CC BY
15
УДК 629.423
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-349-354
МЕТОД РАСЧЕТА РЕСУРСА СИЛОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЛОКОМОТИВОВ
П.В. Губарев, А.М. Лященко, Д.В. Глазунов
В статье рассмотрен метод определения ресурса силовых тиристоров преобразователей тягового подвижного состава, эксплуатируемого на сети железных дорог ОАО «РЖД. В расчете рассмотрены и определены следующие параметры полупроводниковых приборов: тепловые свойства полупроводникового прибора преобразователя локомотива, мощность потерь тепловой энергии, тепловое сопротивление прибора, экспоненциальная зависимость теплового сопротивления тиристоров от наработки. Предложенный метод может быть применен к широкому ассортименту элементов, используемых в инфраструктуре железнодорожного транспорта Российской Федерации и за рубежом.
Ключевые слова: силовые тиристоры, преобразователи, расчет, подвижной состав, железная дорога, остаточный ресурс, схема испытаний.
Современные рыночные условия требуют от предприятий железнодорожного транспорта эффективных методов и способов планирования обслуживания, ремонта и производства подвижного состава. Действующая система технического обслуживания и ремонта локомотивов служит условием, при котором возможно планирование и прогнозирование ремонтных работ на достаточно длительный период времени. Условия рыночных отношений требуют от руководителей предприятий гибких форм и методов руководства, хозрасчета и товарно-денежных отношений, всего арсенала экономических рычагов и наиболее эффективных способов и методов планирования обслуживания, ремонта и производства подвижного состава. При организации работы локомотивного хозяйства применяются различные методы планирования и среди них ряд экономических, расчетных и графических вариантов планирования производства, производственных показателей и измерителей работы [1-3].
В технической диагностике наиболее широко известны следующие методы поиска неисправностей узлов тягового подвижного состава: логический, применения теории графов, органолептический, параметрического анализа, вероятностно-временный, половинного разбиения [4].
Логический метод диагностирования - это эвристический метод, который не задает жестких и обязательных правил выполнения, технологических переходов. Данный метод требует предварительного перечня всех возможных в объекте дефектов и разработки модели объекта. По своей сущности логический метод можно назвать методом гипотез, т.к. поиск дефекта ведется путем проверки выдвинутых при анализе проявлений дефекта гипотез о возможных причинах искомого дефекта. При получении результатов выполнения тех или иных технологических переходов выдвигаются уточняющие гипотезы о причине дефекта, которые также проверяются до обнаружения дефекта. Контроль состояния элементов схемы требует использования контрольных точек, которые обеспечивают доступ к проводникам, соединяющим между собой элементы. Практически контрольные точки выполняются в виде клемм, электрических гнезд, проводников с зажимами и т.п.
Практический интерес представляет решение задачи по диагностике схемы с применением минимального количества контрольных точек методом применения теории графов. К недостаткам рассмотренных методов (их называют формальными методами) следует отнести то, что для их применения необходима статистическая информация, полученная при диагностировании объекта. Однако дефекты и их проявление в
данном объекте могут отличаться от известных ранее. Формальные методы в практике диагностики и настройке систем из-за недостатков, присущих им, используются редко. Более широкое распространение получил логический метод.
Органолептический метод предусматривает использование органов чувств испытателя (осязания, обоняния, зрения, слуха). Данный метод является вспомогательным, то есть предшествует использованию других методов поиска неисправностей элементов подвижного состава. При использовании органолептического метода можно обнаружить некоторые повреждения или вышедшие из строя узлы объекта.
Метод параметрического анализа основан на определении параметров контролируемого объекта с помощью приборов и инструментов. Проверяя параметры, обнаруживают отклонения и таким образом, устанавливают отказавший элемент. Способ прост, нагляден и не требует подробной исходной информации. Результаты ранее выполненных проверок не учитываются при выполнении последующих проверок. Недостаток метода - последовательность поиска неисправностей не оптимальна. Применяется для разнообразного оборудования.
Вероятностно-временной метод можно применять при произвольном соединении элементов системы. Исходная информация содержит сведения об отказах элементов (вероятность безотказной работы или вероятность отказа), время, затраченное на проверку элемента, а также отношение р или ( - время; р - вероятность безотказной работы; q - вероятность отказа).
Известен критерий минимакса: наилучшая последовательность проверок - та, при которой максимальная стоимость отказавшего элемента является наименьшей по сравнению с другими последовательностями. Целесообразная последовательность при наличии одного отказавшего элемента устанавливается в порядке увеличения отношения
V ql < З2/q2 <... < ЗпЫп.
