автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Повышение ресурса тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока

На правах рукописи

Соколов Олег Олегович

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г г и:ол 2015

005570849

Москва 2015

005570849

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МНИТ)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Смирнов Валентин Петрович

Официальные оппоненты: Беспалов Виктор Яковлевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", кафедра «Электромеханики», профессор;

Степаненко Валерий Павлович, кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», кафедра «Электрификации и энергоэффективности горных предприятий», доцент.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Защита состоится «23» сентября 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru

Автореферат разослан « 29» С&_2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета РЧ/ Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время возросший пассажиропоток из-за уменьшения числа электропоездов на линии, а также интенсивное использование электрического торможения, существенно увеличивают токовую нагрузку тяговых электрических машин (ТЭМ). Опыт эксплуатации электропоездов показывает, что самовентиляция ТЭМ не обеспечивает необходимого расхода воздуха. Это приводит к интенсивному тепловому старению изоляции обмоток ТЭМ. Закрытие выходных отверстий электрической машины в зимний период эксплуатации еще больше увеличивает скорость теплового старения обмоток, что приводит к резкому снижению надежности тяговых машин электропоездов.

На электропоездах другие способы охлаждения ТЭМ, кроме самовентиляции, не используются из-за повышенного шума. Вытяжная самовентиляция представляет собой центробежный вентилятор, насаженный на вал якоря тяговой электрической машины со стороны выходных отверстий. При вращении якоря происходит выброс воздуха из машины. При этом в ТЭМ наблюдается разряжение, за счет которого и обеспечивается движение вентилирующего воздуха внутри машины от входного отверстия к выходным.

Характерной особенностью самовентиляции является то, что при пониженных скоростях движения электропоезда количество охлаждающего воздуха не велико и не обеспечивает полного удаления тепла из ТЭМ. При движении с большой скоростью происходит избыточное охлаждение тяговой машины. Это приводит к возрастанию сопротивления вращению якоря тяговой машины, и, как следствие, увеличению затрат электроэнергии. При самовентиляции снижение скорости движения электропоезда приводит к увеличению времени остывания ТЭМ.

Большое значение для эффективности вентиляции ТЭМ имеет чистота охлаждающего воздуха. Вследствие этого вентилирующий воздух засасывается через защитные решетки в крыше моторного вагона. В зимнее время года, закрытие выходных отверстий из тяговой машины приводит к скоплению пыли внутри ТЭМ. Это, а также закрытие отверстий для выхода охлаждающего воз-

духа, приводит к резкому снижению теплоотдачи и теплопроводности тяговой машины.

Отсутствие контроля увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ, после длительного нахождения электропоездов в нерабочем состоянии, а также эксплуатация моторных вагонов с отключенными тяговыми электрическими машинами нередко приводит к пробою их изоляции при вводе электропоезда или восстановленного моторного вагона в эксплуатацию.

Пониженный ресурс изоляционных конструкций является основной причиной отказов ТЭМ электропоездов постоянного тока. Таким образом, разработка новых методик, технологий и средств определения состояния изоляции тяговых машин и повышения их ресурса является актуальной задачей.

Степень разработанности задачи. В разработку конструкции тяговых электрических машин большой вклад внесли: И.Н. Богаенко, Н.В. Виноградов, А.И. Вольдек, М.Д. Глущенко, О.Д. Гольдберг, Г. Готгер, A.B. Грищенко, Я.С. Гурин, Я.Б. Данилевич, Н.П.Ермолин, Д.Д. Захарченко, И.П. Копылов,

A.Э. Кравчик, A.C. Курбасов, В.А. Кучумов, Б.Н.Минаев, М.Д. Находкин, Г.Н. Петров, H.A. Ротанов, А.Н. Савоськин, В.И. Стрекопытов и др.

Решением вопросов безотказности изоляционных конструкций тяговых машин, которые являются самыми дорогостоящими и повреждаемыми узлами ТЭМ, внесли: В.Д. Авилов, В.И. Бочаров, В.Г. Галкин, З.Г. Гиоев, И.П. Гордеев,

B.Г. Данько, В.В. Дубов, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, П.Г. Колпахчъян, A.C. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.И. Москвитин, М.А. Михеев, В.В. Овчаров, A.C. Серебряков, А.Т. Осяев, В.М. Попов, В.В. Харламов, A.M. Худоногов, И.Ф. Филиппов и др.

