CC BY
102
УДК 621.33.025
НАДЁЖНОСТЬ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ
А.М.Худоногов1, Д.А.Оленцевич2, Е.М.Лыткина3, В.Н.Иванов4
123Иркутский государственный университет путей сообщения,
664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
4ОАО «РЖД», ВСЖД,
664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 7.
Отмечено существенное снижение надежности асинхронных вспомогательных машин типа НВА-55 на электровозах нового поколения. Проанализированы причины увеличения числа отказов. Ил. 2.
Ключевые слова: электроподвижный состав, мотор-компрессоры, асинхронные вспомогательные машины.
RELIABILITY OF ASYNCHRONOUS AUXILIARY MACHINES OF ELECTRIC LOCOMOTIVES A.M. Hudonogov, D.A. Olentzevich, E.M. Litkina, V.N. Ivanov
Irkutsk State University of Railway Engineering
664074, 15 Chernishevsky St., Irkutsk
Public Corporation "Russian Railways", East Siberian Railway
7 Carl Max St., Irkutsk, 664003.
The authors register a considerable decrease of the reliability of asynchronous auxiliary machines of the "NVA-55" type on the electric locomotives of a new generation. The reasons of increase of number of refusals are analysed. 2 figures.
Key words: electric trains, motor-compressors, asynchronous auxiliary machines.
Проблема повышения надёжности асинхронных вспомогательных машин (АВМ) электроподвижного состава (ЭПС) приобрела в последние годы большое социально-экономическое значение. Особенно эта проблема обострилась в связи с проектированием, производством, изготовлением, эксплуатацией и ремонтом электровозов нового поколения после известных в нашей стране социально-экономических преобразований.
С целью установления причин снижения конструкционной надёжности кафедрой ЭПС ИрГУПС была проанализирована статистика отказов АВМ электровозов переменного тока за полувековой период. В анализе этой проблемы были использованы труды О.А.Некрасова, Р.И.Мирошниченко, Н.Н.Горина, В.В.Шевченко, М.А.Козорезова, В.И.Бочарова, В.П.Янова, В.Г.Щербакова, Л.В.Маханькова, В.П.Феоктистова, А.Т.Осяева, В.П.Смирнова и других исследователей.
Здесь уместно привести статистику по надежности асинхронных двигателей в других отраслях промышленности. В большинстве случаев (85-95 %) отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток и распреде-
ляются следующим образом: межвитковые замыкания
- 93 %, пробой межфазной изоляции - 5 %, пробой пазовой изоляции - 2 %. На подшипниковый узел приходится 5-8 % отказов, и небольшой процент связан с такими причинами, как распайка выводных концов, скручивание валов, разрыв стержней ротора и др. Причины отказов можно дифференцировать следующим образом: технологические - около 35 %; эксплуатационные (главным образом неудовлетворительная защита электродвигателей) - 50 % и конструкционные
- 15 %. В среднем в течение года капитально ремонтируют около 20 % установленных электрических машин (в строительстве - 50 %, в горнодобывающей промышленности - 30 %, в машиностроении - 20 %, в черной металлургии - 13 % и в химической промышленности - 9 %). Как видно из статистики, таких отказов, как выплавление обмоток ротора, нет.
Однако вышеперечисленными учёными и практиками установлено, что АВМ ЭПС переменного тока работают при следующих условиях:
1. Изменение напряжения питания от +25 до -39 % номинального значения.
2. Коэффициент несимметрии напряжения Ки = и0 / ип до 0,10 (здесь и0 и ип соответственно напря-
1Худоногов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава, тел.: 63-83-66, e-mail: hudonoqv@jrqups.nj
Hudonogov Anatoliy Mihailovich, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Electric Rolling-Stock, tel.: 63-83-66, email: hudonoqv@.irqups.ru
2Оленцевич Дмитрий Андреевич, инженер кафедры электроподвижного состава, аспирант, тел.: 63-83-66, e-mail: do-lenc@inbox.ru
Olentzevich Dmitry Andreevich, an engineer, a postgraduate of the Chair of Electric Rolling-Stock. Tel 63-83-66, e-mail: do-lenc@inbox.ru
3Лыткина Екатерина Михайловна, техник-инженер, сотрудник кафедры электроподвижного состава тел. 63-83-66, e-mail: klyt@irgups.ru
Litkina Ekaterina Mihailovna, a technician-engineer, a member of the Chair of Electric Rolling-Stock, tel.: 63-83-66, e-mail: klyt@irgups.ru
"Иванов Владимир Николаевич, инженер, дорожный инспектор службы локомотивного хозяйства, тел.: 64-45-47 Ivanov Vladimir Nikolaevich, an engineer, a railway inspector of the service of locomotive economy of East Siberian Railway, tel.: 6445-47
жение обратной и прямой последовательности).
