Анализ причин возникновения параметрических отказов электрических систем локомотивов

86

Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1

УДК 629.42

В. В. Стрекопытов, С. В. Бобринский

АНАЛИЗ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОТКАЗОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЛОКОМОТИВОВ

Рассматривается проблема параметрической надежности электрических систем локомотивов. Произведен анализ причин возникновения параметрических отказов и их влияния на надёжность и экономичность работы систем локомотивов.

параметрическая надёжность, электрическая система локомотива, допуски на элементы.

Введение

Профессор И. П. Исаев в своих трудах отмечал, что создать надежный тяговый подвижной состав (его системы и агрегаты) можно только в том случае, если бороться не с последствиями повреждений, а прежде всего с причиной, вызвавшей нарушение нормальной работы локомотива. Борьба с последствиями повреждений не может являться эффективным средством, так как остаются неустраненными причины повреждений и сохраняется вероятность их неоднократного повторного воздействия [1].

1 Причины возникновения параметрических отказов

Выделяем несколько основных категорий причин возникновения параметрических отказов электрических схем локомотивов.

1. Первая категория - конструктивные причины, связанные с особенностями конструкции и функционирования, компоновки, месторасположения и крепления основных аппаратов (элементов) электрической системы локомотива.

Данные причины оказывают на надежность элементов и узлов электрической системы наиболее сильное и определяющее влияние.

Устранение причин данной категории является наиболее известным способом повышения параметрической надежности локомотива, так как выбор характеристик применяемых материалов, комплектующих изделий и составных частей, схемных и конструктивных решений при проектировании, отработанность технологии производства, эффективность контрольных операций при изготовлении и приемке готовой продукции определяют основные характеристики элементов и узлов электрической системы локомотива [2].

ISSN 1815-588 X

Proceeding of Petersburg State Transport University

2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения

87

Однако несмотря на соблюдение разработанных нормативно-технических документов в процессе проектирования и изготовления в реальных условиях работы локомотивов наблюдаются отказы и повреждения. Так у тепловозов примерно 60 % отказов связано с элементами энергетической цепи: дизелем, тяговыми электрическими двигателями, элементами тягового привода колесных пар. Причины заключаются в разбросе физических и прочностных свойств материалов, нестабильности и неидентичности технологических процессов производства [3], слабым контролем качества изделий в процессе изготовления (несоблюдением требований конструкторской и технологической документации), применением некондиционных материалов и элементов.

Например, значения параметров однотипных элементов одного номинала, как правило, уже имеют первоначальный разброс, обусловленный флуктуациями сырья и технологического процесса при изготовлении этих элементов. Проводимая отбраковка элементов не дает гарантии, что тщательно подогнанные параметры не будут постепенно изменяться в процессе эксплуатации.

Теоретически параметрические отказы, вызванные конструктивными и технологическими недоработками оборудования и самой схемы, могут быть изжиты с течением времени, так как выявление этих причин происходит в процессе эксплуатации и по мере накопления определенной статистики по данному виду отказа должно учитываться при создании новых конструкций, а также при условии повышения до необходимого уровня культуры проектирования, производства и контроля.

2. Вторая категория - эксплуатационные причины, которые сильно зависят от действующих внешних факторов (повышенной вибрации, нагрева элементов электрических машин и аппаратов, электромагнитных и электростатических полей, акустического шума, механических ударов и др.); климатических условий (низких и высоких температур окружающего воздуха, повышенного и пониженного атмосферного давления, влажности воздуха, статической и динамической пыли, соляного морского тумана, агрессивных сред (аммиак, озон, двуокись азота, сероводород, сернистый газ), а также воздействия насекомых и плесневых грибов); дефектов ремонта (некачественной настройки, неквалифицированного ухода за оборудованием в период эксплуатации, невыполнения существующих правил и технологий ремонта) [4].

Процесс потери системой работоспособности при взаимодействии со средой может рассматриваться как система автоматического регулирования с обратными связями [5]. Так, процесс изнашивания не только изменяет точность работы аппаратов локомотива, но и влияет на рост динамических нагрузок, которые интенсифицируют этот процесс. В результате происходит постепенное изменение параметров локомотивных систем во времени, запас надежности падает, а вероятность отказа возрастает.

