Анализ характерных неисправностей и количественных показателей по отказам электрического оборудования электровоза ВЛ80т

УДК 629.423.3

РЯБКО К.А., к.т.н., доцент

Анализ характерных неисправностей и количественных показателей по отказам электрического оборудования электровоза ВЛ80т

Ryabko K.A., associate professor (DIRT), Ryabko E.V., senior teacher (DIRT), Pyanikin V.A., assistant (DIRT), Kochev A.V., assistant (DIRT).

Analysis of typical faults and quantitative indicators for failures of electrical equipment of an electric locomotive VL80'r

Постановка задачи

Бесперебойная работа

электровозов на линии возможна только при его технически исправном состоянии, которое является одним из важнейших условий безопасности движения поездов.

На сегодняшний день техническое состояние оборудования электровозов серии ВЛ 80т, которые являются основными грузовыми электровозами переменного тока на Донецкой железной дороге, оценивается как критическое по причинам физического и морального износа. По статистическим данным около 90 % эксплуатируемого парка грузовых электровозов превысило ресурсный срок эксплуатации и требует замены. В современных экономических условиях говорить о скорой замене всего выработавшего ресурс парка грузовых электровозов не приходится. В связи с этим достаточно остро стоит вопрос о необходимости модернизации

существующего парка электровозов и его оборудования.

Модернизация может быть выполнена с соблюдением следующих подходов. Во-первых, к оценке работоспособности оборудования за пределами номинального срока эксплуатации, формированию единого комплексного подхода определённого остаточного ресурса и подготовке рекомендаций по последующему техническому обслуживанию такого оборудования. Во-вторых, к

экономической нецелесообразности эксплуатации морально устаревшего оборудования и разработке

принципиально нового, технически современного электротехнического оборудования. В первом случае задача заключается в том, чтобы из группы старого оборудования выделить ту часть, которая может проработать надёжно какое-то время. Основными направлениями при разработке нового оборудования, определяющими их технический уровень, являются снижение потерь, повышение надёжности, улучшение

массогабаритных характеристик,

снижение монтажных и

эксплуатационных затрат. Анализ существующих исследований показал, что более эффективным является второй подход.

В рамках данной статьи выполнены исследования количества отказов электрооборудования грузового электровоза ВЛ 80т По результатам исследований установлено, что одним из важных и малонадежных составляющих электрооборудования, которое требует скорейшей

модернизации, является силовой трансформатор.

Цель работы

Целью данной работы является определение показателей надежности оборудования грузового электровоза ВЛ 80т, на основании которых будут определены направления модернизации электрооборудования электровоза.

Основной материал

К основным узлам и агрегатам электровоза следует отнести электрооборудование. Электрические аппараты на тяговом подвижном составе относятся к узлам низкой надежности, поэтому необходимость их

модернизации является важной и актуальной задачей.

При выполнении теоретических исследований были собраны

статистические данные об отказах силового электрооборудования в процессе эксплуатации электровозов серии ВЛ 80т Статистические данные приведены в табл. 1. Данные в табл. 1. получены при наблюдении за одинаковым количеством элементов силового электрического оборудования на протяжении пробега в 50 тыс. км для каждого электровоза.

Таблица 1

Распределение отказов электрооборудования ВЛ 80т

Вид электрического оборудования Количество отказов

Тяговый двигатель 9

Тяговый трансформатор 10

Вспомогательные электрические машины 12

Сглаживающий реактор 3

Индуктивный шунт 1

Дроссели 0

Выпрямительная установка 2

Панель диодов 3

Токоприемник 4

Электромагнитный контактор 0

Разъединитель 0

Блок тормозных резисторов 2

Аккумуляторные батареи 5

Гистограммы по отказам серии ВЛ 80т приведены на рис. 1.

электрооборудования электровозов

Рис. 1. Гистограммы отказов оборудования электровозов серии ВЛ 80т

Из теории надежности известно, что основными ее количественными показателями являются вероятность безотказной работы (Р), вероятность отказа (д), интенсивность отказов (А), поток отказов (ш), средняя наработка на отказ (То) [1-8].

Вероятность безотказной работы (Р) характеризует скорость снижения надежности во времени и определяется по формуле:

Р=(Ы-Ыо)/Ы,

где N0 - количество отказавших элементов за период наблюдений, шт.;

N - количество элементов, за которыми ведется наблюдение, шт.