3. Коэффициент несимметрии фазных токов К = 10 / 1п до 0,70. Здесь 10 и 1п токи прямой и обратной последовательности. Когда токи в фазах при крайних значениях напряжения в контактной сети отличаются более чем в два раза.
4. Снижение вращающего момента до 0,3 номинального.
5. Значительное возрастание момента сопротивления компрессоров при низких температурах воздуха.
6. Увеличенная продолжительность пуска мотор-компрессоров (МК) из-за существенного уменьшения вращающего момента при понижении питающего напряжения.
При создании первых серийных электровозов переменного тока для привода вентиляторов и главных компрессоров были использованы электродвигатели специального назначения типа АП и АС. Электродвигатели типа АП и АС имели улучшенные пусковые и перегрузочные характеристики, и их использовали для привода главных компрессоров (типа АС) и вентиляторов (типа АП) электровозов ВЛ60, ВЛ60К и ВЛ80К. Высокая надежность этих машин определялась запасом прочности, которая обеспечивалась конструкцией ротора. На электродвигателях типа АП применяется ротор с двойной беличьей клеткой, на АС - ротор «глубокопазный». В статистике отказов по этим машинам случаев по выплавлению стержней ротора нет.
Первой трехфазной асинхронной машиной, разработанной в тяговом исполнении, т.е. специально для привода главных компрессоров и вентиляторов электровозов ВЛ80Т,Р,С, был электродвигатель типа АЭ-92-4О2. При разработке этого электродвигателя учтены условия эксплуатации его на электроподвижном составе. Однако кратность пускового тока у электродвигателя типа АЭ увеличилась по сравнению с двигателями типа АС и Ап с 5,5 до 7,6. Сделано это 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). Конструкция ротора у этих электродвигателей по сравнению с электродвигателями АП и АС была значительно упрощена, рис. 1. В статистике отказов по этим машинам появилась графа по выплавлению стержней ротора. Хотя процент этих отказов по отношению к другим не превышал 5...7 %.
В начале 80-х гг. прошлого столетия разработан и создан специально для эксплуатации в условиях электрической тяги трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа АНЭ225L4УХЛ2 с целью оснащения этим электродвигателем электровоза серии ВЛ85. При создании этой машины были резко повышены технические требования (по сравнению с электродвигателями АЭ-92-4О2). В частности увеличен нижний предел допустимой температуры окружающего воздуха (с минус 50 °С до минус 60 °С), снижена мощность на единицу массы (стало 55 кВт / 375 кг, было 40 кВт / 400 кг). Снижение мощности на единицу массы было осуществлено в основном за счёт упрощения конструкции ротора электродвигателя типа АНЭ225, по сравнению с электродвигателем типа АЭ (устранение в двигателях АНЭ225 осевых вентиляци-
онных каналов в листах ротора, ликвидация специального вентилятора для охлаждения АВМ, открытый паз обмотки ротора).
Рис. 1. Форма листов роторов двигателей АС-82-4: а -АП-82-4, б - АЭ-92-4, в - АНЭ225, г - НВА55
Рассмотрение статистических данных о надежности оборудования электровозов переменного тока ВСЖД за последние годы эксплуатации показывает, что на долю отказов асинхронных 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 КТ6-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. 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). Таким образом, отказы, связанные с выплавлением или обрывом стержней ротора на электродвигателе типа АНЭ225 составили более 20 %.
В 2006-2007 гг. отмечен резкий рост количества случаев отказов АВМ типа НВА-55 (на наш взгляд, худший аналог электродвигателя типа АНЭ225) на электровозах ЭП1, ЭП1М, 2ЭС5К, 3ЭС5К. Особенно неудовлетворительное положение сложилось с отказами этих электродвигателей на электровозах 2ЭС5К, 3ЭС5К. В локомотивных депо Вихоревка и Смоляни-ново за период 2006-2008 гг. заменено 98 электродвигателей НВА-55 или 14,2 % от общего числа, что составляет 13,9 случаев на 1 млн. км. пробега. Таким образом, показатель отказов электродвигателей НВА-55 на электровозах 2ЭС5К, 3ЭС5К в 21 раз превышает среднесетевой показатель отказов вспомогательных электродвигателей серийных электровозов. Все повреждения электродвигателей НВА-55 произошли на электровозах 2ЭС5К и 3ЭС5К в период гарантии.
