CC BY
47
УДК 621.33.025
ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ И ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ
И.А.Худоногов1, Е.М.Лыткина2, А.А.Васильев3, Д.Ю.Алексеев4
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Анализ надежности тягового подвижного состава показывает, что основными повреждаемыми узлами являются тяговые электрические машины и аппараты, а именно их изоляция. Предложена технология локального метода капсулирования изоляции лобовых частей электрических машин и аппаратов, позволяющая значительно повысить их надёжность путем защиты от действия внешних факторов. Локальный нагрев ИК-излучением позволяет сократить в 7 - 10 раз расход энергии и в 5 - 7 раз время на технологические операции по пропитке и сушке якорей.
Ил. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: тяговый подвижной состав; изоляция электрических машин; капсулирование; ресурс; надежность.
ADVANCED TECHNOLOGY TO INCREASE AND PROLONG THE RESOURCE OF TRACTION ELECTRICAL MACHINERY AND EQUIPMENT
I.A. Hudonogov, E.M. Lytkina, A.A. Vasiliev, D.Yu. Alexeyev
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The reliability analysis of traction rolling-stock shows that the main damaged nodes are traction electrical machines and equipment, and namely their insulation. The authors propose a technology of the local method of encapsulating the insulation of the frontal parts of electrical machines and equipment. It can significantly increase their reliability by protecting against the external factors. Local heating by the infrared radiation can reduce power consumption up to 7 - 10 times and time for technological operations of armature soaking and drying up to 5 - 7 times. 2 figures. 2 sources.
Key words: traction rolling-stock; insulation of electrical machines; encapsulation; resource; reliability.
Одной из важнейших проблем железнодорожного транспорта страны является необходимость обеспечения надежной работы тягового подвижного состава. Анализ его надежности показывает, что основными повреждаемыми узлами являются тяговые электрические машины и аппараты.
По данным ОАО «Желдорреммаш» на электрические машины электровозов приходится 53% от общего количества отказов, по электрическому оборудованию - 25%, по механическому - 20%, по тормозному и пневматическому - 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 - 16%, на дизель - 12% и на тормозное и пневматическое оборудование - 2% [1]. Такая статистика не меняется на протяжении длительного времени.
Электрические машины тягового подвижного состава относятся к предельно 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. Достаточно привести статистику по надёжности узлов коллекторных тяговых электродвигателей. Современные технологии по изготовлению коллекторных тяговых электродвигателей позволяют повысить ресурс по остовам на пробег до 5 млн км. Использование этих же технологий для изготовления якорей не обеспечивает ресурс их более чем на 1 млн км пробега. Налицо проблемная ситуация.
Теория надёжности тяговых электрических машин в её современном виде стала развиваться сравнительно недавно. На протяжении нескольких предше-
1Худоногов Игорь Анатольевич, доктор технических наук, доцент кафедры электроснабжения железных дорог, тел.: 89646524520.
Hudonogov Igor Anatolievich, Doctor of technical sciences, associate professor of the chair of Electric Power Supply of Railways, tel.: 89646524520.
2Лыткина Екатерина Михайловна, аспирант, тел.: 89027619414, e-mail: [email protected]
Lytkina Ekaterina Mikhailovna, postgraduate student, tel.: 89027619414, e-mail: [email protected]
3Васильев Антон Александрович, аспирант, тел.: 89500662396.
Vasiljev Anton Alexandrovich, postgraduate student, tel.: 89500662396.
"Алексеев Денис Юрьевич, соискатель, тел.: 89501366058.
Alekseev Denis Yurievich, competitor, tel.: 89501366058.
ствующих 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, конструкционных и изоляционных материалов, совершенствовалась вентиляция. Однако запас прочности, а вместе с тем и устойчивости к перегрузкам постепенно снижался. В результате наметилась тенденция общего снижения надежности электрических машин тягового подвижного состава. Наиболее высоки показатели по снижению надёжности тяговых электрических машин грузовых электровозов и особенно грузовых электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Восточного региона. В настоящее время на Восточно-Сибирской железной дороге эксплуатируются мощные грузовые электровозы переменного тока. Они работают на крутых и протяжённых подъёмах, общая длина которых только на ВСЖД превышает 100 км. На этих подъёмах электровозы нередко реализуют мощность, превосходящую номинальную.
