автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надёжности асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов переменного тока

На правах рукописи

ИВАНОВ Павел Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 АПР 2015

005566596

ИРКУТСК 2015

005566596

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ))».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ХУДОНОГОВ Анатолий Михайлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

СМИРНОВ Валентин Петрович - профессор кафедры «Тяговый подвижной состав» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС)»;

кандидат технических наук, доцент

ПОПОВ Денис Игоревич - доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ФГБОУ В ПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (ПГУПС)».

Защита диссертации состоится 22 мая 2015 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения и на сайте университета http://www.omgups.ru/diss/sovet/ivanov.html.

Автореферат разослан 21 марта 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел/факс: (3812) 31-13-44; e-mail: d218.007.01@mail.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

© Иркутский гос. университет путей сообщения, 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Широкое распространение электровозов переменного тока на сети железных дорог России определяет актуальность работ, направленных на повышение надежности асинхронных вспомогательных машин электроподвижного состава (АВМ ЭПС). Особая роль АВМ связана с обеспечением работоспособности электровоза. При выходе из строя одного мотор-вентилятора электровоза серии «Ермак» автоматически отключается два тяговых двигателя либо функция рекуперативного торможения, а при выходе из строя одного мотор-компрессора страдает система пневматических тормозов, от которой напрямую зависит безопасность движения поезда. Актуальность научно-технической задачи по повышению эксплуатационной надёжности АВМ подтверждается фактами убытков, связанных с заменой двигателя, сбоями графиков движения поездов и нерациональностью использования ресурса изоляции при отправке на плановый капитальный ремонт двигателя с нормальной изоляцией.

Анализ надёжности оборудования магистральных электровозов переменного тока ВСЖД за последние годы показывает, что на долю отказов АВМ приходится от 16 до 21% повреждений. Из них 67% приходится на изоляцию обмоток статора, 22% связаны с выплавлением или обрывом стержней ротора, 11% вызваны прочими причинами (в основном, с подшипниковым узлом). Математическое ожидание наработки на отказ составило 27-104 км, что на 32 % меньше срока первого ТР-3 и в 2,75 раза меньше ресурса, заложенного производителем, при этом в эксплуатации отказало 20% всех АВМ локомотивного парка данных электровозов. Одним из определяющих факторов, воздействующих на старение изоляции, является скорость нагревания изоляции АВМ, т. е. быстрое изменение температуры обмоток до предельно допустимых значений ограниченных классом нагревостойкости. Пагубно влияют на состояние изоляции случаи нагрева с переходом через 0°С, что характерно для эксплуатации локомотивов по «северному ходу» на Восточно-Сибирской железной дороге. Морозы на участках эксплуатации достигают -55°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. При прохождении электровозами в зимний период искусственных сооружений перепады температур достигают более 60°С. Аналогичное положение наблюдается и на других железных дорогах Восточного полигона.

Повышение эксплуатационной надёжности АВМ ЭПС согласуется со стратегическими направлениями инновационного развития железнодорожного

3

транспорта, представленными в Белой книге ОАО «РЖД» в пункте 5.3.1 в части повышения эффективности локомотивного парка путём минимизации перерывов и ограничений в движении и снижения числа отказов технических средств, а создание системы мониторинга состояния АВМ согласуется со стратегическими направлениями в п. 5.4 в части создания систем технической диагностики с повышенной достоверностью обнаружения дефектов и прогнозирующих диагностических систем на основе принципиально новых способов выявления дефектов подвижного состава на ходу поезда.

Степень разработанности проблемы. Среди работ по анализу эксплуатационной надёжности АВМ электровозов переменного тока следует отметить труды таких учёных, как Астраханцев JI. А., Бочаров В. И., Гирника А. С., Горин Н. Н., Зеленченко А. П., Козорезов М. А., Маханьков Л. В., Мирошниченко Р. И., Некрасов О. А., Орленко А. И., Рапопорта О. JL, Рябчёнок Н. Л., Смирнов В. П., Шевченко В. В., Щербаков В. Г., Янов В. П. и других исследователей.

Вопросам исследования эксплуатационной надежности и диагностики, а также мониторинга состояния асинхронных двигателей в других отраслях промышленности посвящены работы таких ученых, как Бабичев С. А., Ведяш-кин Н. В., Воробьев В. Е., Гольдберг О. Д., Кононенко А. И., Кузнецов Н. Л., Кулаковский В. Б., Кучер В. Я., Львов Ю. Н, Марьин С. С., Минаков В. Ф., Мина-кова Т. Е., Назарычев А. Н., Овчаров В. В., Пустохайлов С. К., Савельев В. А., Серебряков А. С., Таджибаев А. И., Хомутов О. И., Хренников А. 10. и др.

