CC BY
101
УДК 621.33 Худоногов Анатолий Михайлович,
д. т. н., профессор кафедры «Электроподвижной состав» Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 8-914-88-14-675 Лыткина Екатерина Михайловна, к. т. н., ст. преподаватель кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения,
тел. 8(3952)63-83-66 Дульский Евгений Юрьевич, аспирант, ассистент кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет, тел. 8-983-403-46-43
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
A.M. Hudonogov, E.M. Lytkina, E. Yu. Dulskiy
INNOVATIVE TECHNOLOGY OF IMPROVING RELIABILITY AND ELECTRIC MACHINES TRACTION VEHICLES LIFE EXTENSION
Аннотация. На основании проведенного анализа надежности электрических машин предложена инновационная технология повышения надежности и продления ресурса якорей и остовов тяговых двигателей электровозов и статоров асинхронных вспомогательных машин МВПС путем капсулирования и сушки изоляции обмоток энергией ИК-излучения.
Ключевые слова: тяговый электрический двигатель, изоляция, ИК-излучатель, нагрев, сушка, ресурс, надежность.
Abstract. An innovative technology to improve the reliability and extending the life of the anchors and the cores of electric traction motors and stators asynchronous auxiliary machines electric train by encapsulating and drying the winding insulation energy infrared radiation based on the analysis of the reliability of electrical machines is offered.
Keywords: drive electric motor, insulation, IR-emitter, heating, drying, resource, reliability.
Проблема повышения надежности и продления ресурса электрических машин и аппаратов тягового подвижного состава приобрела в последние годы большое социально-экономическое значение для железнодорожного транспорта. Необходимым условием безубыточной работы и эффективного функционирования в рыночных условиях железнодорожного транспорта является минимизация всех производственных издержек, которой можно достичь путем анализа бизнес-процессов, процессов
обеспечения и менеджмента с последующим применением инновационных технологий. Системный анализ данных процессов позволил из комплекса существующих проблем выделить проблему обеспечения безопасности и надежности электрических машин тягового подвижного состава. Решение этой проблемы определяется надлежащей организацией управления качеством производства, эксплуатации и ремонта электрических машин.
Электрические машины тягового подвижного состава относятся к наиболее нагруженному оборудованию, и поэтому с позиций комплексного воздействия на них тепловых, электромагнитных, механических и климатических факторов, несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте, уровень повреждаемости их в эксплуатации хотя и снижается, но остается довольно высоким. Очень велика доля отказов и по тяговым электрическим аппаратам.
Теория надежности электрических машин и аппаратов тягового подвижного состава в ее современном виде стала развиваться сравнительно недавно. На протяжении нескольких предшествующих десятилетий тяговое электромашиностроение развивалось в направлении повышения использования машин, увеличения нагрузок активных материалов и снижения массы на единицу мощности. Параллельно с этим разрабатывались и внедрялись новые виды активных, конструкцион-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ных и изоляционных материалов, совершенствовалась вентиляция. Однако запас прочности, а вместе с тем и устойчивости к перегрузкам постепенно снижались. В результате наметилась тенденция общего снижения надежности электрических машин тягового подвижного состава. Наиболее высокие показатели по снижению надежности у тяговых электрических машин грузовых электровозов особенно у грузовых электровозов эксплуатируемых на железных дорогах Восточного региона. В настоящее время на ВосточноСибирской железной дороге эксплуатируются мощные грузовые электровозы переменного тока. Они работают на крутых и протяженных подъемах, общая длина которых только на ВСЖД превышает 100 км. На этих подъемах электровозы нередко реализуют мощность, превосходящую номинальную.
Пониженная надежность электровозов Восточного региона приводит к задержкам поездов, срывам передач вагонов на соседние железные дороги и снижению безопасности движения поездов.
По данным Желдорреммаш, на электрические машины электровозов приходится 53 % от общего количества отказов, по электрическому оборудованию 25 %, по механическому оборудованию 20 %, по тормозному и пневматическому оборудованию 2 %. На электрические машины электропоездов приходится 28 % от общего количества отказов, на механическое оборудование -33,6 %, по электроаппаратуре - 39,2 %. На электрические машины тепловозов приходится 42 % от общего количества отказов, на электрическое оборудование 28 %, на механическое оборудование 16 %, на дизель 12 % и на тормозное и пневматическое оборудование 2 %.