В диссертационной работе использованы результаты исследований всех вышеперечисленных авторов.

Целью и задачей диссертационного исследования является разработка методик и средств, для повышения ресурса тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

проанализировать состояние безотказности тяговых машин элек-

тропоездов постоянного тока Московского узла, с определением наиболее повреждаемых узлов ТЭМ;

- определить влияние эксплуатационных воздействий на повреждение изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов;

- уточнить механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов;

- усовершенствовать методику расчета старения изоляционных конструкций ТЭМ с самовентиляцией, позволяющую определить износ изоляции в зависимости от режимов и условий эксплуатации;

- разработать методику и средство контроля увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ;

- внедрить результаты исследования в производство и определить их технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- уточнен механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов постоянного тока, который обусловлен: тепловым износом изоляции, ускоряемым перегрузками, из-за неравномерности токовой нагрузки и интенсивным применением электрического торможения и снижением количества охлаждающего воздуха ТЭМ в зимний период вследствие закрытия отверстий для выхода воздуха; термомеханическим износом изоляции, из-за снижения ее упругости в зимний период; а также электрическим старением изоляции ТЭМ, включенных первыми в силовую цепь со стороны контактной сети. При аварийной эксплуатации моторных вагонов с отключенными тяговыми машинами их многопористая изоляция обильно увлажняется, как по скорости, так и по объему накопляемой влаги. Это приводит к резкому снижению электрической прочности и пробою изоляции под действием напряжения контактной сети при вводе ТЭМ в эксплуатацию;

- усовершенствована методика расчета старения изоляционных конструкций ТЭМ электропоездов, позволяющая определить скорость старения изоляции с учетом теплового, термомеханического и электрического износа;

разработано оригинальное устройство контроля объемного увлажнения изоляционных конструкций ТЭМ, позволившее своевременно выявлять тяговые машины с пониженной электрической прочностью изоляции из-за переувлажнения и предотвратить ее пробой.

Теоретическая и практическая значимость работы:

уточненный механизм процесса снижения диэлектрических свойств изоляционных конструкций ТЭМ позволяет: совершенствовать систему вентиляции тяговых машин с учетом зимних условий эксплуатации на железных дорогах России; обеспечивать выравнивание электрического воздействия на изоляцию ТЭМ, находящихся в неравных потенциальных условиях в силовой цепи; совершенствовать систему контроля теплового состояния элементов электрической машины; своевременно выявлять ТЭМ с переувлажненной изоляцией;

- разработанная автором методика статистического контроля изоляции ТЭМ дает возможность определить состояние изоляционных конструкций парка электропоездов депо;

- предложенная автором усовершенствованная методика расчета старения изоляции ТЭМ электропоездов позволяет определить тепловой режим ТЭМ при увеличении токовой нагрузки из-за интенсивного использования электрического торможения и повышения технической скорости на направлениях движения электропоездов без превышения допустимой температуры;

разработанная оригинальная методика переключения тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона позволяет существенно снизить электрическое старение ТЭМ;

усовершенствованная система вентиляции тяговых электрических машин обеспечивает необходимый уровень теплоотдачи и теплопроводности изоляционных конструкций, существенно снижая температуру перегрева обмоток;

предложенная автором система температурного контроля ТЭМ позволяет обеспечить снижение токовой нагрузки при увеличении температуры выше предельно допустимого значения;

- предлагаемая автором методика контроля объемного увлажнения изоляции ТЭМ позволяет своевременно выявить тяговые машины с пониженной электрической прочностью изоляции и исключить ее пробой.

