Автореферат (Повышение ресурса тяговых электрических машин электровозов эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях)

На правах рукописиПопов Юрий ИвановичПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСАТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНЭЛЕКТРОВОЗОВ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЛОЖНЫХПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ05.09.01 – Электромеханика и электрические аппаратыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква 2018Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский государственныйуниверситет путей сообщения Императора Николая II» МГУПС (МИИТ)Научный руководитель:доктор технических наук, доцентСмирнов Валентин ПетровичОфициальные оппоненты: Беспалов Виктор Яковлевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ», кафедра «Электромеханики, электрических иэлектронных аппаратов», профессор;Степаненко Валерий Павлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра «Энергетики и энергоэффективности горной промышленности», доцент.Ведущая организация:федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственныйуниверситет путей сообщения»;Защита состоится «25» октября 2018 г.

в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский университет транспорта (МИИТ)» по адресу: 127994,Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайтеРУТ (МИИТ), www.miit.ruАвтореферат разослан «___» сентября 2018 г.Учёный секретарьГречишников Виктордиссертационного советаАлександрович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. Направление развития локомотивного комплекса задано Стратегией развития холдинга ОАО РЖД до 2030 года, основной задачей которой является переход на качественно новый уровень оказания услуг прижелезнодорожных перевозках грузов и пассажиров. Характерно, что на УралоСибирском и Восточном полигонах наиболее часто отмечаются нарушения ритмичности движения поездов.

Это во многом объясняется сложными природноклиматическими условиями (СПКУ) в данных регионах страны.Тяговые электрические машины (ТЭМ) локомотивов, эксплуатируемых наполигонах железных с СПКУ, имеют недостаточную надежность. На изоляциюприходится от половины до двух третьих отказов ТЭМ. Ежегодно, более чем в4 000 ТЭМ локомотивов ОАО «РЖД» наблюдаются пробои изоляции из-за переувлажнения. Значительная часть этих отказов приходится на ТЭМ электровозов,работающих на направлениях железных дорог с СПКУ. ТЭМ электровозов с СПКУимеют повышенную токовую нагрузку из-за превышения допустимой разницыдиаметров бандажей колесных пар и уменьшенных магнитных потоков главныхполюсов, что в наибольшей степени отражается на безотказности их изоляции.

Неэффективная система вентиляции ТЭМ приводит к локальным перегревам изоляции. Интенсивный тепловой износ дополняется термомеханическим, который вызван увеличенными колебаниями температуры обмоток при вождении поездов повышенной массы и эксплуатацией электровозов при низкой температуре окружающей среды, когда из-за уменьшения влаги в воздухе снижается упругость изоляции. Тепловой и термомеханический износ изоляции якорей дополняется механическим, который обусловлен повышенными колебаниями лобовых соединенийякорных обмоток в местах их выхода из сердечников, вызванными интенсивным ипродолжительным боксованием колесных пар. Механический износ изоляции обмоток остова вызван перемещениями катушек полюсов по сердечникам при ослабления клинового крепления из-за повышения вибраций ТЭМ от пути в зимний период эксплуатации.Интенсивный комплексный износ способствует ускоренному старению изоляции с появлением в ней многочисленных пор и капилляров.

Интенсивное переувлажнение состарившейся изоляции наиболее перегруженных ТЭМ при продолжительном нахождении электровозов в отстое, характерном для полигонов железных дорог с СПКУ, приводит к ее пробою. Отсутствие объективных средств и тех-3нологий контроля переувлажнения изоляции не позволяет своевременно выявитьпредаварийные ТЭМ и восстановить их работоспособность.Степень разработанности проблемы.

Исследованию безотказности ТЭМтягового подвижного состава железных дорог, совершенствованию систем технического диагностирования и ремонта постоянно уделялось значительное внимание.Большой вклад в изучение этих проблем внесли: А.Е. Алексеев, И.Н.

Богаенко,В.И. Бочаров,А.А. Зарифьян,А.С. Курбасов,Г.В. Василенко,И.И. Галиев,Д.Д. Захарченко,А.Л. Курочка,З.Г. Гиоев,А.Б. Иоффе,В.А. Кучумов,М.Д. Глущенко,И.П. Исаев,В.И. Киселев,М.Д. Находкин,Н.А. Ротанов,А.Н. Савоськин, И.В. Скогорев, В.П. Феоктистов, В.А. Четвергов, В.Г. Щербаков,В.П. Янов и другие исследователи.Значительный вклад в решение вопросов безотказности изоляционных конструкций наиболее «слабого» узла ТЭМ внесли: В.Д. Авилов, В.Г. Галкин,И.П. Гордеев,Г.Б. Дурандин,А.С. Космодамианский,Ш.К.