Рассмотрен зарубежный опыт: работы в части мониторинга температуры общепромышленных асинхронных двигателей вели В. Venkataraman, В. Godsey, W. Premerlani, Е. Shulman, M.Thalcur, R. Midence.

Вопрос повышения эксплуатационной надёжности АВМ магистральных электровозов переменного тока является широко проработанным многими учёными, однако создание прогнозирующих диагностических систем на ходу поезда имеет некоторые области потенциального развития. Например, в направлении разработки бортовой системы мониторинга состояния изоляции магистральных электровозов, учитывающей её старение от комплексного действия тяжёлых пусковых перегрузок при колеблющихся значениях питающего напряжения и коэффициентов несимметрии напряжения и токов, теплового старения, влияния окружающей среды и вибрации.

Целью диссертационной работы является разработка методов и технических средств мониторинга состояния изоляции обмоток асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов переменного тока для обеспечения их эксплуатационной надёжности.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

]. Усовершенствовать математическую модель теплового старения изоляции АВМ ЭПС с учетом особенностей их эксплуатации.

2. Разработать методику определения остаточного ресурса изоляции АВМ ЭПС, позволяющую учитывать нестандартные режимы работы двигателя, ведущие к ускоренному старению изоляции.

3. Составить конечно-элементную модель нагревания АВМ электровоза серии «Ермак» типа НВА-55 для определения локального перегрева изоляции в зависимости от изменения тока в различных режимах работы.

4. Предложить алгоритм функционирования бортовой системы мониторинга состояния изоляции АВМ магистральных электровозов переменного тока.

5. Создать программно-технический комплекс бортовой системы мониторинга состояния изоляции АВМ магистральных электровозов переменного тока.

Объект исследования асинхронные вспомогательные машины магистральных электровозов переменного тока.

Предмет исследования эксплуатационная надежность асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов переменного тока.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были применены методы математического моделирования электромеханических систем и их элементов с использованием основных положений теории электрических цепей, использованы математический аппарат теории вероятностей, математической статистики и теория теплового старения изоляции, предложенная Вант Гоффом и Аррениусом.

Количественная оценка показателей, характеризующих работу системы асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов, выполнена с использованием имитационного моделирования в программном комплексе MathCad.

Моделирование процесса нагрева изоляции в коммутационных режимах производилось посредством нагружения конечно-элементной модели в среде MSC Sinda с использованием расчётчика MSC Mark.

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории мини-депо ИрГУПСа «Асинхронные вспомогательные машины ЭПС», спроектированной и смонтированной с целью проведения исследований по проблеме повышения надёжности АВМ. Лаборатория оснащена типовыми системами питания АВМ, применяемыми на современных магистральных электровозах переменного тока.

Научная новизна:

1. Предложена математическая модель теплового старения изоляции асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов с учётом пусков разной длительности, несимметричного износа изоляции по фазам и режимов перегрузки путём токового интегрирования.

2. Усовершенствована методика определения остаточного ресурса изоляции асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов в части ведения непрерывного учёта разрушающих факторов и получения значения остаточного ресурса в режиме реального времени.

3. Составлена конечно-элементная математическая модель нагрева изоляции обмотки статора АВМ магистральных электровозов от действия пускового тока, подтверждающая наличие локального перегрева изоляции, находящейся вблизи медной обмотки, в процессе длительных пусков.

4. Разработаны методика и алгоритм сбора данных для уточнения уравнения регрессии остаточного ресурса изоляции по параметру вибрации АВМ в период эксплуатации бортовой системы мониторинга.

Практическая значимость:

1. Усовершенствованная математическая модель теплового старения изоляции и предложенная методика определения остаточного срока службы позволяют определять остаточный ресурс АВМ с учетом условий их эксплуатации.

2. Созданная конечно-элементная математическая модель нагрева изоляции обмотки статора АВМ позволяет вычислять температуру в любой точке паза в случае кратковременных токовых перегрузок для определения теплового износа при изменяющемся значении тока двигателя.

3. Предложенный алгоритм функционирования и разработанная бортовая система мониторинга состояния изоляции АВМ магистральных электровозов переменного тока позволяют приступить к конструированию счётчиков ресурса изоляции и установки их непосредственно на АВМ электровоза с целью предупреждения отказов в эксплуатации или полной выработки ресурса изоляции без привязки к сроку планового капитального ремонта.