Proceeding of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X

88

Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1

Тяговые электрические двигатели (ТЭД) локомотива во время эксплуатации подвержены большим динамическим нагрузкам и вибрации. Увеличение амплитуды ускорений двигателя от 0 g до 15 g оказывает большое влияние не только на механическую прочность его узлов, но и на происходящие в нем электромагнитные процессы. На 40% увеличивается неравномерность распределения тока между одноименными щеткодержателями. Поэтому плотность тока, протекающего через щетку, на 20-40% превышает допустимое значение для продолжительного режима. Кроме того, увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению на несколько классов интенсивности искрения под щетками. Износ щеток и коллекторов при этом увеличится примерно в 1,5 раза [6].

На величину циклической прочности межкатушечных соединений ТЭД сильное влияние оказывают величина тока и условия охлаждения двигателей. Это объясняется тем, что нагрев, связанный с величиной тока, определяет уровень термических напряжений межкатушечного соединения и степень асимметрии цикла вибронагружения, влияющего на предел усталостной прочности исследуемого соединения. Вибрация колесной пары оказывает существенное влияние на коммутацию двигателя, механическую устойчивость щеточного аппарата, стабильность воздушного зазора между полюсом и якорем, разброс температур нагрева обмоток, уровень динамических напряжений, возникающих в элементах конструкции двигателя [3], что негативно отражается на работе электрической системы локомотива в целом.

Результаты испытания выпрямительной установки ВЛ80т при совместном действии изменяющейся электрической нагрузки и вибрации показали, что если в момент начала испытаний вероятность безотказной работы группы вентилей составляла 0,984, то после совместного действия причин второй категории в течение времени, эквивалентного 4 10 циклам, она снизилась до 0,896. Наиболее интенсивное снижение от 0,984 до 0,913 произошло в начальный период испытания от 0 до 110 циклов приложения нагрузки. Во время проведения испытаний на виброустойчивость выпрямительно-инверторного преобразователя ВЛ80т разброс значений коэффициента динамики элементов, входящих в один блок формирования импульсов, показал необходимость модернизации конструкции узлов крепления элементов к панелям блоков. В течение испытаний выпрямительноинверторного преобразователя ВИП2-2200М на вибропрочность в объеме 20 106 часов было зафиксировано 27 повреждений, из которых 9 классифицировались как отказы. При проведении испытаний блока управления выпрямительно-инверторным преобразователем ВЛ80т была установлена низкая параметрическая надежность блока БФУ-151 по стабильности задаваемых углов регулирования. При снижении температуры окружающего воздуха ниже 20°С наблюдалось изменение углов регулирования, задавае-

ISSN 1815-588 X

Proceeding of Petersburg State Transport University

2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения

89

мых блоком БФУ-151, более чем в 1,6 раза по сравнению с их номинальными значениями [5].

Сильное влияние на уровень надежности электрической системы и ее элементов оказывают климатические условия (75-80% всех отказов в большинстве регионов государства происходит в зимнее время, когда температура окружающего воздуха опускается ниже нуля).

3. Третья категория - широкие допуски на параметры электрической системы (ее элементов, входящих в энергетическую систему) и их возможные отклонения в процессе эксплуатации.

В настоящее время требования к допускам на элементы энергетической системы с ростом мощности локомотивных аппаратов не ужесточаются, а делаются все более свободными. На заводах четко не устанавливаются и не регламентируются те основные параметры локомотивных систем, набор которых полностью определяет надежность тягового подвижного состава.

Произвольно назначаются допуски на внешнюю характеристику генератора тепловоза, например, для 2ТЭ10Л и 2ТЭ116 максимальная мощность определяется с допуском ±20 кВт, что не может быть выполнено даже при применении при регулировке генератора электроизмерительных приборов класса 0,5. Еще более произвольно задаются условия для получения этого допуска для тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ116, который может быть получен в диапазоне токов 3000...4230 А. Диапазон изменения тока составляет более 30%, причем требуется получить величину в 1,1%, то есть в 27 раз меньшую.

Для электрических аппаратов тепловоза допуски на напряжение составляют: генераторов мощностью менее 100 кВт ±10%, главных генераторов ±5%.

Правила ремонта предусматривают еще более широкие пределы, так после заводского ремонта ±8%, а после деповского ±10%. Хотя в ряде случаев даже эти допуски не могут быть обеспечены, так как существующие генераторы (МПТ 99/47А) уже только за счет явления гистерезиса имеют отклонение напряжения ~ 5,5 %.