Методы исследования. В теоретической части работы использованы следующие методы: теория планирования эксперимента, теория нагревания и охлаждения твёрдого тела, оценка технико-экономической эффективности результатов исследований. Экспериментальные исследования проводились в мо-торвагонных депо Крюково, Раменское, Перерва, Нахабино в период с 2008 по 2014 годы и заключались в измерении параметров, характеризующих состояние и режим работы тяговых машин в эксплуатации. При текущих ремонтах и технических обслуживаниях оценивалась степень увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ. Обработка и анализ полученных данных велись с использованием теории и методов математической статистики: теории оценивания; корреляционного и регрессионного анализов. Для обработки результатов эксперимента был использован программный продукт MS Excel 2010.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- уточненный механизм процесса снижения электрических свойств изоляции ТЭМ электропоездов постоянного тока позволяет разрабатывать методики и средства, обеспечивающие повышение ресурса электрических машин до необходимого уровня;

- уточненная методика расчета старения изоляции ТЭМ электропоездов с самовентиляцией с учетом: скорости движения, неравномерности токовой нагрузки, изменения схемы вентиляции;

- усовершенствованная система вентиляции ТЭМ электропоездов;

- методики, повышающие ресурс ТЭМ электропоездов: переключения тяговых машин в силовой цепи моторного вагона; контроля увлажненности изоляции;

- устройство объемного увлажнения изоляционных конструкций

ТЭМ.

Достоверность научных положений и результатов обеспечивается согласованием расчетов температуры элементов ТЭМ по предложенной методике

с тепловыми испытаниями тяговых машин электропоездов на линии. Расхождение результатов расчётов и экспериментов в эксплуатации не превышает 7 %.

Реализация результатов работы. Результаты исследований представлены в центральную дирекцию моторвагонного подвижного состава ОАО «РЖД» и рекомендованы к внедрению в моторвагонных депо страны.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения (Москва, 2011); XXII международной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира» (Нижний Новгород, 2013); республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Ташкент, 2013); заседаниях кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ) (Москва, 2010-2014).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 22 работы, в том числе три статьи в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России; получен патент на полезную модель (№148398 опубликовано 10.12.14 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, библиографического списка из 111 наименований и содержит 201 страницу основного текста, 118 рисунков и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отражена структура диссертации, характеризуется научная новизна, практическая ценность результатов исследования. В качестве объекта исследования рассматриваются ТЭМ электропоездов постоянного тока, эксплуатируемых на пригородных участках Московского региона. Предметом исследования является процесс старения изоляционных конструкций электрических машин.

В первой главе выполнен анализ причин отказов ТЭМ электропоездов. Выявлено, что на отказы тяговых машин приходится около половины от всех

отказов электропоездов Московского узла (рисунок 1), из которых более двух третьих приходится на изоляционные конструкции (рисунок 2).

пдк

■ Повреждение изоляции ДП

• Повреждение изоляции ГП

» Повреждение изоляции якорной обмотки

■ Неисправность МЯЛ

в Разбандажировка якоря & Прочее

Рисунок 1 - Распределение отказов оборудования электропоездов: ТЭМ - тяговые электрические машины; ПР - преобразователи; КП — колесные пары; ПДК - приводной двигатель компрессора; К — компрессор

Рисунок 2 - Распределение отказов ТЭМ электропоездов депо Крюково по видам неисправностей

Наибольшее число отказов приходится на изоляцию якорных обмоток и дополнительных полюсов, что обусловлено эксплуатацией электропоездов с глубоким ослаблением обмоток главных полюсов (ГП) в тяговом режиме и интенсивным применением электрического торможения (ЭТ). Выявлено значительное влияние пониженных температур окружающей среды на изоляцию якорных обмоток и дополнительных полюсов (ДП) в сравнении с обмотками главных полюсов (рисунки 3-4).

откат 106Ш

-0,00039" - 0,19189 + 8,7221 И = 0,355

0,00048" - 0.005891 - 0,13038 + 2,7547 К - 0,228

106 КМ 23

Рисунок 3 - Изменение безотказности дополнительных полюсов ТЭМ электропоездов депо Крюково в зависимости от среднемесячной температуры воздуха

Рисунок 4 - Зависимость параметра

потока отказов главных полюсов ТЭМ электропоездов депо Крюково от среднемесячной температуры воздуха

Наблюдается увеличение отказов при интенсивном применении рекуперации в летний период эксплуатации (рисунок 5) и резкий рост отказов при переходе с летней системы вентиляции на зимнюю, особенно при возрастании времени воздействия электрического торможения (рисунок 6).

