CC BY
77
УДК 621.313.333.2 Выжимова Вера Николаевна,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС, тел. 8923308809, e-mail: vera-vyzhimova@yandex.ru
Иванов Павел Юрьевич,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС, тел. 89500652177, e-mail: savl.ivanov@mail.ru
Гарев Николай Николаевич,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС, тел. 89149022536, e-mail: nngarev@gmail.com
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ НАДЁЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
V.N. Vyzhimova, P. Yu. Ivanov, N.N Garev
THE SYSTEMS APPROACH TO THE RELIABILITY ANALYSIS OF AUXILIARY INDUCTION MOTORS IN ALTERNATING CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVES
Аннотация. Произведена систематизация основных параметров систем питания вспомогательных машин электровозов переменного тока. Осуществлено сопоставление серий локомотивов, типов асинхронных вспомогательных машин и систем фазорасщепления соответственно сериям. Для каждой серии приведены численные показатели надёжности, прослежена динамика их развития. Сделаны выводы.
Ключевые слова: асинхронные вспомогательные машины, надёжность электрических двигателей, статистика отказов, электровозы переменного тока, условия работы электровозов, показатели надёжности.
Abstract. Basic parameters of electric supply system for auxiliary induction motors are systematized for alternating current electric locomotives. Electric locomotive series, auxiliary induction motors types and phase-splitting devices are correlated. Quantitative measure of reliability is shown for each locomotive series, dynamics of its development is retraced.
Keywords: auxiliary induction motors, reliability of electrical motor, statistics offailures, alternating current electric locomotives, locomotive's service conditions, measure of reliability.
Исследования режимов работы асинхронных вспомогательных машин (АВМ) отечественных электровозов переменного тока отражены в трудах 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, Л.А. Астраханцева, Н.Л. Рябчёнок, А.И. Орленко, В.П. Смирнова и других исследователей [5].
Ранее проанализированы режимы работы асинхронных вспомогательных машин на электровозах переменного тока серий ВЛ60, ВЛ80, ВЛ65,
ВЛ85, с различным исполнением систем тягового и вспомогательного электрооборудования. Выпуск этих серий остановлен в связи с моральным устареванием конструкции и необходимостью внедрения более мощных, безопасных и надежных электровозов.
В настоящее время на железные дороги Восточного полигона поступают электровозы переменного тока различных серий для обеспечения грузового и пассажирского движения. ОАО «НЭВЗ» в сотрудничестве с ОАО «ВЭлНИИ» для замены электровозов серий ВЛ80 и ВЛ85 в грузовом движении освоен выпуск электровозов серии «ЕРМАК» (Э5К, 2,3ЭС5К), для замены пассажирских электровозов серии ВЛ65 освоен выпуск серии ЭП1. Основные их данные приведены в табл. 1. Предполагается поступление и ввод в эксплуатацию перспективных электровозов серии 2ЭС7 выпуска ООО «Уральские локомотивы». Анализ энергетических характеристик в системах питания вспомогательных машин всех серийных электровозов переменного тока неоднократно проводился в трудах учёных ВЭлНИИ [3]. Как и прежде, неоднократно отмечалась сомнительность целесообразности применения традиционных схем расщепления фаз с точки зрения энергосбережения и надежности.
Однако, как и при анализе надёжности АВМ на электровозах предыдущих поколений, в этих материалах отсутствует системный подход с позиций:
- отечественный и зарубежный опыт построения систем вспомогательных машин на электровозах переменного тока на основе асинхронного двигателя;
- конструктивное исполнение элементов асинхронного двигателя и влияние его на надежность вспомогательного привода;
Т а б л и ц а 1
Основные характеристики магистральных электровозов, эксплуатирующихся __в условиях Восточного полигона__
Поколение 2 3 4
Тип электровоза ВЛ60К, ПК ВЛ80К, Т, С ВЛ80Р, ВЛ65, Э5К, ТК, СК ЭП1 2,3ЭС5К ЭП10 2ЭС7
Тип тягового двигателя Коллекторный пульсирующего тока Асинхронный
Тип преобразователя Неуправляемый полупроводниковый Управляемый зонно-фазный Управляемый ин-верторный
Управление напряжением на ТЭД Ступенчатое Плавное Векторное
Электрическо е торможение - реостатное Рекуперативное Рекуперативно е
Тип вспомогательного электропривода Асинхронный
Примечания. * - электровоз ВЛ80к.