Решение этой проблемы лежит в плоскости создания теории для системы технического содержания изоляции ТД электровозов на основе комплексной диагностики и эффективной технологии восстановления изоляции ТД в зависимости от зональных особенностей эксплуатации. Такие основы были заложены в трудах советских и российских ученых. Исследованию надежности тягового подвижного состава железных дорог, системам технического диагностирования и ремонта уделяли значительное внимание различные научные коллективы. Однако вопросам надежности предельно нагруженного оборудования электровозов с учетом особенностей климатических условий внешней среды начали заниматься лишь в последние годы ушедшего столетия. И, тем не менее, некоторые вопросы в области повышения надежности и продления ресурса электрических машин и аппаратов тягового подвижного соста-
ва требуют к себе дальнейшего внимания. Поэтому проблема повышения надежности и продления ресурса электрических машин и аппаратов остается актуальной по настоящее время и представляет научный и практический интерес.
С целью повышения надежности и продления ресурса электрических машин кафедрой «Электроподвижной состав» Иркутского государственного университета путей сообщения совместно со специалистами ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» была предложена теория, технология и техника капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей с открытыми головками секций, лобовых частей обмоток статоров асинхронных электродвигателей и обмоток магнитной системы остовов ТД.
Особое значение вопрос повышения надежности и продления ресурса электрических машин, аппаратов приобретает в связи с реформированием железнодорожного транспорта. В соответствии со стратегическими задачами холдинга ОАО «РЖД» до 2030 года предусмотрен переход на полигонные (зональные) технологии эксплуатации и ремонта локомотивов. Практика эксплуатации электрических машин и аппаратов тягового подвижного состава на железных дорогах Восточного региона показывает, что порчи и неисправности электровозов ВСЖД в 1,6 раза превышают среднесетевые. В экстремально холодный зимний период 20002001 годов это превышение составило 2-2,5 раза. Причем для одних и тех же серий тягового подвижного состава степень повреждаемости изоляции обмоток электрических машин значительно отличается в зависимости от зональных особенностей эксплуатации. Например, применительно ВСЖД степень повреждаемости изоляции тяговых двигателей (ТД) на электровозах при эксплуатации их в зонах «север» - «центр» - «юг» различается в 2-4 раза. Этот количественный показатель указывает на отсутствие системы организации управления качеством эксплуатации и ремонта электровозов с учетом зональных особенностей. К таким особенностям, прежде всего, необходимо отнести высокую грузонапряженность, сложный план и профиль пути, а также особенности климатических условий внешней среды (большие перепады температур в течение суток, низкие температуры по «северному» ходу, высокая относительная влажность воздуха, пониженное абсолютное давление, снег, пыль и другие).
Необходимость применения принудительной вентиляции и защиты коллекторных ТД от внешних агрессивных воздействий обусловливает практически полную герметизацию их узлов от внешней среды и в еще большей мере усложняет
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
внутреннюю аэродинамику машины, так как приходится входной и выходной патрубки для вентилирующего воздуха располагать в верхней части. Это приводит к значительной неравномерности нагрева обмоток якоря: со стороны входа воздуха они охлаждаются более интенсивно, чем с противоположной стороны. Разница превышений температур отдельных обмоток составляет 12-32 %. Теоретическими исследованиями и расчетами установлено, что по длине машины обмотки нагреваются неравномерно, имея максимальную температуру на выходе воздуха.
На рис. 1 приведены кривые превышений температур обмоток якорей, полученные на ЭВМ, для ТД НБ-418К6 мощностью 740 кВт с закрытыми головками и ТД НБ-514 мощностью 780 кВт с открытыми головками секций. Здесь же показаны кривые превышений температур якорей этих двигателей при условии взаимного изменения их токов нагрузки [1].
170 150 130
110
Т °С С 90
70
1' Т, = 142,3 'С
1 и + -у 12 % II % & » "С
-V' Тс, ' 131 "С N
г* * * ч2' Тс, ■ — = 108 N
У 1 ^ ч 2
__-
/ г
Передняя лобоваяя часть 1- Стальной пакет -1-1-1 Задняя лобовая часть 1-г*
на неравномерность не только теплообмена, но и массообмена.