Реализация результатов работы

Результаты исследований переданы для внедрения на предприятиях ООО «ТМХ-Сервис» в филиалах «Нижнеудинский» и «Братский» обслуживающих локомотивный парк железных дорог Восточного полигона.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательском работе кафедры «Электроподвижной состав» Иркутского государственного университета путей сообщения в рамках изучения

дисциплин «Бесколлекторный привод ЭПС» и «Основы электропривода технологических установок».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математическая модель теплового старения изоляции АВМ ЭПС, усовершенствованная в части определения её износа путём токового интегрирования.

2. Методика определения остаточного ресурса АВМ ЭПС, позволяющая учитывать износ вследствие нестандартных режимов работы двигателя, ведущих к ускоренному старению изоляции.

3. Конечно-элементная математическая модель изоляции обмотки статора АВМ типа НВ А-55, используемая для определения нагрева в зависимости от тока.

4. Методика и алгоритм сбора данных предназначенные для уточнения уравнения регрессии остаточного ресурса изоляции по параметру вибрации АВМ в период эксплуатации бортовой системы мониторинга.

Достоверность научных положений и результатов диссертации обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. При проверке сходимости усовершенствованной математической модели с экспериментальными данными расхождение полученных результатов не превысило 10 %.

Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на всероссийских и международных научно-технических конференциях: 3-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. ИрГУПС «Проблемы транспорта Восточной Сибири», (Иркутск, 2012); 3-й всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012); 72-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ПГУПС «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы - Неделя науки 2012» (Санкт-Петербург, 2012), 73-й ежегодной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ПГУПС «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы -Неделя науки 2012» (Санкт-Петербург, 2013); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных ИрГУПС с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012-2013 п\); 9-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии», посвященной 110-летию со дня рождения М.Ф. Карасёва и 70-летию со дня образования кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (Омск, 2013); заседании кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС (Санкт-Петербург, 2013); расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав»

ИрГУПС (Иркутск, 2014); расширенном заседании кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (Омск, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, включая три статьи в периодических журналах, рекомендованных ВАК, получен патент РФ на изобретение.

Личный вклад соискателя. Автор непосредственно участвовал в качестве исполнителя на всех этапах проведения исследований, включая формулировку цели и постановку задач диссертации, математическое моделирование, создание представленных в работе методик, конечно-элементное моделирование, создание экспериментальных установок, проектирование и создание системы мониторинга, получение и обработку экспериментальных данных.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Объём диссертации составляет 179 страниц основного текста, включая 80 рисунков и список использованных источников из 134 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы, показана ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость диссертации, связанная с совершенствованием методов контроля и оценки технического состояния АВМ. Прогнозирование остаточного ресурса позволит принимать решения по предупредительному ремонту, снизить количество отказов АВМ в работе, сократить при этом затраты от простоя локомотива, а также на срочный вывод неисправного электровоза с линии для захода на внеплановый ТР.

В первой главе произведён анализ надёжности, основанный на обработке статистики отказов АВМ электровозов серии «Ермак», эксплуатирующихся на ВСЖД. Из проведённого анализа видно, что в целом надёжность АВМ низкая; основными выходящими из строя узлами являются статор по причине пробоя изоляции, ротор по причине выплавления стержней и неисправность подшипников, причём процентные соотношения данных групп отказов изменяются от года к году. Наиболее подвержены повреждениям двигатели мотор-компрессора (МК), первого мотор-вентилятора (МВ1) и фазорасщепителя (ФР).

Анализ наработок на отказ АВМ за различные периоды времени не выявил наличия универсального закона распределения. В период с 2006 по 2009 годы распределение наработок на отказ близко к экспоненциальному закону, в

2010 году к нормальному а в 2011 к -/-распределению. Корреляция законов распределения с массивом случайной величины наработки на отказ составляет 70-85%, а в 2012 и 2013 гг. распределения наработок на отказ имеют формы не коррелирующие с известными законами, что говорит о сложности эффективного применения планово-предупредительной системы ремонта для оптимизационного увеличения долговечности машин.

Рассмотрены эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД.

При анализе работ в направлении исследования условий эксплуатации АВМ выяснилось, что двигатели работают в сложнейших условиях. Особое влияние на их работу оказывает низкое качество электрической энергии, как следствие искажений от воздействия выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП), нестабильного уровня напряжения в контактной сети (КС), и несовершенство системы фазорасщепления, вызывающей флуктуации коэффициентов несимметрии напряжения и тока.