Морозы на участках эксплуатации достигают -50°С и ниже, перепады температуры в течение суток до 20-35°С, продолжительность работы при отрицательной температуре внешней среды составляет до одиннадцати месяцев в году. Аналогичное положение наблюдается и на других железных дорогах Сибири, Севера и Дальнего Востока.
Анализ технического состояния электровозного парка железных дорог России за последние годы эксплуатации показывает, что порчи и неисправности электровозов ВСЖД в 1,6 раза превышают среднесе-тевые. В экстремально холодный зимний период 2000-2001 годов это превышение составило 2-2,5 раза. Пониженная надежность электровозов Восточного региона приводит к задержкам поездов, срывам передач вагонов на соседние железные дороги и снижению безопасности движения.
На примере анализа статистических данных по отказам узлов и элементов тяговых электрических машин электровозов по Красноярской, ВосточноСибирской и Забайкальской железным дорогам нами были указаны основные причины низкой надёжности и давался экономический анализ материально-технического ущерба на железнодорожном транспорте из-за отказов или низкой надёжности тяговых электрических машин. Потребовалось определённое время, прежде чем стало очевидным, что повышение использования активных, конструкционных и особенно изоляционных материалов целесообразно лишь до тех пор, пока эта тенденция не приводит к снижению надежности тяговых электродвигателей (ТЭД).
Анализ отказов ТЭД по Красноярской, ВосточноСибирской и Забайкальской железным дорогам показал, что по сравнению с другими дорогами эти отказы стабильно высоки. Условия эксплуатации электровозов здесь значительно хуже, чем на других железных дорогах.
Статистические данные по надежности узлов и деталей оборудования электровозов в условиях эксплуатации их за последние десять-пятнадцать лет
показывают, что большая доля отказов приходится на ТЭД. Системный анализ причин отказов ТЭД электровозов, приписанных к ВСЖД, указывает на совокупность факторов, влияющих на надежность двигателей, обусловленных, в основном, условиями эксплуатации их по участкам Тайшет - Таксимо и Мариинск - Ка-рымская. К таким факторам, прежде всего, необходимо отнести такие зональные особенности, как высокая грузонапряжённость, сложный план и профиль пути, а также особенности климатических условий (большие перепады температур в течение суток, низкие температуры по «северному» ходу, высокая относительная влажность воздуха, пониженное абсолютное давление, снег, пыль и др.).
Необходимость применения принудительной вентиляции и защиты коллекторных ТЭД от внешних агрессивных воздействий обусловливает практически полную герметизацию их узлов от внешней среды и в еще большей мере усложняет внутреннюю аэродинамику машины, так как входной и выходной патрубки для вентилирующего воздуха приходится 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 расчётами 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 ТЭД НБ-418К6 мощностью 740 кВт с закрытыми головками и ТЭД 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 [2].
Анализируя эти кривые, очевидно, что, во-первых, закрытие головок секций керамикой приводит к недопустимым нагревам изоляции лобовой части обмотки со стороны, противоположной коллектору, во-вторых, раскрытие головок секций позволяет при прочих равных условиях снизить не только нагрев обмотки в районе головок секций, но и существенно повысить мощность машины либо снизить общий нагрев обмотки, повысив срок службы изоляции. Тенденция изготовления ТЭД с открытыми головками секций наблюдается во всём мире.