На рис. 2 приведена вентиляционная система тягового двигателя, из которой следует, что наибольшая концентрация влаги будет иметь место на задней лобовой части обмотки якоря. Эта концентрация выше у тяговых двигателей с подшипниковыми щитами без выходных вентиляционных отверстий, то есть проблема локального перегрева и переувлажнения изоляции по лобовой части обмотки якоря, расположенной со стороны, противоположной коллектору, остается.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0'5 0,6 0,7 0,8
Ь, м
Рис. 1. Зависимости превышений температуры обмоток якорей ТД НБ-418К6 с закрытыми (1 - при Рч = 790 кВт и 1' - при Рч = 835 кВт) и НБ-514 с открытыми головками катушек (2 и 2' - при тех же мощностях)
Из анализа этих кривых очевидно, что, во-первых, закрытие головок секций керамикой у двигателей НБ418К6 приводит к недопустимым нагревам изоляции лобовой части обмотки со стороны, противоположной коллектору, во-вторых, раскрытие головок секций позволяет при прочих равных условиях не только снизить нагрев обмотки в районе головок секций, но и существенно повысить мощность машины либо снизить общий нагрев обмотки, повысив срок службы изоляции. Тенденция изготовления ТД с открытыми головками секций наблюдается во всем мире. Однако расположение входного и выходного патрубков в одной плоскости оказывает значительное влияние
Рис. 2. Вентиляционная система тягового двигателя
Это было выявлено в ходе анализа частости отказов якорей двигателей по ремонтному локомотивному депо Нижнеудинск (ТЧР-22), который показал, что более высокую надежность изоляционных конструкций имеет якорь двигателя НБ-418К6 с закрытыми головками секций в сравнении с якорем двигателя НБ-514 с открытыми головками секций. Если на ТД первого типа пробои изоляции и разбандажировки составляют 35,8 %, то на аналогичные повреждения ТД второго типа приходится 92,5 %. На основании экспертных оценок высококвалифицированных специалистов депо ТЧР-22 и Улан-Удэнского ЛВРЗ (У-У ЛВРЗ) по выявлению характера и причин отказов изоляционных конструкций якоря двигателя НБ-514 было установлено, что наиболее часто наблюдаются пробои изоляции якоря по задней лобовой части в месте касания задней прижимной шайбы с обмоткой.
Так, например, при отбраковке якорей двигателя НБ-514 на У-У ЛВРЗ в 2005 году из 123 машин 15 машин были забракованы по пробою изоляции якоря по задней лобовой части. В 2006 году из 120 машин по этой причине было забраковано 56 машин (46,6 %), в 2007 году из 144 машин забраковано 19 машин, в 2008 году (за десять месяцев) из 122 машин забракована 21 машина. Это указывает на то, что влагостойкость изоляции
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
обмотки якоря двигателя НБ-514 при таком конструктивном исполнении оказалась ниже, чем у двигателя НБ-418К6. В настоящее время при создании коллекторных ТД для электровозов серии «Ермак» предпринят ряд конструкционных решений по повышению надежности изоляции лобовых частей якоря. Но проблема надежности тяговых и вспомогательных электрических машин тягового подвижного состава будет обостряться из-за более низкой надежности изоляции лобовых частей асинхронных тяговых и вспомогательных электродвигателей по сравнению с пазовой изоляцией. Более низкая надежность изоляции лобовых частей обмоток электрических машин обусловлена комплексом факторов механической, электромагнитной и тепломассообменной природы. Недостаточно надежное крепление лобовых частей обмотки, например, создает условия для повреждения изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов. Лобовые части обмоток крупных ТД наибольшей опасности подвергаются при переходных процессах. Большие ударные токи могут вызвать разрывы бандажей, деформацию частей обмотки, появление трещин и вмятин в изоляции. В процессе эксплуатации отмечаются также пробои изоляции вследствие попадания на лобовые части смазки, влаги и других агрессивных материалов.
На рис. 3 приведен фрагмент локального повреждения изоляции на лобовой части обмотки якоря ТД НБ-514 со стороны, противоположной коллектору, а на рис. 4 - фрагмент магнитной системы остова ТД после случая возгорания изоляции по причине ее пробоя.
Рис. 3. Фрагмент поврежденной изоляции на лобовой части обмотки якоря ТД НБ-514
В таких случаях наиболее целесообразным и эффективным будет метод продления ресурса изоляции путем капсулирования локального повреждения с использованием пропиточных материалов и теплового излучения.
Рис. 4. Фрагмент поврежденной изоляции магнитной системы остова ТД
На рис. 5 приведен фрагмент по выгоранию лобовой части обмоток статоров асинхронных вспомогательных машин (АВМ) электровозов переменного тока эксплуатируемых на железных дорогах Восточных регионов.
Рис. 5. Фрагмент поврежденной изоляции
на лобовой части обмотки статора асинхронной вспомогательной машины
Статистика и экспертная оценка показывают, что доля отказов по изоляции лобовой части обмоток статора АВМ составляет в разные годы от 50 до 60 %. Такая статистика может быть получена и при эксплуатации тяговых асинхронных
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
электродвигателей типа НТА 1200 с открытыми головками лобовых частей обмотки статора, если не принимать более современных методов и средств по повышению ресурса изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин. Повышение ресурса изоляции обмоток путем капсулирования с использованием теплового излучения наиболее эффективно при производстве и крупных ремонтах тяговых электрических машин и аппаратов.