Наряду с этим работа АВМ осложняется климатическими условиями, вызывающими увеличение момента сопротивления МК при низкой температуре, ухудшение условий охлаждения АВМ при высокой температуре, а также флуктуации увлажнённости изоляции.

Все перечисленные эксплуатационные условия имеют нестабильный характер воздействия на надёжность АВМ, изнашивая каждую машину в разной степени. Это подтверждает и статистика отказов: некоторые машины, работая в определённых благоприятных условиях, имеют большую наработку на отказ, а другие попадают в сложные эксплуатационные условия, которые ведут к ускоренному сокращению их ресурса.

Произведенная систематизация факторов, воздействующих на изоляцию АВМ, позволила выделить два основных фактора её старения: перегревы и вибрация, и один фактор, повышающий вероятность отказа независимо от степени старения изоляции, - увлажнённость (рисунок 1). Минимизировать воздействие увлажнённости изоляции предлагается при помощи нового трехциклового амплитудно-широтно-прерывного метода сушки изоляции, что позволит учитывать в основном два фактора старения изоляции, которые будут определять её ресурс.

Рис. 1. Систематизация разрушающих факторов, снижающих надёжность изоляции АВМ электровозов переменного тока

Произведён обзор методов мониторинга надёжности и долговечности асинхронных электродвигателей и прогнозирования остаточного ресурса изоляции как лимитирующего элемента в конструкции АВМ в части применения: статистических методов для прогнозирования; существующих законов старения изоляции; взаимосвязи образования микротрещин на поверхности изоляционного материала в процессе теплового старения и электрической прочности, применения теории нечётких множеств для определения суммарного износа изоляции от одновременного воздействия нескольких разрушающих факторов различного уровня.

В результате обзора работ проводимых в данном направлении, были сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование уравнения регрессии ресурса изоляции от действия комплекса факторов, позволяющее определять остаточный ресурс изоляции /?(/) в реальном времени в зависимости от уровня воздействующих на неё разрушающих факторов:

Л (t) = Я„ом - к1(т) • к2 ■... ■ k¡ -1, (1)

где k¡ - угловой коэффициент уравнения регрессии, определяющий скорость старения изоляции при определённом уровне разрушающего фактора, например, температуры.

В случае с тепловым старением угловой коэффициент можно найти при помощи уравнения Вант Гоффа - Аррениуса:

Зона повышенной t. вероятности отказа АВМ

-ÍV Дт.

— ^ном ' ®

i "ном

(2) (3)

Рис. 2. Процесс старения изоляции четырёх АВМ с различной историей старения

Данный коэффициент рассчитывается для каждой итерации, таким образом, при помощи численных методов производится расчёт сокращения ресурса (рисунок 2).

В процессе обработки экспериментальных данных выяснено, что наибольшее воздействие на сокращение срока службы изоляции оказывает превышение предельно допустимой температуры эксплуатации изоляции, а причиной усиления теплового износа являются частые пуски и вибронагрузкн.

Во время пусков обмотки АВМ переносят воздействие пусковых токов большого значения. Если рассматривать двигатель как единое целое, то данные токи не приводят к существенному нагреву всего двигателя, однако более точное моделирование тепловых процессов показывает наличие перегрева непосредственно изоляции. Таким образом, сделан вывод о том, что во время пуска изоляция подвергается локальному перегреву, который приводит к её ускоренному старению.

В третьей главе осуществлено математическое моделирование пуска двигателя в среде Mathcad (рисунок 3). Впервые предложен токо-интеграционный метод определения перегрева изоляции АВМ (рисунок 4, выражение 4), выведена математическая модель нагревания изоляции с учётом конструктивных особенностей обмотки АВМ разработана конечно-элементная модель нагрева изоляции от действия пусковых токов » среде MSC Patran и MSC Mark (рисунок 5), предложена методика и математическая модель построения закономерности вибрационного старения по хронологии вибронагружения, представленные выражением 6 и на рисунке 6.

На основании уравнения движения привода для вентиляторной нагрузки и полученных математических зависимостей было произведено разложение момента сопротивления вращению двигателя в период пуска на составляющие и рассмотрена динамика их изменения (рисунок 3).