_____А______— --> Дт * ч 10'

Рисунок 5 - Зависимость параметра потока отказов ТЭМ от количества возвращенной энергии при ЭТ в летний период

—хВт * ч 105

Рисунок 6 - Изменение показателя безотказности ТЭМ от количества возвращенной энергии в зимний период эксплуатации

Во второй главе приведены результаты экспериментально-статистического исследования ТЭМ электропоездов постоянного тока. Рассмотрено влияние скорости движения электропоезда на скорость обдува ТЭМ в летний (рисунок 7) и зимний (рисунок 8) периоды эксплуатации. Номинальный расход воздуха в летний период эксплуатации наблюдается при скорости около 60 км/ч. В зимний период расход воздуха ниже номинального даже при максимально допустимой скорости движения электропоезда.

м/с П Обдув якоря А 60 Н -Обдув ДП

—км/ч

м/с

А

--•Обдув якоря -— Обдув ДП

№

ш

Рисунок 7 - Изменение скорости обдува ТЭМ в зависимости от скорости движения электропоезда в летний период

Рисунок 8 - Изменение скорости обдува ТЭМ в зависимости от скорости движения электропоезда в зимний период

Установлено, что средняя скорость движения электропоезда в тяговом режиме, при которой срабатывает защита ТЭМ в зимний период, практически в

два раза меньше, чем в летний. Отмечается более чем двукратное различие токов в силовых цепях по моторным вагонам электропоезда (рисунок 9).

Выявлено существенное влияние расположения ТЭМ в силовой цепи

моторного вагона на его безотказность работы (рисунок 10). Установлено, что

при постоянном последовательном соединении тяговых электрических машин в силовой цепи моторного вагона наибольшее количество отказов имеют тяговые машины, включенные первыми в силовую цепь (рисунок 11). а г>'» б —

Рисунок 9 - Фрагмент расшифрованного картриджа РПДА поезда Москва - Тверь Ленинградского направления

Рисунок 10 - Упрощенная силовая схема ТЭМ электропоезда: а - в режиме тяги; б - электрического торможения

"Г" »2(10» гол И 2009 год ... . .¿2010 год и2Ш I год : Я2012 год

*......"аДг®

Рисунок 11 - Число отказов ТЭМ в зависимости от расположения в силовой цепи

В третьей главе представлены результаты экспериментально-теоретического исследования причин отказов ТЭМ электропоездов. Проведен расчет теплового старения изоляции якорных обмоток и дополнительных полю-

сов при летней и зимней системах вентиляции (рисунок 12).

Рисунок 12 - Схемы вентиляции ТЭМ: а - летнего периода эксплуатации; б — зимнего периода

Превышение температуры однородного твердого тела определяется из выражения

где Т - постоянная времени нагревания (остывания);

г,*, - температура перегрева якоря (дополнительного полюса).

Температуры перегревов якоря и дополнительного полюса в продолжительном режиме найдены по формулам

где ДРЯН - потери в меди обмотки при ожидаемой температуре; а — коэффициент теплоотдачи; ^из - удельная теплопроводность изоляции; р' - расчетный периметр паза якоря; ¿1 - зубцовое деление по поверхности якоря; тк - число вентиляционных каналов в сердечнике якоря; йк - диаметр вентиляционного канала; 2 - число пазов якоря; Д^ясн ~ потери в стали якоря; ¿лоб - длина лобовой части обмотки якоря; 1а - длина сердечника якоря;

Оа — диаметр якоря;

тв — среднее превышение температуры вентилируемого воздуха над температурой окружающего воздуха.

где ДРдпн — потери в меди обмотки при ожидаемой температуре; р' - расчетный периметр катушки; р - действительный периметр катушки; 1ср — средняя длина витка катушки.

Для расчета температуры перегрева изоляции тяговых электрических машин в каждом промежутке времени движения электропоезда с постоянной скоростью использовано выражение, основанное на методике В.В. Овчарова

а + к2

где а - коэффициент потерь;

к — кратность тока нагрузки;

ос — температурный коэффициент, зависящий от рода материала проводника;

тн - номинальная превышение температуры обмотки, °С.

Определены зависимости изменения постоянных времени нагревания якоря и дополнительного полюса от скорости движения электропоезда, позволяющие установить температуру и старение изоляционных конструкций ТЭМ.

Для летнего периода эксплуатации:

Ь =Т,

У

н

1 + а—ос* т (к2 — 1)

+ Дтв,

Тя = ЮОДДе-0-01"; Для зимнего периода эксплуатации: Тя = 142,34е-°'008"; где и - скорость движения электропоезда, км/ч.