Вероятность отказа

характеризует скорость появления отказов во времени и определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы и вероятность отказа являются событиями противоположными, поэтому Р+д=1.

Интенсивность отказов - условная плотность вероятности наступления

отказа к данному моменту времени при условии, что до этого момента отказа не было.

Интенсивность отказов элементов меняет значения в течение всего времени работы. Интенсивность внезапных отказов можно разбить по времени на три особых участка рис. 2:

1) первый характерен длительности от начала отсчета времени до того момента, когда интенсивность отказов становится почти постоянной;

2) второй соответствует интервалу времени, в течение которого интенсивность отказов сохраняется относительно постоянной;

3) третий начинается в тот момент, когда интенсивность отказов резко возрастает.

У деталей, в которых допущены дефекты при изготовлении, возникают отказы вследствие приработки элементов. Постепенно число таких элементов убывает. Для этого времени характерен период приработки: характерно преобладание

приработочных внезапных отказов. График А с указанием примерных границ трех участков представлен на рис. 2.

о

о

Jl

¥ £

V ! 1 1 \ 1 1 Период 1

Период нормальной работы 1

Период

прирабогки' \ 1 1 1 ста ре н нп

Рис. 2. График интенсивности отказов

В периоде II практическое значение X (t) = const. Это период нормальной эксплуатации, который указывает на наличие только внезапных отказов, проявляющихся во время нормальной эксплуатации.

В периоде III преобладают постепенные отказы. Его называют периодом старения (износа), отказы которого вследствие старения и износа материала, утрачивают свою работоспособность.

Вероятность безотказной работы или надежность элементов, убывает по экспоненциальному закону,

показателем которого является произведение значений интенсивности отказов и времени работы, в период нормальной эксплуатации.

Интенсивность отказов можно определить по выражению:

X=No

где No(At) - количество элементов, отказавших в /-том временном интервале;

Att - ширина /-го временного интервала;

Napi - среднее количество элементов, исправно работающих в /-м временном интервале.

Интенсивность отказов

определяется при имеющихся данных отказов за определенные интервалы общего периода наблюдений. При выполнении теоретических

исследований такие данные не фиксировались, поэтому определить интенсивность отказов в данном случае не представляется возможным.

Под параметром потока отказов понимают отношение математического ожидания числа отказов

восстанавливаемого изделия за достаточно малое время работы к значению этого времени. Поток отказов определяется по формуле:

а=Ыс/Ьп ,

где Ьп - общий пробег электровозов за наблюдательный период, тыс. км.

Под параметром среднего времени наработки на отказ понимают отношение математического ожидания наработки объекта до первого отказа. Средняя наработка времени на отказ в данном случае определяется по формуле:

То= Ьп/ N0 ,

где Ьп - общий пробег электровозов за наблюдательный период, тыс. км.

Результаты расчетов основных показателей надежности, выполненные

по формулам (1, 2, 4, 5), приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты расчетов показателей надежности_

Вид электрического оборудования Р д ш То

Тяговый двигатель 0,4 0,6 1,2-10-5 8,3-104

Тяговый трансформатор 0,33 0,67 1,33-Ш"5 7,5404

Вспомогательные электрические машины 0,2 0,8 1,6-10"5 6,3404

Сглаживающий реактор 0,8 0,2 0,4-10"5 2,5-105

Индуктивный шунт 0,93 0,07 0Д3-10"5 7,5405

Дроссели 1,0 0 0 ю

Выпрямительная установка 0,87 0,13 0,27-10"5 3,8405

Панель диодов 0,8 0,2 0,4-10"5 2,5^105

Токоприемник 0,73 0,27 0,53-10"5 1,9405

Электромагнитный контактор 1 0 0 ю

Разъединитель 1 0 0 ю

Блок тормозных резисторов 0,87 0,13 0,27-10"5 3,8405

Аккумуляторные батареи 0,67 0,33 0,67-10"5 1,5^105

Кроме того, дополнительно выполнен анализ существующих исследований [9-12] по данному вопросу. Проанализировав результаты исследований, можно сделать вывод, что наименее надежным является работа узлов и агрегатов электрооборудования, а именно тяговых и вспомогательных двигателей, а также тягового трансформатора.