Такое рассмотрение процесса пуска позволяет сделать вывод о том, что бросок пускового тока возникает в обмотках статора и ротора преимущественно вследствие преодоления момента инерции механизма. Таким образом, можно использовать данную математическую модель при определении локального перегрева

! 1

изоляции в процессе пуска. Для определения энергии, действующей на обмотки АВМ от протекания в них тока, т.е. потерь в меди, при условии того, что действующее его значение постоянно изменяется, например, в коммутационных режимах или в моменты колебаний напряжения в КС, предложено использовать методы численного интегрирования, а для определения температуры предложена математическая модель, представленная выражением (4) и рисунком 4.

TKf = Tcoi • I 1 - е т I (4)

где г™ - температура длительного режима при величине потерь расчётной итерации; г„, - температура обмотки на начало ¡-той итерации.

Всё это влияет на математическую модель выделяемой обмотками статора тепловой энергии вследствие потерь в меди, используемой при моделировании нагрева изоляции. Формула, учитывающая деление фазного тока в обмотках и

Мраб, Мве,„

Mena,

\ К.аан =/(") M„añ=f(n)

\/

/ /

' Ken=f(n)

/ \

Mm=f(t)<Mt>^ с; -к.

"111

п,

об/мин

Рис. 3. Зависимость моментов сопротивления от частоты вращения ротора в процессе пуска

г. °С.

Tod 3' Ч-З W

тк2.тнЗ

W тк1.тн2

bill

Постоянная система координат / ^^Переменная сис-/ тема координату

r.t. f¡. i т, t

L--

Г / /

01 kl ti о2 tja t2 o¡ > toi i

I. С

Рис. 4. Модель изменения закона нагревания обмоток при ступенчатом изменении токовой нагрузки изменение сопротивления обмоток от схемы через число пар полюсов р, представлена выражением:

Q = гТпуск £40^20. (j + ам(т(/) _ 20°С)) • dt.

(5)

В главе также представлено моделирование нагрева изоляции от действия пусковых токов из различных состояний в среде MSC Patran и MSC Mark.

Результаты конечно-элементного моделирования нагревания пазовой части АВМ, вычисленного с учётом действия пускового тока, представлены на рисунке 5 в виде зависимостей изменения температуры медной обмотки и изоляции.

о

150

а СГ

2- юо

си с

а>

1- 50 0

Температура меди

III |

Температура изоляции

б)

|Л Я Ш Ш Ш Ш "р « ¥

' Шйй^шаэй

50

100 Время, с

а)

150 180

ЩИ

5

1118

ЩШщ |Й||

В)

Температура меди в центре паза

Температура меди на внешнем витке

15

30

Время, с

45

е)

Рис.5. Результаты конечно-элементного моделирования: а - нагрев в течение 18 секунд и охлаждение в течение 162 секунд; б - изменение температурного поля сечения паза статорной обмотки двигателя ИВА-55 на 1=0,1 с; в-1=0,бс; г-1=3с;д-1=120с; е-скачок температуры в процессе пуска длительностью 1,5 с и дальнейший нагрев

V,

м/с'

м! м-,

Ш

А// &1,

Отказ

- М] 1,4

Рис. 6. Кривая изменения вибронагружения от времени в период эксплуатации двигателя

Так как старение изоляции в значительной степени зависит от воздействия вибрации, а законов вибростарения, которые можно применять для выполнения поставленной задачи, нет, нами были предложены методика и алгоритм сбора данных для уточнения уравнения регрессии остаточного ресурса изоляции

по параметру вибрации, путём составления математической модели, в виде системы уравнений (6), построенной на основе экспериментальных данных (рисунок 6), решением которой является функция, приведенная на рисунке 7.

VW1 • Atn + f\X)2 ■ дt12 + /'(х)з • At13 + .;./'(*), ■ Д£1( = sB„6pl f\x\ ■ At2i + f'(x)2 ■ M22 + /'GO3 . At23 + .../'W. . Д£г. = 5вибр2 ■ rw, • Д£31 + /'CO2 ■ ДС32 + /'С*)з • At33 + -rw, ■ At3i = 5ви6р3, (6)

I /'W, • Д£а + /'(x)2 • At¡2 + /'(*)3 ■ Дti3 + .../'(x), • дс,, = SBl(6pi

где/'(*), - скорость старения изоляции от вибрационного воздействия на определённом интервале его уровня; At, = At/ + At,2 + - + At/ - сумма временных промежутков, на протяжении которых двигатель подвергался вибрации, уровень которой попадает в определённый /-й интервал; SouSp- ресурс, невырабо -танный двигателем до нормативного /(х),. значения по причине воздействия виб- м/с2 рации; х - ресурс изоляции, также можно обозначить как R.