При вероятности нескольких отказавших элементов
З1 С1 - ql )/ ^ < З2 (! - q2 )/ q2 <... < Зп С1 - qn )/ qn.
Введение показателя стоимости предпочтительнее только времени проверки, т.к. учитывается помимо времени стоимость применяемого оборудования, квалификация персонала и другие показатели.
Метод половинного разбиения - это метод позволяет получить экономичные (не избыточные) тесты и основывается на математической теории информации. Согласно этой теории получение информации - это уменьшение неопределенности суждения о состоянии объекта. Допустим, объект может находиться в одном из к состояний, каждому из которых соответствует одна неисправность. Любому из названных состояний объекта соответствует определенная вероятность. Без проверки технического состояния можно судить о нем с долей неопределенности. Эта неопределенность тем меньше, чем ближе к нулю или единице вероятность исправного состояния объекта. Максимальная неопределенность соответствует равенству вероятностей исправного и неисправного состояний, когда вероятность исправного состояния равна 0.5. Если вероятность неисправного состояния равна 0.99, с полной уверенностью можно считать, что элемент требует ремонта. В дальнейшем полагаем, что у неисправного элемента может быть только одна из к неисправностей. Предсказать, какая это неисправность, можно лишь с долей неопределенности. Причем, эта неопределенность тем больше, чем больше количество равновозможных вариантов требуется рассмотреть [4].
В результате рассмотренных современных методов поиска неисправностей можно предположить, что к каждой конкретной ситуации и условиям эксплуатации элементов подвижного состава необходимо адаптировать и оптимизировать существующие методы. Основными достоинствами рассмотренных методов являются их глубина и полнота описаний, но они сложны в расчетах и не обладают инженерной наглядностью [5].
Авторами предложен способ расчета надежности элементов подвижного состава (на примере определения интервальной оценки ресурса силовых тиристоров - преобразователей локомотивов). Рассмотрим способ расчета ресурса силовых тиристоров преобразователей локомотивов [6-7].
В расчете рассмотрены и определены следующие параметры полупроводниковых приборов: тепловые свойства полупроводникового прибора преобразователя локомотива, которые определяются площадью полупроводниковой структуры, качеством паяных соединений и конструкцией корпуса; мощность потерь тепловой энергии, тепловое сопротивление прибора, экспоненциальная зависимость теплового сопротивления тиристоров от наработки. Последовательность расчета предлагаемого способа представлена ниже [8-10].
Параметром, характеризующим тепловые свойства полупроводникового прибора преобразователя локомотива, является его установившееся тепловое сопротивление:
Т -т
Яв =-0-1—1, (1)
в АР у '
где тр-п - температура р-п перехода; тк - температура корпуса; АР - мощность потерь, вызывающая нагрев.
Тепловое сопротивление определяется площадью полупроводниковой структуры, качеством паяных соединений и конструкцией корпуса. В процессе эксплуатации силового тиристора проходит процесс постепенного «старения» припоя, завершающийся его разрушением и обрывом внутренней цепи прибора. Следовательно, остаточный ресурс полупроводникового преобразователя напрямую зависит от значения внутреннего установившегося теплового сопротивления его тиристоров.
Исходя из того, что мощность потерь равна
АР = Аи I, (2)
то для расчета теплового сопротивления необходимо знать четыре величины:
Тр-п ,Тк, Аи, I.
Измерения температуры корпуса, падения напряжения и тока не вызывают затруднений, а измерение температуры структуры прямым путем невозможно. Для ее определения необходимо найти параметр, который может быть измерен. Таким параметром является падение напряжения, имеющее линейную зависимость от температуры структуры.
Таким образом, тепловое сопротивление полупроводниковых приборов рассчитывается по следующей формуле
ад ад
Ят = Тн ~Тнар , (3)
т Аиад/
где I - ток, протекающий через полупроводниковый прибор.
При исследовании силовых полупроводниковых приборов преобразователей грузовых электровозов нами была получена экспоненциальная зависимость их теплового сопротивления от наработки
Я = / (!) . (4)
Измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов проводились прибором, изготовленным согласно патенту [11].
Выражение для определения ресурса силовых полупроводниковых приборов преобразователей локомотивов может быть представлено в обобщенном виде:
( Л
Ат
1 - е
т
Я =-^--, (5)
^ Аиад-1 У)
где Armax - максимальное превышение температуры структуры над корпусом полупроводникового прибора; t - наработка полупроводникового прибора; T - постоянная времени работы; AUœ - падение напряжения на полупроводниковом приборе; i - ток через полупроводниковый прибор.