Однако наш анализ данных о частости отказов якорей двигателей по локомотивному депо Нижне-удинск (ТЧ-2) 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 ТЭД первого типа пробои изоляции и разбандажировки составляют 35,8%, то на аналогичные повреждения ТЭД второго типа приходится 92,5%. На основании экспертных оценок высококвалифицированных специалистов депо ТЧ-2 и Улан-Удэнского ЛВРЗ (У-У ЛВРЗ) по выявлению характера и причин отказов изоляционных конструкций якоря двигателя НБ-514 было установлено, что наиболее часто
170 150 130
110 Т- °С90
70
1- Тср = 142,3 "С
1 ^г I * 5 °С
^^ Ф Ф Г' * * Тср — — ■ 131 "с \
Ф Ф Ф Ф Г \2 р< <» Те ■ — = 108 °
---- Ф \2
X Л'
г Передняя ' лобовая часть Стальной пакет Задняя лобовая часть
* 1 1* 1 1 ' «I I *
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 м -
Рис. 1. Зависимости превышений температуры обмоток якорей ТЭД 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)
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 были забракованы по пробою изоляции якоря по задней лобовой части. В 2006 году из 120 машин по этой причине было забраковано 56 (46,6%), в 2007 году из 144 машин забраковано 19, а в 2008 году (за десять месяцев) из 122 машин забракована 21. Это указывает на то, что влагостойкость изоляции обмотки якоря двигателя НБ-514 при таком конструктивном исполнении оказалась ниже, чем у двигателя НБ-418К6. В настоящее время при создании коллекторных ТЭД для электровозов серии «Ермак» предприняты конструкционные решения по повышению надёжности изоляции лобовых частей якоря. Но проблема надёжности тяговых и вспомогательных электрических машин тягового подвижного состава будет обостряться из-за более низкой надёжности изоляции лобовых частей асинхронных тяговых и вспомогательных электродвигателей по сравнению с пазовой изоляцией. Более низкая надёжность изоляции лобовых частей обмоток электрических машин обусловлена комплексом факторов механической, электромагнитной и тепломассообмен-ной природы. Недостаточно надёжное крепление лобовых частей обмотки, например, создаёт условия для повреждения изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов. Лобовые части обмоток крупных ТЭД 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.
Расположение входного и выходного патрубков в системе вентиляции тяговых электродвигателей в одной плоскости приводит не только к значительной неравномерности нагрева обмотки якоря, но и к более интенсивному переувлажнению изоляции лобовой
части обмотки якоря со стороны, противоположной коллектору (со стороны выхода воздуха из выходного патрубка). Ситуация усложняется, если на пути движения увлажнённого воздуха устанавливается подшипниковый щит без вентиляционных окон. При эксплуатации тяговых электродвигателей в регионах с повышенной абсолютной влажностью воздуха в остове может оказаться до 10 литров воды. Неравномерный перегрев и переувлажнение изоляции обмотки якоря приведут к локальному снижению надёжности тягового электродвигателя.
В Нижнеудинском ремонтном локомотивном депо ВСЖД под руководством учёных Иркутского государственного университета путей сообщения была разработана и силами работников депо изготовлена установка для повышения ресурса тяговых электродвигателей типа НБ-514 при помощи ИК-излучения.
Технологический процесс капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей представлен на рис. 2. По предложенной схеме операция по нанесению компаунда методом окунания изоляции лобовой части обмотки якоря осуществлялась при помощи периодического окунания сегмента изоляции лобовой части вращающегося якоря в ёмкость с компаундом. Одновременно пропитанная компаундом изоляция лобовой части обмотки вращающегося якоря нагревалась до температуры 100-120°С при помощи трёх ИК-излучателей, расположенных в ИК-облучателе.
В результате применения локального нагрева ИК-излучением пропитанной компаундом изоляции лобовой части обмотки якоря происходит капсулирование изоляции и значительно повышается надёжность тяговой электрической машины путем защиты её от действия внешних факторов. Локальный нагрев ИК-излучением позволяет сократить в 7-10 раз расход энергии и в 5-7 раз время на технологические операции по пропитке и сушке якорей. В ходе испытания первого варианта установки были определены основные параметры технологического процесса и выявлены недостатки, связанные с процессом нанесения пропиточного материала на поверхность изоляции
Рис. 2. Схема локального способа капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря: 1 - лобовая часть обмотки якоря; 2 - привод якоря; 3 - ёмкость с компаундом; 4 - ИК-излучатели; 5 - ИК-облучатель
лобовых частей обмоток якоря и с выбором мощности облучательной установки. В ходе модернизации первого варианта установки были проделаны следующие виды работ: пропитка стала осуществляться с помо-
щью специальных распылителей и с использованием для капсулирования группы ИК-облучателей, расположенных по периметру лобовой части обмотки якоря.
1. Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сб. докладов и сообщений науч.-техн. конф.; под общ. ред. А.Т.Осяева. М., 2004. С. 127.
Библиографический список
2. Бочаров В.И., Курочка А.Л. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. М.: Энергоатомиздат, 1992. 464 с.