Тдп = 106,48с0'00711.

Тдп= 157,76е"0-007и,

Определена температура перегрева изоляции дополнительных полюсов ТЭМ электропоездов Москва-Тверь в наиболее напряженный вечерний «час пик» в летний (рисунок 13) и зимний (рисунок 14) периоды эксплуатации.

и 10 20 311 40 50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 160 170 I -^ МИН

Рисунок 13 - Перегрев изоляции дополнительного полюса ТЭМ поезда 6720 в зависимости от начальной температуры в летний период

Рисунок 14 - Перегрев изоляции дополнительного полюса ТЭМ поезда 6720 в зависимости от начальной температуры в зимний период

Результаты расчетов и тепловых испытаний показали, что использование ТЭМ лишь в режиме тяги, без засоренности воздуховодов, не приводит к превышению предельно допустимого значения температурь! в эксплуатации. Тогда как интенсивное применение электрического торможения, особенно в

зимний период эксплуатации, вызывает перегрев изоляционных конструкций ТЭМ более чем на 20 °С (рисунки 15-16).

Рисунок 15 - Нагрев изоляции Рисунок 16 - Нагрев изоляции

якоря ТЭМ электропоезда ДП ТЭМ электропоезда

Москва-Тверь в зимний период Москва-Тверь в зимний период

Четвертая глава посвящена реализации разработок, представленных в диссертационной работе на железнодорожном транспорте. Для предотвращения перегрева изоляции тяговых электрических машин при переводе электропоездов на зимние условия эксплуатации предлагается изменение схемы вентиляции их ТЭМ (рисунок 17).

- Место установки вентилятора для охлаждения ТЭМ-

=и и=0=В=В=В=В в=в=в=в=в=оо=

т-г—-—

^ Подвижный трубопровод / от выходных отверстий ТЭМ

Рисунок 17 - Изменение схемы вентиляции ТЭМ в зимний период

В измененной схеме вентиляции для отвода горячего воздуха из тяговой электрической машины на верхние выходные отверстия предлагается устанавливать гибкие (гофрированные) трубы или специальные открывающиеся во время движения заслонки, а также применения систем температурного контроля (СТК). Это обеспечивает своевременное ограничение токовой нагрузки ТЭМ с информированием об этом локомотивной бригады. При превышении допустимой температуры изоляции

76Л 7Ы> ?ЛН N¡01

Рисунок 18 - Схема системы температурного контроля

одной ТЭМ моторного вагона СТК производит отключение электрического торможения на данном вагоне с последующим его замещением пневматическим.

На рисунке 18 приведена упрощенная схема температурного контроля ТЭМ элек-

тропоезда с использованием в качестве исполнительного устройства УВТЗ-5М.

В схеме: RK1-RK4 - позисторы; SB1-SB2 - кнопки с контактами управления; КН1 - контактор, включаемый при неисправности СТК; Т-34 - трансформатор возбуждения; КМ1 - магнитный пускатель; 76А, 76Б, 76В - фазы питания трансформатора возбуждения; N - нейтраль (нулевой провод в цепи электропоезда).

Для выравнивания скорости электрического старения изоляции ТЭМ, находящихся в неравных потенциальных условиях в силовой цепи моторного вагона предлагается периодически изменять схему расположения тяговых электрических машин в силовой цепи при проведении текущих ремонтов в объеме ТР-3, путем перестановки ТЭМ местами или изменения силовой схемы моторного вагона по предложенному алгоритму.

Использование метода «емкость-время» позволяет получить достоверные данные об объемном увлажнении (электрической прочности) изоляции тяговых электрических машин электропоезда. Наиболее полная информация об увлажненности изоляционных конструкций ТЭМ, позволяющая достоверно определить время восстановления (сушки) изоляции, обеспечивается измерением величин поверхностного и объемного увлажнений, приведенных к температуре 20 °С при минимальной разнице во времени (рисунок 19).