Данная методика расчета остаточного ресурса полупроводниковых приборов преобразователей при капитальном ремонте тягового подвижного состава может существенно повысить надежность их работы и обеспечить значительный экономический эффект от своевременной смены, выработавших свой ресурс.
Рассматриваемая методика может быть применена к управляемым силовым тиристорам преобразователей на всех сериях и типах современного тягового подвижного состава. Методика может применяться при наблюдении и анализе работоспособности силовых тиристоров преобразователей локомотивного парка депо эксплуатации ОАО РЖД после ремонтов на сервисных локомотиворемонтных предприятиях. В методике предложена зависимость теплового сопротивления силовых полупроводниковых приборов преобразователей локомотивов от наработки. Умение рассчитывать указанные показатели дает ключ к расчету других единичных и комплексных показателей надежности и формирует у специалистов понимание основных закономерностей изменения исправности и работоспособности электроподвижного состава.
Список литературы
1. Petrin H.-F., D'acunto A., Martin P., Cauchois J.-P. Spring-in of composite parts manufactured by liquid resin infusion (lri) processes // 14-th European conference on composite materials. Budapest Hungary, 2010. 5 p.
2. Ding A., Wang J., Li S. Understanding process-induced spring-in of L-shaped composite parts using analytical solution // Composite Structures. 2020. V. 250.
3. Galinska A. Material Models Used to Predict Spring-in of Composite Elements: a Comparative Study Applied Composite Materials. 2016. V. 24 (1). P. 159.
4. Майба И.А., Глазунов Д.В., Лященко А.М. Расчет показателей надежности подвижного состава в период нормальной эксплуатации. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2022. № 2. С. 33-40. DOI: 10.31857/S0235711922020092.
5. Губарев П.В., Тептиков Н.Р., Глазунов Д.В. Методика расчета ресурса силовых диодов выпрямительных установок электроподвижного состава // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2017. № 4 (36). С. 33-38. DOI: 10.20291/2079-0392-2017-4-33-38.
6. Тептиков Н.Р., Резниченко А.А., Губарев П.В., Глазунов Д.В. Математические методы принятия решений в системах диагностики и управления на тяговом подвижном составе // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2018. № 1. С. 1315.
7. Резниченко А.А., Чеботарев Е.А., Тептиков Н.Р., Глазунов Д.В. Оценка безотказности и готовности локомотивов в период нормальной эксплуатации // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2018. № 3 (39). С. 15-22. DOI: 10.20291/2079-0392-2018-3-15-22.
8. Губарев П.В., Глазунов Д.В., Шапшал А.С. Исследование ресурса полупроводниковых приборов преобразователей электровозов // Современные технологии, Системный анализ. Моделирование. 2019. №3 (63). С. 112-119. DOI: 10.26731/1813-9108.2019.3(63) 112-119.
9. Чеботарев Е.А., Губарев П.В., Глазунов Д.В. Повышение надежности тяговой зубчатой передачи грузовых электровозов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2017. № 8. С. 379-383.
10. Кохановский В.А., Глазунов Д.В. Фторопластсодержащие покрытия при возвратно-качательном движении. Вестник машиностроения. 2019. № 11. С. 3 - 9.
11. Пат. 2121153 РФ. Способ определения остаточного ресурса силового диода / Чеботарев Е.А., Захаров А.П., Губарев П.В., Резниченко А.А., Зимницкий Е.М. Приоритет 10.11.96.
Губарев Павел Валентинович, канд. техн. наук, доцент, pavel.gybarev@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Лященко Алексей Михайлович, канд. техн. наук, доцент, lam 75@,mail. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Дмитрий Владимирович Глазунов, канд. техн. наук, доцент, glazu-novdm@yandex.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
RESOURCE CALCULATION METHOD LOCOMOTIVE POWER CONVERTERS P.V. Gubarev, A.M. Lyashenko, D.V. Glazunov
The article considers a method for determining the resource of power thyristors of converters of traction rolling stock operated on the railway network of Russian Railways. In the calculation, the following parameters of semiconductor devices are considered and determined: thermal properties of the semiconductor device of the locomotive converter, which are determined by the area of the semiconductor structure, the quality of solder joints and the body design; power loss of thermal energy, thermal resistance of the device, exponential dependence of the thermal resistance of thyristors on operating time. The proposed method can be applied to a wide range of elements used in the infrastructure of the railway transport of the Russian Federation and abroad.
Key words: power thyristors, converters, calculation, rolling stock, railway, residual life, test scheme.
Gubarev Pavel Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, pavel.gybarev@yandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Lyashchenko Alexey Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, lam75@,mail.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Glazunov Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, glazu-novdm@yandex.ru, Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