- воздействие на АВМ климатических факторов с позиции зональной стратегии обслуживания и ремонта;
- тенденции и современные технологии энергосбережения и автоматического управления в методике построения вспомогательного привода.
Исходя из отечественного опыта построения асинхронного вспомогательного электропривода на серийных электровозах переменного тока, основные параметры которых представлены в табл. 2, можно заключить, что характерными особенностями в тенденции развития являются: запас мощности АВМ для обеспечения эксплуатационной надежности; удешевление конструкции систем АВМ; снижение энергопотребления за счет применения недорогих НПЧ (ПЧФ-136, ПЧФ-177
на электровозах ЭП1, 2,3ЭС5к), обеспечение унификации.
Производится опытное внедрение инвертор-ной преобразовательной техники для улучшения условий эксплуатации и показателей надежности [1] АВМ (ШПВМ-250 на электровозе 2,3ЭС5К), однако внедряемые решения технологически не доработаны, и использование их в эксплуатации пока не дает существенного улучшения показателей надежности [4]. Но данное направление решения является наиболее адекватным современной науке и технике.
При рассмотрении условий работы электрических машин вспомогательного привода (табл. 3) повышенное внимание следует уделить показателям эксплуатационных условий работы: качеству
Т а б л и ц а 2
Характеристика систем АВМ отечественных электровозов
Поколение 2 3
Тип электровоза ВЛ60К, ПК ВЛ80К, Т, С ВЛ80Р, ТК, СК ВЛ85 ВЛ65, ЭП1 Э5К, 2,3ЭС5К
Привод мотор-компрессора 2хАП81-4, 2хАС81-6* 1хАЭ92-4 1хАЭ92-4 1хАНЭ225 2хАНЭ225 2хНВА22* 1хНВА55
Привод мотор-вентилятора 4хАП82-4 4хАЭ92-4 5хАЭ92-4 4хАНЭ225 4хНВА55 4хНВА55
Мотор-насос ЭЦТ-63/10 4ТТ-63/10 1ТТ63-10 ТТ63-10
Тип расщепителя фаз ЭМ НБ455 ЭМ НБ455А ЭМ НБ455А, С* ЭМ АНЭ225 С С, ЭМ НВА55С*
Суммарная мощность АВМ, кВт 383 406 486 666 333 283
Запас мощности АВМ 1,9 1,35-1,4 1,4 2,66 2,3 2,5
Примечания. ЭМ- электромашинный расщепитель; С - статический расщепитель; * - после модернизации. Данные приведены на одну секцию электровоза.
питающей электроэнергии, уровням влажности, температурных перепадов и другим [2].
Следует отметить, что на электровозах ВЛ80 и более поздних серий применяются машины специального тягового исполнения типов АЭ-92-4, АНЭ224Ь4 и НВА55, которые специально рассчитаны на эксплуатацию в условиях электроподвижного состава. В сравнении с двигателями общепромышленного применения, для них характерны открытое исполнение, улучшенные пусковые характеристики, повышенные требования к колебаниям уровня напряжения и показателей его несимметрии, несколько большая устойчивость к ударам и вибрациям, свойственным при работе ЭПС. В отличие от отечественных, в качестве АВМ электровозов зарубежного производства ха-
рактерно использование типовых энергоэффективных асинхронных двигателей, ориентированных на применение частотно-управляемого привода.
Особо в отечественной практике электровозостроения следует проследить тенденции применения современных технологий в методике построения вспомогательного привода (см. табл. 4).
Наиболее примечательным является применение традиционных методов автоматического включения и отключения пускорегулирующей аппаратуры, расщепителей фаз, автоматическая токовая защита с дистанционным возвратом. В то же время, широкий спектр существующих технических решений, таких, как встроенная температурная защита, элементы систем самодиагностики
Т а б л и ц а 3
Условия работы системы вспомогательных машин
Поколение 2 3
Тип электровоза ВЛ60К, ПК ВЛ80К, Т,С ВЛ80Р,ТК, СК ВЛ85 ВЛ65, ЭП1 Э5К, 2,3ЭС5К
Номинальное напряжение ОСН 399 В 406 В 400 В 405 В 405 В 401 В
Перепады напряжения, В 305-465 308-470 305-465 308-470 308-470 305-465
Температурный режим От -55 оС (зима) до +40 оС (лето)
Влажность До 100% относительной влажности с выпадением росы
Несимметрия напряжений, % 0,5-2,6* 2,0-5,2* 2,0-5,2* 2-13* 2-16* 2-16*
Несинусоидальность напряжения - - 1,18-1,26**
Уставка защиты 300-350 А 20-30 с 300-350 А 20-30 с 660-930 А 5-20 с 660 A 4-15 c 660 A 4-15 c 660 A 4-15 c
Класс изоляции F F F H F F
Примечания. * - в зависимости от уровня напряжения в контактной сети; ** - в зависимости от загрузки тяговой мощности.