Рисунок 19 - Схема контроля увлажненности изоляции ТЭМ моторного вагона

Усовершенствована методика определения скорости износа изоляции якоря и дополнительного полюса с учетом их конструкции, схемы включения в

силовую цепь, изменения схемы вентиляции в летний и зимний периоды, а также вариаций расхода вентилирующего воздуха ТЭМ при разных скоростях движения. Расчет износа изоляции, согласно этой методики, выполняется по выражению

я, = Г' з)Л , кс * Л

Л>

где кс - коэффициент, учитывающий расположение ТЭМ в силовой цепи моторного вагона (таблица 1); кр - коэффициент, учитывающий применение электрического торможения и изменение схемы вентиляции ТЭМ (таблица 2); В -постоянный коэффициент, В = 12700 К; 0Н - абсолютная температура, 0н = 428 К; 9 - температура окружающего воздуха; т, - среднее превышение температуры обмотки над температурой вентилирующего воздуха; Дтв/ - среднее превышение температуры вентилирующего воздуха над температурой окружающего воздуха на /-том элементе профиля пути.

Таблица 1 - Значения коэффициента кс

№№ Расположение ТЭМ в цепи моторного вагона по отношению к контактной сети

Первый Второй Третий Четвертый

Значение кс 1,31 1,15 0,99 0,87

Таблица 2 - Значения коэффициента кр

Значение кр Количество рекуперируемой энергии ТЭМ одного электропоезда в двенадцативагонном исполнении за одни месяц, кВт'ч*105

от 0 до 0,5 от 0,5 до 1,2 от 1,2 до 1,8 от 1,8 до 2,4 2,4 и более

Летний период эксплуатации 1,0 1,07 1,10 1,15 1,21

Зимний период эксплуатации 1,42 1,52 1,63 1,85 1,98

В пятой главе представлены результаты расчета экономической эффективности от внедрения системы температурного контроля, как наиболее затратного, трудоемкого и длительно окупаемого предложения. Расчет показал, что затраты при установке СТК на электропоезд в двенадцати вагонном исполнении составляют 119,2 тыс. руб. Срок окупаемости - два года, а чисто дисконтированный доход за десять лет эксплуатации равен 576,7 тыс. руб.

Результаты исследований повышения ресурса ТЭМ электропоездов постоянного тока одобрены центральной дирекцией моторвагонного подвижного состава ОАО «РЖД» и рекомендованы к внедрению в моторвагонных депо страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результаты анализа надежности электропоездов постоянного тока Московского узла показывают, что на тяговые электрические машины приходится около половины отказов. Две третьих отказов ТЭМ обусловлено повреждением изоляционных конструкций. Большое количество повреждений изоляции ТЭМ электропоездов постоянного тока вызвано снижением механической и электрической прочности из-за электрического, теплового и термомеханического старения с последующим резким понижением пробивного напряжения при переувлажнении.

2. Рекомендована методика определения интенсивности электрического старения изоляции ТЭМ, основанная на анализах потенциальных условий работы и отказов электрических машин, включенных в последовательную цепь. Электрическое старение изоляции тяговых машин, включенных первыми со стороны контактной сети, обусловлено воздействием сильных электрических полей, вызывающих локальные пробои ослабленных участков изоляции. Интенсивность электрического старения изоляции уменьшается по мере снижения напряжения, воздействующего на изоляцию тяговой машины, включенной в последовательную цепь в тяге (числитель) и рекуперации (знаменатель): 1-я ТЭМ 3,0/4,5 кВ; 2-я ТЭМ 2,25/3,38 кВ; - 3-я ТЭМ 1,5/2,25 кВ;

4-я ТЭМ 0,75/1,02 кВ. Количество пробоев изоляции электрических машин соответственно соотносится: 1-я ТЭМ - 1,0; 2-я ТЭМ - 0,78; 3-я ТЭМ - 0,68; 4-я ТЭМ - 0,62.

3. Разработана методика расчета старения изоляции тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока, с учетом теплового износа изоляции, ускоряемого перегрузками, из-за неравномерности токовой нагрузки, интенсивного применения электрического торможения и снижения количества охлаждающего воздуха ТЭМ в зимний период, вследствие закрытия выходных отверстий; термомеханического износа изоляции, из-за снижения ее упругости в зимний период; а также электрического износа изоляции ТЭМ в зависимости от очередности включения в последовательную силовую цепь по отношению к контактной сети.