Можно отметить значительную допускаемую нестабильность напряжения источников питания системы регулирования. Согласно инструкции по реостатным испытаниям тепловоза 2ТЭ10Л, напряжение трансформатора, подаваемое на питание амплистата возбуждения, должно быть 60±2 В, что составляет погрешность ±3,34%; на ТПН 30±2 В или 6,7%; на ТПТ 70±2 В или 2,86%; на индуктивный датчик 9±1 В или 11,2%. Допускаемые погрешности выходных параметров аппаратов системы регулирования составляют довольно большие величины. Например, ТПН - от 3,08% до 4,6% (в зависимости от типа усилителя); ТПТ - от 4,4% до 4,9%, хотя допуск на величину питающего напряжения у него более жесткий, чем у ТПН, и т. д.

Proceeding of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X

90

Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1

Обследования эксплуатируемых локомотивов показали, что у большинства тяговых двигателей в период эксплуатации нарушены геометрические размеры магнитных цепей, влияющие на характеристики машины. Наиболее характерны в этом отношении результаты измерений воздушного зазора тяговых двигателей ЭД-107 (табл. 1).

По данным Харьковского завода «Электротяжмаш», фактическое отклонение скоростных характеристик тяговых двигателей находится в пределах от ±5% до ±12,5% в зависимости от режима испытания. Перераспределение нагрузки между двигателями может увеличиться в зависимости от проката бандажей колесных пар и отклонений от номинала, существующих у сопротивлений шунтировки. Величина сопротивлений шунтировки RC-9027 (по паспорту должна находиться в пределах 0,0061 ±0,0003 Ом, где предполагается допуск ±5% на одном тепловозе) в действительности имеет расхождение от 25% до 10%.

ТАБЛИЦА 1. Результаты измерений воздушных зазоров тяговых двигателей ЭД-107

Главные полюса Дополнительные полюса

Количество наблюдений 8ср, мм о , % Количество наблюдений бср, мм о , %

88 6,65 5,82 88 10,1 6,7

4. Четвертая категория - соотношение полей допусков элементов, образующих одну систему.

При определении полей допусков элементов, составляющих систему, и их ремонте необходимо учитывать не только надежность работы элементов в данном поле допуска, но и уровень взаимного влияния элементов в пределах допуска [7]. За определяющие поля допусков необходимо брать те, в границах которых уровень влияния элементов друг на друга обеспечивает и поддерживает надежность и эффективность работы всей системы в целом. Если в процессе ремонта значения составляющих элементов системы будут находиться внутри соответствующих полей допусков, то элементы и система в целом считаются «годными», однако среди «годных» систем могут быть менее надежные и эффективные системы.

Например, отклонение мощности (AN), вызванное прежде всего наличием элементов передачи мощности от дизель-генераторной установки к колесным парам, должно быть в пределах, обеспечивающих работу в зоне экономичного режима согласно универсальной характеристике дизеля:

где Np

AN = Ny - Np,

мощность, реализуемая тепловозом после ремонта в эксплуатации, кВт;

ISSN 1815-588 X

Proceeding of Petersburg State Transport University

2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения

91

Ny - выставленная мощность ДГУ (дизель-генераторной установки) при реостатных испытаниях тепловоза, кВт.

При эксплуатации тепловоза отклонение мощности (AN) может достигать значительных величин при технически исправном состоянии его элементов. Это можно объяснить разбросом допусков параметров элементов, а также структурой применяемой схемы возбуждения тягового генератора.

При этом при одной схеме возбуждения происходит изменение внешней реализуемой характеристики ДГУ, а при другой - существенное увеличение AN тепловоза. Возрастание AN вызывает уменьшение мощности ДГУ, так как тяговый генератор перегружает дизель, а это приводит к снижению оборотов и увеличению расхода топлива тепловозом, то есть к работе не в экономичном режиме.

Отклонения мощности в передаче должны компенсироваться системой регулятора мощности. Однако это не наблюдается на практике по причине того, что у существующих регуляторов мощности (РМ) рабочий диапазон значительно меньше существующих в регулируемой системе отклонений, вызванных свойствами и структурой системы.

Из примеров видно, что надежность локомотива определяется тттири-ной поля допусков параметров комплектующих элементов системы при ремонте, даже если границы этого поля находятся в пределах нормы. При этом установленные поля допусков составляющих элементов системы надо разбивать на границы, внутри которых должны формироваться элементы системы, чтобы уменьшить их отрицательное воздействие друг на друга.

Таким образом, причиной низкой параметрической надежности тягового подвижного состава в эксплуатации можно считать существующее в системе ремонта положение с допусками на элементы систем.

5. Пятая категория - структурные особенности электрической цепи (ее элементов, входящих в энергетическую цепь) и связанных с ними систем автоматического регулирования.