Т а б л и ц а 4
Применение элементов автоматики и современных технологий энергосбережения_
Поколение 2 3
Тип электровоза ВЛ60К, ПК ВЛ80К, Т, С ВЛ80Р, ТК, СК ВЛ85 ВЛ65, ЭП1 Э5К, 2,3ЭС5К
Энергосберегающие технологии Дросселирование МВ - - - ПЧФ, -* ПЧФ, -*
Функции автоматического управления Пуск РФ с МВ или МК; отключение пусковых резисторов; защита от перегрузок Пуск РФ с МВ или МК; отключение пусковых конденсаторов; защита от перегрузок Отключение пусковых конденсаторов; защита от перегрузок; снижение производительности МВ; пуск и отключение пуск. дв. с МВ или МК*
Тип защиты АВМ ТРТ-121 ТРТ-141* ТРТ-151* ТРТ-121 ТРТ-136* ТРТ-151* ТРТ-121 ТРТ-141 ТРТ-151* ТРТ-121 ТРТ-141 РТТ-85* ТРТП РТТ-85
Примечания. * - после модернизации.
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
ш
и прогнозирования остаточного ресурса и других, до сих пор не внедрен в практику отечественного электровозостроения.
Электровозы серии ЭП1 и 2,3ЭС5К первоначально оснащались системами автоматического регулирования производительности вентиляторов (ПЧФ) с целью снижения энергопотребления в режиме неполной загрузки тяговых мощностей. Однако на последних модификациях этих серий принято решение отказаться от систем ПЧФ из-за сильного ухудшения показателей эксплуатационной надежности АВМ.
Показатели надежности и основные виды отказов, характерные для АВМ отечественных се-
Основные виды выхода из строя
рийных электровозов переменного тока приведены в табл. 5.
Ввиду сложного характера процессов, происходящих в конструктивных элементах и изоляции АВМ, условия работы могут оказывать комплексное воздействие. Предположительно, их взаимное воздействие различно для разных типов машин в связи с различиями в конструкции, технологии изготовления и ремонта, а также применяемых материалах. Гипотетическая связь условий внешней среды и процессов, происходящих в ней, с причинами отказа АВМ показана в табл. 6. В то же время не следует исключать неодинаковость влияния условий работы АВМ на виды их отказов,
Таблица 5
и показатели надежности АВМ
Тип электровоза ВЛ80К, Т,С ВЛ80Р ВЛ85 ВЛ65, ЭП1 Э5К, 2,3ЭС5К
Доля отказов по видам, %:
- МВЗ и пробой изоляции статора 35,2 26,75 45,1 59,69 35,2
- выплавление ротора 4,7 13,76 23,9 5,63 47,6
- отказ подшипника 44,2 46,5 24,6 20,31 11,1
- прочие 15,9 12,98 6,4 14,38 6.1
Средний показатель потока отказов, отказ/106км 3,12 5,34 8,3 4,85 7,19* 11,2
Примечания. * - Электровоз ЭП1.
Таблица 6
Связь условий работы и видов неисправностей
Нагрев ротора МВЗ Пробой изоляции Неисправность подшипника Излом вала Прочие*
Некачественные материалы конструкций и изоляции - Нарушение технологии изготовления и ремонта Увеличение момента сопротивления вплоть до заклинивания Повышенная вибрация Недостаточная конструкционная надежность
Дефекты в литье ротора Токовая перегрузка исправных стержней обмотки ротора - - Вытекание и испарение смазки вследствие нагрева ротора Пульсация момента на валу -
Повышенная вибрация опор АВМ - - Механическое трение покровной изоляции лобовых частей Разрушение сепаратора, повреждение тел качения - -
Несимметрия питающего напряжения - Ускоренное старение на перегруженных фазах Неравномерная нагрузка на опоры качения Поперечная вибрация вала -
Изменение уровня питающего напряжения Увеличение тока ротора при отклонении напряжения от номинального Ускоренное тепловое старение из-за увеличения тока статора Удар вследствие заклинивания подшипника от нарушения режима смазки из-за токового перегрева ротора -
Высокая влажность - Ускоренное старение изоляции вследствие увлажнения - - -
Наличие нечетных гармоник высшего порядка Нагрев поверхностного слоя в результате «скин-эффекта» Ударная поляризация Повышенный уровень вибрации на резонансных частотах гармоник тока - -
Примечания. * - к числу прочих отнесены: отгар фазы в выводной коробке, излом лопаток вентилятора, спрессовывание осевого вентилятора, излом шпонки крепления пакета ротора к валу, проворот пакета статора, излом подшипникового щита и другие.