4. Выявлено, что переход с летней системы вентиляции ТЭМ на зимнюю вызывает рост отказов тяговых машин более чем в 1,4 раза. В летний период эксплуатации при наибольшем возврате электроэнергии в контактную сеть наблюдается увеличение отказов на 21 % по сравнению с работой без рекуперации. В зимний период эксплуатации, при наибольшем возврате электроэнергии в контактную сеть, отмечается рост отказов ТЭМ в 1,9 раза больше, чем в тяговом режиме.

5. Усовершенствована методика контроля состояния изоляции тяговых машин в эксплуатации, с учетом влияния температуры, относительной и абсолютной влажности окружающего воздуха. Механизм старения изоляции в зимний период эксплуатации вызван ее хрупкостью из-за резкого снижения влаги в окружающей среде. Переувлажнение изоляции ТЭМ с резким снижением электрической прочности наблюдается при продолжительной аварийной эксплуатации моторных вагонов с отключенными тяговыми машинами, а также длительном нахождении электропоездов (моторных вагонов) в нерабочем состоянии.

6. Для повышения ресурса ТЭМ электропоездов постоянного тока необходимы: перестановка тяговых машин по месту расположения в силовой цепи при проведении ТР-3 по алгоритмам, позволяющим выровнять скорости

электрического старения изоляции с общим уменьшением отказов ТЭМ парка электропоездов депо; ввод системы температурного контроля, обеспечивающий выявление перегретых обмоток ТЭМ и установление причин их перегрева (недостаток охлаждающего воздуха из-за нарушений в системе вентиляции, существенные различия токов ТЭМ между секциями) с возможностью ограничения токовой нагрузки; обеспечение в зимний период эксплуатации необходимого расхода воздуха ТЭМ внедрением схемы вентиляции с выходом охлаждающего воздуха по гибким трубам и через заглушки, открывающиеся при вращении вентиляторных колес ТЭМ; контроль величины увлажненности (электрической прочности) изоляции с последующей калориферной или токовой сушкой переувлажненных ТЭМ перед вводом в эксплуатацию моторных вагонов с отключенными ТЭМ и (или) находящихся продолжительное время в нерабочем состоянии.

7. Предложены технология и устройство контроля увлажненности изоляции ТЭМ электропоездов постоянного тока с применением современной техники. Внедрение результатов диссертационной работы позволяет повысить ресурс тяговых машин электропоездов на 30-40 % за счет снижения количества отказов изоляции обмоток ТЭМ с годовым экономическим эффектом более 178 тысяч рублей на один электропоезд.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

а) в гаданиях рекомендованных ВАК

1. Соколов, О.О. Исследование температурно-влажностного режима эксплуатации тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока [Текст] / О.О. Соколов // Наука и техника транспорта. - 2014. - № 4. - С. 57-64.

2, Смирнов, В.П. Экспериментально-статистическое исследование надежности тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока [Текст] / В.П. Смирнов, О.О. Соколов // Наука и техника транспорта. - 2014. -№4.-С. 33^10.

3. Попов, Ю.И. Исследование процесса снижения электрической прочности изоляции тяговых электрических машин локомотивов, эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях [Текст] / Ю.И. Попов, О.О. Соколов // Наука и техника транспорта. - 2015. - № 2. - С. 89-97.

б) патент

4. Патент на полезную модель №148398 Российской Федерации. Устройство для измерения увлажненности изоляции тяговых электродвигателей [Текст] / Ю.И. Попов, A.C. Куренков, В.А. Мельников, О.О. Соколов, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский, В.В. Лексаков // Заявитель и патентообладатель ОАО «РЖД». - № 2014132720/28; заявл. 08.08.2014; опубл. 10.12.2014, Бюл. - № 34.

в) в других изданиях

5. Соколов, О.О. Надежность тяговых электрических машин электропоездов постоянного тока Московского узла [Текст] / О.О. Соколов,

A.C. Космодамианский, Ю.И. Попов, В.П. Смирнов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. - 2014. - С. 115-119.

6. Соколов, О.О. Влияние токовой нагрузки на надежность ТЭМ электропоездов постоянного тока Московского узла [Текст] / О.О. Соколов, Д.Н. Хомченко, A.C. Куренков, A.C. Космодамианский // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. - С. 119-123.