Причины резкого увеличения параметра потока пробоев изоляции якорей двигателей НБ-514 были отражены в работах А.М. Худоногова и В.П. Смирнова. В этих работах отмечалось, что из-за низкой влагостойкости изоляции лобовой части обмотки якоря со стороны, противоположной коллектору, конструкционных и эксплуатационных факторов, отсутствия систем по нормализации изоляционных конструкций в период с 1999 по 2002 годы произошел резкий рост отказов якорей ТД, в основном по пробою изоляции в лобовой части со стороны, противоположной коллектору. Скачок был обусловлен условиями эксплуатации электровозов ВЛ85 на участке Тайшет Так-симо (северный ход) и низкой влагостойкостью изоляции якоря двигателя НБ-514. В летний период 2001 года руководством локомотивного депо было принято решение о дополнительной пропитке и последующей сушке изоляции лобовых частей обмоток якоря со стороны противоположной коллектору. Эти операции осуществлялись по стандартной методике. Она заключается в периодической пропитке и сушке задней лобовой части якорной обмотки. Операции по пропитке лобовой части якорной обмотки осуществляются методом окунания ее в емкость с пропиточным составом. Операции по сушке лобовой части якорной обмотки осуществляются в стандартных конвекционных печах путем нагрева всей части якоря... Также в условиях депо и заводских условиях для ликвидации локального отказа была предложена следующая технология. С помощью испытательных станций определялась точка локального пробоя на лобовой части якоря. Слесарь по ремонту с помощью эпоксидных материалов ликвидировал этот отказ, и якорь поступал в эксплуатацию без перемотки обмотки. В результате введения этих технологий количество отказов по ТД типа НБ-514 было снижено более чем в 1,7 раза. Факт уменьшения отказов в результате дополнительной пропитки и сушки якорей был подтвержден актами и отчетами.
Такие технологии повышения ресурса изоляции ТД при изготовлении, средних и капиталь-
ных ремонтах не только энергозатратны, но и ре-сурсозатратны.
В настоящее время при деповском ремонте для сушки пропитанной или увлажненной изоляции ТД используют конвективные электрические печи мощностью 80 кВт.
По технологии в депо при ремонте сушку изоляции проводят в два этапа. Первый этап - перед пропиткой лаком, при этом время сушки занимает десять часов, второй - после пропитки, когда время сушки составляет уже пятнадцать часов. Если же изоляция ТД не нуждается в пропитке, единожды производят десятичасовую сушку. Такая технология сушки является малоэффективной, ресурсоемкой, длительной и энергозатратной.
Для обеспечения высокой термо- и влагостойкости, стабильной теплопроводности и повышения срока службы изоляции электрических машин с открытыми головками секций предлагаются новый ресурсосберегающий локальный метод и средства капсулирования пропиточными материалами изоляции лобовых частей обмоток с использованием управляемого электромагнитного излучения инфракрасного (ИК) диапазона [2]. Рациональный режим термообработки при максимальном значении критерия количественной и качественной оценки эффективности работы облучателя может быть осуществлен только в случае применения спектрально-осциллирующего режима энергоподвода с чередованием средневолнового и коротковолнового ИК-излучения.
Конструктивная схема установки для капсу-лирования изоляции обмоток якорей ТД типа НБ-514 при осциллирующем ИК-энергоподводе показана на рис. 6, а.
По предложенной схеме установка состоит из двух основных узлов. Первым узлом является станина с пристроенным частотно-регулируемым асинхронным электродвигателем с редуктором. Она предназначена для размещения, фиксации и обеспечения плавного вращательного движения якоря 1 в широком диапазоне скоростей с установленной мощностью 2,2 кВт. Второй узел - это передвижной сменный распылитель-облучатель 2. Он состоит из девяти импульсных керамических преобразователей излучения с установленной мощностью 4,5 кВт и девяти автоматических пневматических распылителей высокого давления. Размещение и фиксация якоря на станине осуществляются при помощи приводно-опорного и опорных резиновых роликов 6 и задней буксы 7.
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Частотно-регулируемый привод предназначен для придания якорю ТД плавного вращательного движения в широком диапазоне скоростей. Он состоит: из магнитного пускателя и преобразователя частоты (они расположены в шкафу управления 3); асинхронного трехфазного короткозамк-нутого двигателя 8; клиноременной передачи 4. Резиновые ролики соединены с асинхронным двигателем с помощью муфты 5.