В четвёртой главе предложены методика, алгоритм и программно-технический комплекс бортовой системы мониторинга состояния изоляции ABM, а также представлены результаты экспериментальных исследований (рисунок 8).

Произведено физическое моделирование обмотки собственных нужд тягового трансформатора электровоза переменного тока в лабораторных условиях (рисунок 9). При моделировании было учтено, что АВМ включаются в однофазную сеть с электромашинным фазо-расщепителем.

Такое включение существенно влияет на нагревание машины в процессе пуска, о чём свидетельствуют результаты экспериментальных исследований Рис. 8. Оборудование бортовой си-(рисунок 10). стемы мониторинга состояния изоля-

Помимо величины пускового тока ции АВМ

./(х) = а, х

Х/(х) =

_ ^7 (х) = а, х /(X) = Ch X

a j х

/(х) = сц х

Рис. 7. Построение закономерности старения изоляции от воздействия вибрации по экспериментальным данным

производит расчет изоляции и, соответ-

на нагревание влияет наличие несимметрии напряжения. Для фиксации быстро-протекающих коммутационных процессов и последующего вычисления нагрева по предложенным в главе 3 математическим моделям нами была разработана и создана система мониторинга, представленная на рисунке 8, на котором цифрами обозначены следующие элементы: 1 - токовые трансформаторы; 2 - тумблер подключения микроконтроллера к двигателю, 3 - световой индикатор положения тумблера, 4 - экранированный корпус. Ток посредством токовых трансформаторов снимается с силовых проводов двигателя, преобразуется в напряжение аналогичной формы, которое понижается и выпрямляется для подачи на вход микроконтроллера. Микроконтроллер Atmega328, в свою очередь, записывает поступающие сигналы тока и напряженя в постоянную память, другой микро-

_._ П----1

СЭ=Г1|\ | контроллер

' Блокирсекщ нагревания

I naptiA RR}(

¿rzrL — i ственно, ее износа.

При оборудовании АВМ электровозов системами мониторинга все элементы и блоки предполагается размещать в клеммной коробке двигателя, что не потребует дополнительного пространства в машинном отделении и обеспечит их сохранность.

На рисунке 10 представлены записанные в память системы мониторинга осциллограммы в разные моменты времени пуска двигателя. Помимо определения энергии, вызывающей локальные перегревы, данная система позволяет выявить изменение качества электрической энергии в переходных режимах.

По полученным осциллограммам было рассчитано, что в процессе пуска АВМ при питании от однофазной сети несимметрия напряжения в момент старта достигает 50%, что ведёт к снижению вращающего момента, увеличению нагрева и вибрации. В течение всего времени пуска, который длится примерно 1,5 секунды, несимметрия постепенно снижается до 3%.

Рис. 9. Схема силового оборудования экспериментальной установки для исследования систем питания АВМ магистральных электровозов

1/11 i л 1000 800 600 400 200

/а 'в 'с • '■»ЛП "ВС " :'WCA ■

i\ I/л V4

^¿z

0.01 0,02 0,03 0.04 I. С

а)

II в '.А

400

300 250

¿UU

200 150

inn 100

ЬО

П

0

Цдв__!iuc "са

/7

/лД/^" \ Ду

А. Л А/7-х;

0,01

0,02

0,03 /.с

Рис. 10. Осциллограммы линейных напряжений и фазных токов АВМ: а - момент пуска t=0,1 ..0,13 е.; б - установившийся режим t=l,519..1,532 с.

Можно сделать вывод о неравномерности теплового износа фаз, так как пусковые токи в отдельных фазах отличаются в 1,5 раза (примерно на 400 А), а в установившемся режиме работы в два раза (примерно на 50 А), нагревание по фазам отличается в два раза, скорость износа в случае перегрева отличается в четыре раза.

Полученные результаты подчёркивают актуальность применения мониторинга состояния при определении остаточного ресурса изоляции АВМ, так как в эксплуатационных условиях величина пусковых и рабочих токов и напряжений часто меняется, что приводит к различным ситуациям старения изоляции, фиксация которых возможна только посредством предложенной системы.

В результате моделирования аварийного режима короткого замыкания, длительность которого по технической документации может достигать 18 секунд, было вычислено, что за время токовых перегрузок и охлаждения, которое в сумме составляет 3 минуты, ресурс изоляции сократился на 33 ресурсных минуты, т.е. ускорился в 11 раз.