Причиной неудовлетворительных показателей по надежности

перечисленных узлов и агрегатов является низкий ресурс изоляции и плохое качество ремонта (рис. 3, рис. 4). Как следствие, озвученные факторы представляют самые уязвимые места для двигателей и трансформаторов.

Рис. 3. Диаграмма распределения повреждений двигателей

Рис. 4. Диаграмма распределения повреждений тяговых трансформаторов

Выводы

По результатам анализа значительного количества исследований и проведенных теоретических установлено следующее:

- наименее надежными узлами и агрегатами при эксплуатации электровоза серии ВЛ 80т является электрооборудование, а именно тяговые и вспомогательные машины, а также тяговый трансформатор;

- наибольшее количество отказов тяговых и вспомогательных машин происходит по причине старения и выхода из строя изоляционных материалов.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о необходимости и актуальности замены наименее надежных узлов электровоза ВЛ 80т, а именно двигателей и тягового трансформатора.

Список литературы:

1. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. - 3-е издание перераб. и доп. - М.: Издательство «Энергия», 1977. - 536 с.

2. Галушко В.Н. Надежность электроустановок и энергетических систем: учебн.-метод. Пособие / В.Н.

Галушко, С.Г. Додолев: Мин-во образования Республики Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. - Гомель: БелГУТ, 2014. - 154 с.

3. Розрахунок надшносп електроприводiв: Пщручник / О.Ю. Лозинський, Я.Ю. Марущак, П.П. Костробш. - Львiв, вид-во ДУ «Львiвська полггехшка», 1996. - 234 с.

4. Рыжкин А.А. Основы теории надежности: Учебн. пособие / А.А. Рыжкин, Б.Н. Слюсарь, К.Г. Шучев. -Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2002. - 182 с.

5. Гуменюк В.М. Надежность и диагностика электротехнических систем: Учебн. пособие для вузов. -Владивосток: Изд-во Дальневост. гос. техн. ун-та, 2010. - 218 с.

6. Шеметов А.Н. Надежность электроснабжения: учебное пособие для студентов специальности «Электроснабжение». - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006. - 141 с.

7. Волков В.К. Повышение эксплуатационной надежности тяговых двигателей / В.К. Волков, А.Г. Суворов. - М.: Транспорт, 1988. - 128 с.

8. Котеленец Н.Ф. Испытания и надежность электрических машин: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электромеханика» / Н.Ф. Котеленец,

Н.Л. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1988. - 232 с.

9. Дульский Е.Ю. Совершенствование технологии восстановления изоляции электрических машин тягового подвижного состава при деповском ремонте: дис. канд. тех. наук: 05.22.07. -Иркутск, ИрИИТ, 2014. - 181 с.

10. Иванов П.Ю. Повышение эксплуатационной надежности асинхронных вспомогательных машин магистральных электровозов переменного тока: дис. канд. тех. наук: 05.22.07. - Иркутск, ИрИИТ, 2015. - 198 с.

11. Иванов ВН. Электротехнологическое продление ресурса электрических машин тепловым излучением: дис. канд. тех. наук: 05.09.01. - М., МИИТ, 2014. - 177 с.

Исмаилов, Ш.К. Пути повышения функциональной надежности

электровоза / Ш.К. Исмаилов, В.П. Смирнов, А.М. Худоногов // Известия вузов. Машиностроение. - № 4. - 2006. - С. 28-34.

Аннотации:

В данной статье выполнены исследования количества отказов электрооборудования грузового электровоза ВЛ 80т. По результатам исследований установлено, что одним из важных и малонадежных составляющих электрооборудования, которое требует модернизации, является силовой

трансформатор. Определены надежностные показатели, позволяющие оценить и спрогнозировать отказы электрического оборудования электровозов ВЛ80т.

Ключевые слова: тяговый подвижной состав, электровоз, электрическое

оборудование, неисправность, показатели надежности, отказ, тяговый трансформатор.

In this article, studies have been performed on the number of failures of electrical equipment for a freight electric locomotive VL 80T. According to the results of the research, it has been established that one of the important and unreliable components of electrical equipment that requires modernization is a power transformer. The reliability indicators are determined, allowing to evaluate and predict the failures of electrical equipment of VL80T electric locomotives.

Keywords: traction rolling stock, electric locomotive, electrical equipment, malfunction, reliability indicators, failure, traction transformer.