Структура системы существенно влияет на отклонения параметров [8]. Существуют системы, у которых выходные параметры отдельных элементов (узлы и агрегаты) участвуют в формировании выходных параметров локомотива (типа х1). В этом случае данные элементы (узлы и агрегаты) нельзя считать независимыми и отдельно для каждого из них изолированно определять показатели параметрической надежности, так как надо рассматривать полностью всю систему и учитывать одновременное участие различных узлов и агрегатов в формировании выходных параметров системы и их взаимное влияние (типа х2, см. рисунок).

Proceeding of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X

92

Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1

Выходные параметры агрегатов (узлов) локомотива: х1 - изменение параметра влияет на работоспособность и надежность самого агрегата;

х2 - параметр участвует в формировании одного или нескольких выходных параметров локомотива, его изменения должны учитываться совместно с изменением параметров данной категории для других агрегатов системы; х3 - параметр влияет на работоспособность других агрегатов, его изменение для других агрегатов или узлов аналогично изменению внешних условий работы

Например, отклонение напряжения или тока тягового генератора передается в качестве входного сигнала другим элементам схемы, поэтому чем больше элементов, воспринимающих это отклонение, тем более сильно оно будет сказываться на изменениях обобщенной координаты системы (выходном параметре).

Поэтому для рассматриваемого явления появился термин структурная надежность. Структурная надежность может быть увеличена в некоторых случаях применением резервных элементов, установкой регуляторов на элементы системы, введением в структуру обратных связей.

Однако резервирование оборудования (элементов, их групп или блоков) не может быть широко применено вследствие ограниченных габаритов и массы подвижного состава и противоречит принципу наикратчайшего пути.

Решения, проводимые заводами по улучшению структурных схем электрической цепи (ее элементов, входящих в энергетическую цепь) и системы регулирования локомотивов, принимаются без достаточных оснований.

6. Шестая категория - особенности функционирования основных элементов (тягового генератора, тяговых двигателей и т. д.), зависящие от выбора принципа регулирования и его реализации.

Изменения, происходящие в системах регулирования, в большинстве изданных работ затрагивают конструктивную сторону: применяют более современные аппараты, добавляются новые цепи и контуры, а сам принцип

ISSN 1815-588 X

Proceeding of Petersburg State Transport University

2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения

93

регулирования остается прежним. Хотя именно выбор принципа регулирования имеет особенно большое значение для систем, оптимизированных по какому-то параметру, для которых наличие отклонений обобщенной координаты может свести к нулевому эффекту се усилия по достижению выбранного оптимума, но при выборе “правильного” принципа регулирования можно получить увеличение параметрической надежности в несколько раз.

Заключение

Рассмотрев существующие причины низкой параметрической надежности локомотивов и их предлагаемую классификацию, сделаем следующие выводы.

1. Причины 1-й и 2-й категории в какой-то мере учитываются при проектировании локомотивных систем.

2. До настоящего времени причинам 3-, 4-, 5- и 6-й категорий должного внимания не уделяется.

3. Максимальная надежность является свойством электромеханической системы, зависящим от перечисленных факторов.

Эти факторы являются объективной реальностью, поэтому знание закономерностей их проявления [3] и их количественная оценка должны способствовать предупреждению и исключению параметрических отказов.

Библиографический список

1. Проблемы повышения надежности технических устройств железнодорожного транспорта / И. П. Исаев. - М. : Транспорт, 1968. - 160 с.

2. Основы теории и практики надежности технических устройств / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. - СПб. : Сударыня, 2004. - 272 с. - ISBN 5-88718050-1.

3. Надежность локомотивов / В. А. Четвергов. - М. : Маршрут, 2003. - 415 с. -ISBN 5-89035-083-8.

4. Ускоренные испытания и прогнозирование надежности электрооборудования локомотивов / И. П. Исаев. - М. : Транспорт, 1984. - 245 с.

5. Трение и износ в экстремальных условиях / Ю. Н. Дроздов // Машиностроение. -1983. - № 3. - 224 с.

6. Электроподвижной состав. Эксплуатация, надежность и ремонт / А. Т. Голо-ватый. - М. : Транспорт, 1983. - 350 с.

7. Надежность тепловозов после текущих ремонтов и обслуживаний в условиях депо / И. П. Глущенко // Межвуз. сб. научных трудов. - Самара. : СамИИТ, 1992. - С. 27.

8. Параметрическая надежность машин / А. С. Проников. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 495 с. - ISBN 5-88037-076-1.

Статья поступила в редакцию 09.10.2008;

представлена к публикации членом редколлегии А. И. Хожаиновым.

Proceeding of Petersburg Transport University

ISSN 1815-588 X