согласно их расположению в кузове электровоза и назначению. Повышенный процент отказов двигателей привода компрессоров обусловлен тяжелыми режимами пуска и повышенным сопротивлением в условиях эксплуатации при низких температурах, в этом случае момент сопротивления увеличивается в 5-7 раз, в зависимости от температуры [5]. Повышенный процент отказов МВ1 охлаждения ТЭД, ВИП и СР на электровозах всех серий предположительно связан с неавтоматичностью пуска АВМ во всех режимах работы. Таким образом, первая включенная машина работает в наиболее тяжелых условиях и каждая последующая включенная машина работает в более облегченных условиях питания, а показатели надежности АВМ привода вентиляторов определяются исключительно порядком их пуска оператором ЭПС.
В заключение следует отметить, что:
1. Серьезная работа над улучшением показателей надежности АВМ вплоть до недавнего времени не велась в силу отсутствия как такового системного анализа в теории проектирования вспомогательного электропривода.
2. Совершенствование системы питания АВМ идет по пути улучшения эксплуатационных условий, в частности качества питания. Между тем, другие методы не затрагиваются (игнорируя научно-технические новшества и веяния прогресса). Основное развитие идет по пути энергосбережения и сокращения затрат при производстве и обслуживании подвижного состава в ущерб надежности.
3. На всех электровозах отечественного производства отсутствует система мониторинга и управления надежностью асинхронного вспомогательного электропривода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гирник А. С., Рапопорт О. Л.. Математическое моделирование работы трёхфазных вспомогательных электрических машин на электровозе 2ЭС5к в условиях асимметричного питания // Изв. Томского политехн. ун-та. 2009. Т. 314. № 4. С. 69-73.
2. Рапопорт О. Л., Харлов Н. Н., Волков М. В. Особенности режимов работы вспомогательных электрических машин электровозов серий ВЛ85 и 2ЭС5К // Локомотив. 2006. Вып. 11. С. 21-22.
3. Шестоперов Г. П., Арискин О. Г., Тишкин А. А., Синявский И. В.. Анализ энергетических характеристик в системах питания вспомогательных машин электровозов переменного тока серии «ЕРМАК» // Вестник ВЭлНИИ. 2011. Т. 61. С. 38-49.
4. Тишкин А.А., Курганов А.А., Калюжный А.А., Синявский И.В.. Энергосбережение в системах питания вспомогательных машин электровозов переменного тока серии «ЕРМАК» за счет внедрения ШПВМ-250-У2. // Вестник ВЭлНИИ. 2011. Т. 63. С.63-74.
5. Смирнов В.П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза. Иркутск : Изд-во ИГУ, 2003. 328 с.
УДК 621.3.019
Володарский Владислав Афанасьевич,
с. т. н., старший научный сотрудник, доцент кафедры транспортных систем, Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал ИрГУПС, тел. 8391 221 60 72, e-mail: volodarsky.vladislav@yandex.ru
ОБ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ МОДЕЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЗАМЕН В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
V.A. Volodarsky
ON THE EQUIVALENCE OF MODELS OF OPTIMIZATION OF SUBSTITUTIONS IN THE CONDITIONS OF UNCERTAINTY
Аннотация. Приведены результаты исследований экономической устойчивости и эквивалентности математических моделей оптимизации предупредительных замен в условиях неопределенности исходной информации.
Ключевые слова: математическая модель, оптимизация, замена, неопределенность, устойчивость, эквивалентность.
Abstract. Investigation results of the economic steadiness and equivalence preventive replacement
optimization mathematical model on the assumption of initial information indetermination are shown.
Keywords: mathematical model, optimization, replacement, steadiness, indetermination, equivalence.
1. Исходные положения
Исходная информация, которую реально удается собрать и подготовить для решения задачи оптимизации периодичности предупредительных
