применение данных систем.
Альтернативным вариантом экономии ТЭР при использовании традиционных методик испытания является полезное использование преобразованной энергии.
Примером такого подхода является испытание дизель-генераторных установок тепловозов с использованием в качестве нагрузочного элемента сухого реостата. «Пилотный» проект такой станции для магистральных тепловозов был разработан по заданию локомотивного ремонтного депо Зима Восточно-Сибирской железной дороги совместно специалистами кафедр «Локомотивы» и «Подвижной состав электрических железных дорог» ОмГУПС в 2008 году.
Традиционное решение - водяной реостат - предполагает утилизацию энергии, вырабатываемой дизель-генераторной установкой, посредством теплообмена с окружающей средой через поверхность бака реостата. В зависимости от типа дизель-генераторной установки и режима испытаний потери энергии могут составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт-часов.
Благодаря высокой температуре нагрева элементов реостата (в качестве последних используются ленточные фехралевые резисторы) появляется возможность использовать выделяемую теплоту на обогрев помещений депо и подогрев технической воды для производственных нужд. Конструкция теплообменника проектируется индивидуально исходя из местных условий. КПД установки может достигать 25-30 %.
3 Энергосберегающие методики испытаний
Снижение энергоемкости испытаний тягово-энергетического оборудования локомотивов возможно также путем сокращения продолжительности испытательных режимов и удельного расхода топливно-энергетических ресурсов за счет изменения условий испытаний, использования косвенных методик и моделирования нагрузки.
Действующие требования ОАО РЖД на текущий ремонт электриче -ских машин предусматривают испытания на нагревание тяговых двигателей по ГОСТ 2582-81 в часовом режиме при номинальном количестве охлаждающего воздуха, указанном в технических характеристиках.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
80
Современные технологии - транспорту
Потери, возникающие в ТЭД, идут на его нагревание и частично рассеиваются с поверхности за счет конвекции. В установившемся продолжительном тепловом режиме отвод тепла должен быть равен тепловыделению в ТЭД, что обеспечивается принудительной подачей вентилирующего воздуха таким образом, чтобы перегрев обмоток не превышал допустимых значений для выбранного класса нагревостойкости изоляции.
Затраты мощности на вращение приводного вентилятора определяются выражением:
ХДр - суммарные потери, возникающие в ТЭД при испытаниях;
©в - допустимый перегрев вентилирующего воздуха, °С;
Пвент - энергетический КПД вентилятора, равный для воздуха 0,2.. .0,4;
Z - аэродинамическое сопротивление ТЭД.
Альтернативным вариантом являются испытания на нагрев без принудительного охлаждения. При этом экономия электрической энергии достигается за счет сокращения времени испытаний под нагрузкой и исключения из технологии вентиляторов охлаждения.
Заключение
Внедрение данного метода возможно при проведении прикладных исследований для построения эквивалентных кривых нагревания ТЭД при испытаниях без принудительного охлаждения. Дополнительно потребуется разработка новой методики испытаний с указанием времени и режимов на основе полученных эквивалентных кривых нагревания, а также выпуск изменений и дополнений к руководящим документам по ремонту электрических машин ОАО РЖД.
Библиографический список
1. Мониторинг и анализ эксплуатационной деятельности локомотивного хозяйства ОАО РЖД за декабрь и 12 месяцев 2009 года / ОАО РЖД, 2010. - 153 с.
2. ЦТ-ЦТВР/4782. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состав / МПС СССР. - М. : Транспорт, 1992. - 296 с.
3. Тяговые электродвигатели электровозов / В. Г. Щербаков. - Новочеркасск : Агентство Наутилус, 1998. - 672 с.
4. Испытательная станция ТЭД как объект автоматизации : материалы временных коллективов / Ш. К. Исмаилов, В. О. Мельк, А. В. Раздобаров, С. В. Смыков, И. Г. Шахов // Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии : материалы XIII всерос. науч.-техн. конф. - Омск : ОмГУПС, 2003. - С. 105-109.
вент
V У
где Св - удельная теплоемкость воздуха, Втх/кг-°С;
5 3
ув - плотность воздуха при давлении 1,01 • 10 Па и температуре 50 °С, кг/м ;
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