Исмаилов,Е.Ю. Логинова,М.Ф. Карасев,А.Т. Осяев,В.И. Карташев,А.С. Серебряков,В.П. Смирнов, Н.Д. Сухопрудский, В.В. Харламов, А.М. Худоногов и многие другие.Целью диссертационной работы является повышение ресурса тяговыхэлектрических машин электровозов, эксплуатируемых в сложных природноклиматических условиях за счет реализации систем управления температурновлажностным режимом работы изоляции.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:проведен анализ безотказности ТЭМ электровозов, работающих всложных природно-климатических условиях Транссибирской магистрали;определено влияние эксплуатационных и природно-климатическихфакторов на безотказность изоляционных конструкции ТЭМ электровозов, эксплуатируемых на полигонах железных дорог с СПКУ;уточнен механизм старения изоляции ТЭМ электровозов, полигоновжелезных дорог с СПКУ;обоснован процесс снижения электрической прочности изоляции ТЭМэлектровозов, эксплуатируемых в СПКУ;разработаны методики и средства обеспечения необходимого темпера-турно-влажностного режима эксплуатации изоляции ТЭМ электровозов полигоновжелезных дорог с СПКУ;4определена экономическая эффективность от внедрения методик исредств обеспечения необходимого температурно-влажностного режима работыизоляции ТЭМ электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах с СПКУ.Объектом исследования является ТЭМ электровозов, эксплуатируемых нанаправления железных дорог с СПКУ, а также методы и средства, обеспечивающиенеобходимый температурно-влажностный режим работы их изоляции.Методы исследования.

Для теоретических исследований применялись теория нагревания и охлаждения твердого тела, методы и теории тепло-массообмена.Экспериментальные исследования проводились в локомотивных депо Иланская иАбакан Красноярской железной дороги, Нижнеудинск, Иркутск-Сортировочный,Улан-Удэ, Вихоревка Восточно-Сибирской железной дороги, СеверобайкальскБайкало-Амурской железной дороги, Чита Забайкальской железной дороги, в депои ремонтном предприятии Михайловского горно-обогатительного комбината(ГОК), на Улан-Удэнском электровозовагоноремонтном заводе (УЛВРЗ) в период с2000 по 2010 год и заключались в измерении параметров, характеризующих состояние и режим работы ТЭМ.

Данные об отказах были использованы из ежемесячных, ежеквартальных и годовых отчетов локомотивных депо, данные о пробегахэлектровозов взяты в группах учета пробега локомотивов. При текущих ремонтах итехнических обслуживаниях в локомотивных депо, а также средних и капитальныхремонтах на УЛВРЗ определялась увлажненность изоляционных конструкцийТЭМ. Обработка и анализ полученных данных велись с использованием теорий иметодов математической статистики: теории оценивания, корреляционного и регрессионного анализов.