а)
б)
в зависимости от частоты питающего напряжения, но и изменения спектрального состава ИК-излучателей, тем самым получая систему, автоматизированную по двум параметрам.
На базе депо Нижнеудинск была реализована опытно-промышленная установка по капсули-рованию изоляции лобовой части обмотки якоря ТД, изготовленная по патенту РФ (рис. 6, б). Эксперименты на данной установке проводились на якорях, успешно эксплуатирующихся в дальнейшем на Восточно-Сибирской дороге без дальнейших повреждений, связанных с их изоляцией.
По аналогии с данной установкой на основе этой же технологии на базе моторвагонного депо ст. Иркутск-Сортировочный была спроектирована и реализована опытно-промышленная установка по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток статоров асинхронных вспомогательных машин (АВМ), приведенной на рис. 7.
Рис. 6. Конструктивная схема (а) и опытно-промышленная установка (б) для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря при осциллирующем ИК-энергоподводе: 1 - якорь; 2 - передвижной сменный распылитель-облучатель; 3 - шкаф управления; 4 - клиноременная передача; 5 - муфта; 6 - опорные резиновые ролики; 7 - задняя букса; 8 -асинхронный трехфазный двигатель
В результате применения локального нагрева ИК-излучением в пропитанной электроизоляционным лаком изоляции лобовой части обмотки якоря происходит капсулирование, значительно повышаются надежность и защита ТД от действия внешних факторов.
Локальный нагрев ИК-излучением позволяет сократить в 7-10 раз расход электроэнергии и в 10-12 раз - время на технологические операции пропитки и сушки якорей ТД.
В настоящее время ведутся работы по автоматизации данной технологии посредством не только регулирования скорости вращения якоря
Рис. 7. Конструктивная схема и опытно-промышленная установка для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора АВМ: 1 - лобовая часть статора; 2 - распылитель-облучатель с ИК-излучателями; 3 - пульт управления; 4 - клиноременная передача; 5 - муфта; 6 - опорные резиновые ролики; 7 - асинхронный трехфазный двигатель
Также с целью повышения надежности и продления ресурса ТД была спроектирована установка для сушки увлажненной или пропитанной изоляции обмоток магнитной системы остовов комбинированным ИК-конвективно-вакуумным способом (рис. 8).
По схеме остов ТД 1 помещается на основание 3, в которое монтируется стойка 2 с ИК-излучателями. Далее основание приводится во вращение частотно-регулируемым асинхронным двигателем 6 через редуктор 5 и ведущий опорный ролик 4.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 8. Конструктивная схема установки для сушки
изоляции обмоток магнитной системы остова ТД комбинированным способом: 1 - остов ТД; 2 - стойка
с ИК-излучателями; 3 - основание; 4 - приводно-опорный и опорные резиновые ролики; 5 - редуктор;
6 - привод основания; 7 - привод вентилятора;
8 - вентилятор
ИК-излучатели обеспечивают интенсивность теплопередачи. Воздушный поток, создаваемый вентилятором 8 и асинхронным двигателем 9, равномерно распределяет температуру по всей толщине слоя изоляции. Ударное действие
потока воздуха обусловливает интенсивный отрыв частиц влаги от твердой фазы и вынос их за пределы зоны сушки.
Это, в свою очередь, является источником непрерывных возмущений в ламинарном слое, то есть турбулизации, а также уменьшает поглощение потока излучения слоем водяных паров у поверхности изоляции и в промежуточной зоне. И, наконец, при такой схеме работы элемента вентиляции в зоне обработки изоляции создается отрицательное давление (вакуумная сушка), сопутствующее понижению температуры и скорости нагрева изоляции без снижения интенсивности ИК-энергоподвода и влагоотдачи.
Данные технологии применимы и к пропитанной (увлажненной) изоляции электрических аппаратов тягового подвижного состава.
Внедрение данной инновационной технологии повышения надежности и продления ресурса электрических машин и аппаратов тягового подвижного состава позволит существенно уменьшить материальные затраты, необходимые для их ремонта в связи со значительным сокращением времени и снижением потребления электроэнергии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лыткина Е. М. Повышение эффективности кап-сулирования изоляции лобовых частей обмоток тяговых двигателей электровозов инфракрасным излучением : дис. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2011. 205с.
2. Пат. 2396669 Российской Федерации. МПК Н02К 15/12. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин / А. М. Худоно-гов, И. А. Худоногов, В. Н. Иванов, Н. Г. Ильичев, Д. А. Оленцевич, В. В. Сидоров, Е. М. Лыткина; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». № 2009117049/28; заявл. 04.05.2009; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22.