Повреждения электродвигателей НВА-55 в этих
депо по характеру отказа распределились следующим образом:
- выплавление ротора - 86 случаев или 87,7 %;
- короткое замыкание обмотки статора - 11 случаев или 11,2 %;
- шум подшипника - 1 случай или 1,02 %.
М/МнЛ
5
4
3
2
1
0 500 1000 1500 об./мин
Рис. 2. Механические характеристики двигателя АНЭ225 и НВА55 при напряжении питания 380 (1) и 280 (2) В
Анализ механических характеристик асинхронных двигателей типа АНЭ225 и НВА55, приведенных на рис. 2, показывает, что при снижении напряжения до 280 В и отсутствии симметрирующих устройств вращающий момент двигателя снижается почти в 4 раза. Надо также отметить, что проектирование асинхрон-
ных двигателей для привода вспомогательных машин с повышенными пусковыми и перегрузочными характеристиками без учета влияния токов прямой и обратной последовательности при несимметрии приложенных напряжений на параметры вторичной цепи весьма рискованно. Известно, что активное и индуктивное сопротивление ротора для токов прямой и обратной последовательности различны, так как частоты этих токов неодинаковы и влияние вытеснения тока будет сказываться в различной степени. В этой связи можно ожидать, что при значительной несимметрии приложенного напряжения степень влияния токов во вторичной цепи существенно выше, чем в первичной, что приводит к расплавлению поверхностных слоев обмотки ротора вихревыми токами высокой частоты.
Ситуация по надёжности электродвигателей типа НВА55, в которой отказы по выплавлению ротора составляют около 90 %, обусловлена, на наш взгляд, социально-экономическими процессами, произошедшими в стране за последние двадцать лет. Была уничтожена система организации управления качеством проектирования и производства в электровозостроении, которая на настоящий момент полностью не восстановлена. Тенденция по снижению надёжности АВМ электровозов переменного тока была определена политикой энергосбережения в замен политики повышения надёжности .
УДК 621
ОПТИМИЗАЦИЯ ПОТРЕБНОСТИ ЗАПАСНЫХ ЧАСТЕЙ ДЛЯ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ
А.И.Шадрин1, И.В.Зырянов2, М.Ю.Гамбаль3
13Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Институт «Якутнипроалмаз» ЗАО «АЛРОСА», 678170, г. Мирный, ул. Ленина, 6.
Построена математическая модель определения оптимального риска возникновения дефицита запасных частей для ремонта карьерных автосамосвалов. На примере автосамосвала CAT-785 предприятия Удачнинский ГОК ЗАО АК «АЛРОСА» произведён расчёт суммарных затрат предприятия, а также получена их зависимость от значения коэффициента риска дефицита запасных частей. Ил. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: запасные части, ремонт, риск дефицита запасных частей, затраты на ремонт.
OPTIMIZATION OF DEMAND IN SPARE PARTS FOR QUARRY DUMP-BODY TRUCKS A.I. Shadrin, I.V. Ziryanov, M.Y. Gambal
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The Institute "Yakutniproalmaz", Close Corporation "ALROSA" 6 Lenin St., Mirniy, 678170.
1Шадрин Александр Иванович, доктор технических наук, профессор каф. ГМиРТ, тел.: (3952)-405-085, e-mail: sai@istu.edu. Shadrin Alexander Ivanovich, a doctor of technical sciences, a professor of the Chair of Mining Machinery and Mining Transport. Tel. (3952)-405-085, e-mail: sai@istu.edu.
Зырянов Игорь Владимирович, доктор технических наук, зам. директора по научной работе, тел.: (41136)-3-45-01, 9-02-99, email: i.ziryanov@yna.alrosa-mir.ru.
Ziryanov Igor Vladimirovich, a doctor of technical sciences, a deputy director on scientific work. Tel. (41136)-3-45-01, 9-02-99, e-mail: i.ziryanov@yna.alrosa-mir.ru.
3Гамбаль Максим Юлианович, аспирант, тел.: (3952)-405-085. Gambal Maxim Yulianovich, a postgraduate. Tel. (3952)-405-085.