Часть данных о режимах и параметрах работы ТЭМ электровозов, эксплуатируемых в СПКУ, получены с использованием программногообеспечения «КОРТЭС», а также программы автоматизированной системы управления локомотивами АСУТ-Т. Расчет параметров потоков отказов выполнялся сиспользованием программы расчета «однофакторный корреляционный анализ»,приведенной в комплекте программ Microsoft Excel.Научная новизна работы заключается в следующем:разработан комплекс мероприятий повышения ресурса ТЭМ электро-возов, эксплуатируемых на направлениях железных дорог с СПКУ, путем непрерывного контроля температуры и периодического контроля влажности изоляцииобмоток с поддержанием необходимой температуры, исключающей переувлажнение изоляции при длительном нахождении электровоза в ожидании работы;5выявлено, что в условиях эксплуатации электровозов на полигонах сСПКУ основным диагностическим параметром, характеризующим тепловой процесс ТЭМ, является температура, а процесс изменения электрической прочностиизоляции ТЭМ - величина ее увлажненности;получены корреляционные связи влияния эксплуатационных и при-родно-климатических факторов на безотказность ТЭМ электровозов, полигоновжелезных дорог с СПКУ, которые позволяют установить степень и характер влияния факторов на безотказность ТЭМ и их изоляции;уточнен механизм и установлены причины ухудшения электрическихи механических характеристик (ЭМХ) изоляции ТЭМ, электровозов, работающихна направлениях железных дорог с СПКУ, который обусловлен ускоренным тепловым износом;установлен механизм и причины ухудшения ЭМХ изоляции ТЭМ,электровозов полигонов с СПКУ, вследствие термомеханического износа;уточнен механизм снижения электрической прочности изоляции ТЭМиз-за переувлажнения при продолжительном нахождении электровоза в отстое;разработаны методики и средства контроля температуры, увлажненно-сти изоляции ТЭМ, поддержания температуры ТЭМ электровозов при длительномнахождении в отстое на уровне, исключающем переувлажнение изоляции.Практическая значимость работы:получены зависимости интенсивности износа изоляционных кон-струкций ТЭМ электровозов, эксплуатируемых в СПКУ, от: величины токовойнагрузки; напряжения на зажимах ТЭМ; колебаний температуры обмоток; вертикальных вибраций от пути; изменения упругости изоляции, обусловленного содержанием влаги в воздухе при изменении температуры окружающей среды; продолжительности отстоя электровозов, что позволяет прогнозировать и планироватьсрок их службы, разрабатывать эффективные мероприятия по предупреждению отказов, определять оптимальные массу составов и скорость движения на участках инаправлениях с СПКУ, устанавливать эффективные нормы расходов материалов;предложен уточненный механизм процесса ухудшения ЭМХ изоляцииТЭМ, позволивший совершенствовать систему вентиляции тяговых машин электровозов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, конструкцию соединений лобовых обмоток, систему контроля температуры элементов ТЭМ, разработать болееработоспособные элементы крепления остовных обмоток, а также своевременно6выявлять ТЭМ с переувлажненной изоляцией и восстанавливать их работоспособность;полученные при выполнении исследования ежегодные зависимости отметеорологических факторов среднемесячных параметров потоков отказов изоляции ТЭМ, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, позволяют определять состояние изоляции тяговых электрических машин электровозов разных видов движения(грузовое, подталкивающее, вывозное) приписного парка отдельно взятого депо.Это дает возможность проводить мероприятия, обеспечивающие требуемые параметры потоков отказов ТЭМ, электровозов полигонов с СПКУ;использование предлагаемого устройства для измерения увлажненно-сти изоляции тяговых электрических машин позволяет выполнять объективныйконтроль качества сушки (степени увлажненности изоляции ТЭМ) перед и послепропиток компаундами или пропиточными лаками при ТР-3, СР и КР, что существенно повышает качество пропиток и, соответственно, ресурс ТЭМ, электровозовполигонов с СПКУ;выявлена идентичность зависимостей от метеорологических факторовсреднемесячных показателей безотказности изоляции классов нагревостойкости«В», «F», «H» ТЭМ электровозов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, чтопозволяет при знании рассматриваемых зависимостей для одного класса нагревостойкости изоляции использовать их для определения состояния изоляции ТЭМдругих классов нагревостойкости;разработаны методики управления температурно-влажностным режи-мом работы ТЭМ электровозов, эксплуатируемых в СПКУ:а)непрерывного контроля температуры, позволяющего снизить токовуюнагрузку или отключить ТЭМ при повышении температуры выше допустимогозначения из-за повышенной токовой нагрузки, снижения интенсивности вентиляции, ухудшения теплопроводности изоляции вследствие потери пропиточным компаундом (лаком) диэлектрических свойств при некачественной пропитке, недостаточной теплоотдаче с поверхности загрязненных обмоток;б)комплексного контроля увлажненности ТЭМ, электровозов полигоновс СПКУ, определяющего степень увлажненности изоляции ТЭМ с представлениемрезультатов измерения увлажненности изоляции и рекомендаций о режиме сушкина мониторе и принтере;7в)подогрева обмоток ТЭМ, электровозов полигонов с СПКУ, от выпря-мительных установок возбуждения во время длительного отстоя, позволяющегоизбежать переувлажнение изоляции и последующий ее пробой.Основные положения диссертации, выносимые на защиту:комплекс мероприятий, направленных на повышение ресурса ТЭМэлектровозов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, путем непрерывного контроля температуры, периодического контроля влажности изоляции обмоток и поддержания необходимой температуры, исключающей переувлажнение изоляции обмоток ТЭМ при длительном отстое электровозов;корреляционные связи влияния природно-климатических и эксплуата-ционных факторов на безотказность ТЭМ и изоляционных конструкций тяговыхэлектрических машин электровозов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, позволяющие установить степень и характер влияния факторов на безотказность тяговых электрических машин и их изоляции;механизм старения изоляционных конструкций ТЭМ электровозов,эксплуатируемых на полигонах с СПКУ;механизм снижения электрической прочности изоляции ТЭМ электро-возов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ из-за переувлажнения во время длительного ожидания работы;методики и средства обеспечения необходимого температурно-влажностного режима изоляции ТЭМ электровозов, эксплуатируемых на полигонах с СПКУ.Обоснованность и достоверность результатов, выводов и рекомендаций,сформулированных в диссертации, базируется на корректно использованных методах теорий нагревания и охлаждения твердого тела и тепло – массообмена, расчетных соотношениях, характеризующихся удовлетворительными совпадениями срезультатами экспериментальных исследований ОмГУПСа, ИрГУПСа, Уральскогофилиала АО ВНИИЖТ.Реализация результатов работы.