Применение бортовых систем мониторинга позволит снизить простои на внеплановом ремонте электровозов на 15% за счёт снижения отказов в эксплуатации и увеличить среднюю наработку Рнс ,, Блок.схема бортово^системы на отказ на 9% за счёт количественно мо„„ТОринга состояния изоляции АВМ

обоснованного перемещения АВМ ..„„„„ „„

' магистральных электровозов

между вспомогательными механизмами

ГТТ"

электропоза по время текущего ремонта в зависимости от остаточного ресурса изоляции и тяжести эксплуатации на конкретных механизмах.

Математическая модель системы мониторинга, представленная основными выражениями 7-10, интегрирована в алгоритм, представленный на рисунках 12 и 13. Остаточный ресурс фазы Л:

£• Дг-кДк)

-ьг!

-т-I

\ <001/

-Т1п(1

ГкЛ1 <*'

а)

/. л

г, С

I

тЛк| ТсоА/

1-е"

/. с

^Лм! ~~ ТооЛ1

(7)

(8)

(9)

б) ^ Т,1

Ьч

в)

Л £•

= ■ (1 + «мСтЛк - 20°С)) ■ г ,(10)

Г'1 то

где длительность итерации; /л,--ток фазы А в /'-той итерации: Ат- теплоотдача фазы; ТЛи1- температура па начало итерации; Т- постоянная времени нагрева.

В пятой главе произведено обоснование экономического эффекта от внедрения бортовой системы мониторинга состояния изоляции АВМ на ВСЖД.

Рассматривалось внедрение данной системы па все электровозы серии

I. с

Рис. 12 Механизм обработки математическим аппаратом бортовой

системы мониторинга входного сигнала: а - Интегрирование токовой кривой; б - вычисление температуры обмотки; в - расчёт остаточного ресурса изоляции

«Ермак» локомотивного парка депо Вихо-ревка при этом рассчитаны сметная стоимость оборудования, дополнительные эксплуатационные расходы и экономический эффект от перехода па систему ремонта АВМ по фактическому состоянию.

С учетом оптимизации использования ресурса изоляции и снижения затрат от внезапных отказов в эксплуатации, рассчитан ожидаемый экономический эффект, при внедрении бортовой систем мониторинга па 500 электровозов

серий 2ЭС5К и ЗЭС5К приписки депо Вихоревка, ожидаемая годовая экономия составит примерно 27,976 миллионов рублей, а срок окупаемости 1,92 года.

Г

J

| tsmillis 1

X

ЧИл).

Тл.,* f(U = f0 к* U

"Яд,,

* f(lA*Jr

fi.Wfr.J

С

; R^>Rk; >--

--— - . нет 44

—I Фаза Л I-

Фаза С \—

конец j

Рис.13 Алгоритм функционирования бортовой системы мониторинга состояния изоляции АВМ магистральных электровозов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В ходе написания диссертационной работы были решены все поставленные задачи:

1. Усовершенствована математическая модель определения остаточного ресурса изоляции АВМ, позволяющая учитывать влияния пусков разной длительности и тяжести, несимметричного износа изоляции по фазам и режимов перегрузки как теплового старения путём токового интегрирования.

2. Разработана методика определения остаточного ресурса изоляции обмоток АВМ, учитывающая условия и режим их работы на тяговом подвижном составе.

3. Создана конечно-элементная модель нагрева изоляции АВМ с помощью пакетов MSC Mark и MSC Patran, на основании которой получены данные, подтверждающие локальный перегрев изоляции в пусковых режимах, а также то, что наибольшее тепловое старение приходится на межвитковую изоляцию, далее по убыванию степени теплового нагружения идёт межфазная изоляция и пазовая изоляция.

4. Предложен алгоритм функционирования бортовой системы мониторинга состояния изоляции АВМ магистральных электровозов переменного тока, учитывающий старение вследствие перегревов, действия пусковых токов и неравномерности нагрузки по фазам, а так же предложены методика и алгоритм сбора данных для уточнения уравнения регрессии остаточного ресурса изоляции по параметру вибрации, позволяющие снижать погрешность системы мониторинга в эксплуатации.

5. Экспериментальная проверка предложенной математической модели в теоретической части диссертации показала достаточно высокую сходимость, подтверждающую её адекватность. Расхождения по результатам исследований не превышают 10%.

6. Создан программно-технический комплекс бортовой системы мониторинга состояния изоляции позволяющий осуществлять определение её ресурса, принятый к поэтапному внедрению на предприятии ООО «ТМХ-Сервис» в филиале «Братский» - сервисное локомотивное депо Вихоревка и в филиале «Нижнеудин-ский».