7. Иванов, В.Н. Уточнение механизма пробоя изоляции открытых лобовых соединений якорных обмоток тяговых электрических машин [Текст] /

B.Н. Иванов, Ю.И. Попов, A.C. Куренков, О.О. Соколов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта. - 2014. - С. 96-98.

8. Попов, Ю.И. Результаты анализа системы контроля состояния изоляции силового электрооборудования [Текст] / Ю.И. Попов, A.C. Куренков, О.О. Соколов, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов // Межву-

зовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. — С. 105-107.

9. Попов, Ю.И. Расчет теплового старения изоляции тяговых электродвигателей электровозов [Текст] / Ю.И.Попов, A.C. Куренков, О.О.Соколов,

B.П. Смирнов, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов // Вопросы электротехнологии. - 2014. - №1. - С. 82-86.

10. Куренков, A.C. Определение интенсивности теплового старения изоляции приводного вентилятора электровоза [Текст] / A.C. Куренков, Ю.И. Попов, О.О. Соколов, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский,

C.И. Баташов // Вопросы электротехнологии. - 2014. - №1. - С. 78-82.

11. Попов, Ю.И. Особенности возникновения круговых огней на коллекторах ТЭМ электровозов [Текст] / Ю.И. Попов, О.О. Соколов, A.C. Куренков, Д.Н. Хомченко. // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. - С. 102-105.

12. Иванов, В.Н. Восстановление изоляции ТЭД локомотивов с использованием инфракрасного излучения [Текст] / В.Н. Иванов, Ю.И. Попов, A.C. Куренков, О.О. Соколов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. - С. 89-92.

13. Иванов, В.Н. Математическая модель кинетики нагревания пропитанной изоляции в технологии восстановления OJIC [Текст] / В.Н. Иванов, Ю.И. Попов, A.C. Куренков, О.О. Соколов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. - С. 92-96.

14. Попов, Ю.И. Вероятность возникновения кругового огня на электровозах BJ185 [Текст] / Ю.И. Попов, О.О. Соколов, A.C. Куренков, A.C. Космодамианский // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». -2014. - С. 107-111.

15. Куренков, A.C. Надежность вспомогательных электрических машин переменного тока [Текст] / A.C. Куренков, О.О. Соколов, Ю.И. Попов, С.И. Баташов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. — С. 98-102.

16. Попов, Ю.И. Влияние затягивания меди на надежность ТЭД [Текст] / Ю.И. Попов, О.О. Соколов, A.C. Куренков, С.И. Баташов. // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2014. — С. 111-115.

17. Соколов, О.О. Методика статистического контроля состояния изоляции ТЭД электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.А. Мельников, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2013. - С. 57-61.

18. Соколов, О.О. Пути обеспечения требуемого уровня надежности тяговых двигателей электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.А. Мельников, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2013. — С. 61-64.

19. Соколов, О.О. Влияние вентиляции на надежность тяговых двигателей электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.А. Мельников, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов, В.П. Смирнов // Материалы XXII научной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира». - 2013. - С. 68-71.

20. Соколов, О.О. Тепловой режим дополнительных полюсов тяговых двигателей электропоезда ЭТ2М [Текст] / О.О. Соколов, В.А. Мельников, A.C. Космодамианский, С.И. Баташов, В.П. Смирнов // Материалы XXII научной конференции «Актуальные проблемы естествознания и образования в условиях современного мира». - 2013. — С. 64-68.

21. Соколов, О.О. Надежность тяговых двигателей электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.А. Мельников, В.П. Смирнов, A.C. Космодамианский,

С.И. Баташов // Межвузовский сборник научных трудов «Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта». - 2013. -С. 55-57.

22. Соколов, О.О. Влияние интенсивности вентиляции на безотказность двигателей электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.П. Смирнов, С.И. Баташов // Научные труды республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» - 2013. - С. 29-31.

23. Соколов, О.О. Надежность дополнительных полюсов двигателей электропоездов [Текст] / О.О. Соколов, В.И. Попов, A.C. Космодамианский // Научные труды республиканской научно-технической конференции с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». - 2013. - С. 60-63.

Соколов Олег Олегович

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать ¿5,06/5 Формат 60x90/16 Тираж 80 экз.

Усл. печ. л. 1,5 Заказ № ¿¿6

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр.9