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. В ы ж и м о в а В. Ы. Системный подход к анализу надёжности асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока / В. Н. В ы ж и м о в а, П. Ю. И в а н о в, Н. Н. Г а р е в // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование./ Иркутский гос. ун-т. Иркутск. 2013 № 3 (39). С. 60 - 64.

2. Иванов П.Ю. Контроль качества эксплуатации асинхронных вспомогательных машин электровозов / П. Ю. И в а н о в , А. М. X у д о н о г о в // Вестник ИрГГУ / Иркутский гос. техн. ун-т. Иркутск. 2013. № 4. С. 106 - 110.

3. Г а р е в Н. Н. Анализ надежности асинхронных вспомогательных машин при различных системах фазорасщепления / Н. Н. Г а р е в, П Ю. И в а н о в и др. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. академия водного транспорта. Новосибирск. 2012 № 1. С. 348 - 351.

4. И в а н о в П. Ю. Методы повышения надёжности и прогнозирования остаточного ресурса изоляции АВМ электровозов переменного тока / ШО. Иванов // Проблемы транспорта Восточной Сибири: Сб. тр. 3-й Всерос. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск. 2013. Ч. 1. С. 66 - 70.

5. Иванов П. Ю. Анализ факторов, влияющих на надёжность и прогнозирование остаточного ресурса изоляции АВМ электровозов переменного тока/ Н. Н. Г а р е в , П. Ю. И в а н о в // Проблемы транспорта Восточной Сибири: Сб. тр. 3-й Всерос. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск. 2013. Ч. 1.С. 60-66.

6. Г а р е в Н. Н. Разработка лабораторного комплекса для исследования показателей качества электроэнергии в цепях питания асинхронных вспомогательных машин электровозов / П. Ю. И в а н о в, Н. Н. Г а р е в // Проблемы транспорта

Восточной Сибири: Сб. тр. 3-й Вссрос. пауч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск. 2013. Ч. 1. С. 75 - 80.

7. И па по л П. Ю. Мониторинг надёжности асинхронных вспомогательных машин электровозов серии «Ермак» / Г1. 10. И на п о пП Транспорт: Проблемы, идеи, перспективы (Неделя пауки - 2013). Материалы I.XXIII нсерос. пауч,-техн. копф./ПГУПС. СПб. 2013.С. 55-57.

8. И в а нов П. 10. Анализ факторов влияющих па надёжность вспомогательных машин электровозов переменного тока и прогнозирование остаточного ресурса изоляции / П. Ю. Иванов //Транспорт: Проблемы, идеи, перспективы (Педеля науки - 2012). Материалы 1.ХХ11 всерос. иауч.-техп. конф. / ПГ'УПС. С116. 2012. С. 30-42.

9. Л ы т к н и а Е. М. Особенности эксплуатации асинхронных вспомогательных машин па электровозах переменного тока и их влияние па надежность работы вспомогательного электропривода / Е. М. Л ы т к и па, 11. 10. И в а п о в и др. // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы 3-й всерос. науч.-практ. конф. с международным участием / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск. 2012. Т. 2. С. 517-524.

10. И па и о н II. Ю. Совершенствование методов непрерывного контроля и прогнозирования долговечности изоляции асинхронных вспомогательных машин / Иванов II. Ю. // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы 9-й междунар. пауч.-техм. конф. / Омский гос. ун- т путей сообщения. Омск. 2013. С. 187 - 197.

11. М а к а р о и , В. 13. Проектирование и создание лаборатории «Надежность и долговечность тяговых электрических машин» / В. В. М а к а р о в , Г1. 1С). И в а -и о н и др. // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы 9-й междунар. науч.-техн., конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск. 2013. С. 225 - 231.

12. 11ат. 2494517 Российская Федерация, МГЖ 51 Н 02 К 15/12. Трёхцикло-вой амплитудпо-широтио-прерыппый способ сушки изоляции электрических машин / В. В. Сидоров, Е. М. Лыткииа, Д. В. Коно вален ко, А. М. X уд о и о го в . II. 11. Га реп, Е. Ю. Д у л ь с к и й , II. Ю. И паи о в ; заявитель н патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения -№ 201 1150204/07; заявл. 09.12.201 1; опубл. 27.09.2013. Нюл. № 27. - 5 с.

Гипография ОмГУПСа. 2015. Тираж 100 экз. Заказ 151 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

-0.О-