Эксплуатационные особенности работы асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока на ВСЖД

15.12.2011, № 2718p (Power strategy of Russian Railways holding for the period till 2015 and on prospect till 2030. Order of JSC «Russian Railways» of 15.12.2011 no. 2718r), Moskow, 2012, 97 p.

3. Galkin A. G., Ivanov V. A., Kudryashov E. V., Kovalev A. A. Development of a contact network for VSM of Russia [Razrabotka kontaktnoi seti dlya VSM Rossii]. Innovatsionnyi transport - Innovative transport, 2011, no. 1 (1), pp. 16 - 22.

4. Tokopriemniki zheleznodorozhnogo elektropodvizhnogo sostava. Obshchie tekhnicheskie usloviya, GOST 32204-2013 (Current collectors of a railway electrorolling stock. General specifications, State Standart 32204-2013), Moscow, Standarinform, 2014, 34 p.

5. Sidorov O. A., Chertkov I. E., Zarenkov S. V., Tarasenko A. V., Emel'yanov M. V. Patent RU115725, 26.12.2011.

6. Chertkov I. E., Emel'yanov M. V. Development of safety system of a measuring current collector of a high-speed electrorolling stock. Actual problems of design and operation of contact suspension brackets and current collectors of electric transport [Razrabotka predokhranitel'noi sistemy izmeritel'nogo tokopriemnika vysokoskorostnogo elektropodvizhnogo sostava. Aktual'nye prob-lemy proektirovaniya i ekspluatatsii kontaktnykh podvesok i tokopriemnikov elektricheskogo transporta]. Sbornik nauchnykh statei s mezhdunarodnym uchastiem (The collection of scientific articles with the international participation). - Omsk, 2011, pp. 212 - 221.

7. Mikheev V. P., Chertkov I. E. Development and research of automatic safety devices of the current collectors of an electrorolling stock ensuring traffic safety of high-speed trains. Research of processes of interaction of objects of railway transport with environment [Razrabotka i issledovanie avtomaticheskikh predokhranitel'nykh ustroistv tokopriemnikov elektropodvizhnogo sostava, obespechivayushchikh bezopasnost' dvizheniya skorostnykh poezdov. Issledovanie protsessov vzaimodeistviya ob"ektov zheleznodorozhnogo transporta s okruzhayushchei sredoi]. Sbornik nauchnykh statei (Collection of scientific articles). - Omsk, 2003, pp. 119 - 133.

8. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Zarenkov S. V. Tests of the main current collector for application on lines with the modernized infrastructure of system of removal of current [Ispytaniya mag-istral'nogo tokopriemnika dlya primeneniya na liniyakh s modernizirovannoi infrastrukturoi to-kos"ema]. Innovatsionnyi transport - Innovative transport, 2013, no. 1 (7), pp. 23 - 28.

9. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Chertkov I. E., Zarenkov S. V. Patent RU 2469879, 20.05.2011.

УДК 629.4

П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский, А. И. Романовский

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

НА ВСЖД

В данной статье проанализированы условия работы асинхронных вспомогательных машин (АВМ) электровозов переменного тока, в основном эксплуатируемых на сети Восточно-Сибирской железной дороги. Представлены экспериментальные данные по зависимости фазных токов двигателя АНЭ225 электровоза ВЛ85 от величины напряжения питания, продолжительность пуска МК с асинхронным двигателем в зависимости от напряжения контактной сети, изменение момента сопротивления компрессора в зависимости от температуры воздуха. Рассмотрены особенности работы АВМ, в частности их поочередный запуск от обмотки собственных нужд тягового трансформатора. Проведена систематизация условий эксплуатации, воздействующих на изоляцию АВМ с целью оптимизации параметров слежения за темпом их износа, в результате которой выделено два основных фактора старения изоляции - перегревы и вибрация - и один фактор, повышающий вероятность отказа независимо от степени старения изоляции - ее увлажненность.

Значительная часть отказов АВМ электровозов переменного тока вызвана снижением уровня изоляционных свойств вследствие низкого качества изготовления и плохого обслу-

№„4(254) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 27

живания, что в свою очередь приводит к ускоренному старению изоляции. Сюда следует отнести повышенную загрязненность обмоток и частые увлажнения, перегревы из-за перегрузок и плохого охлаждения электродвигателей. Работоспособность изоляции снижается также из-за повышенных вибраций и частых электродинамических ударов при пусках. Эксплуатационный износ изоляции обмоток электродвигателя резко повышает вероятность их повреждения по сравнению с другим электрооборудованием электровозов.

Установлено, что АВМ ЭПС переменного тока работают при следующих сложных условиях.

1. Изменение напряжения питания от +25 до -39 % от номинального значения.

2. Коэффициент несимметрии напряжения Ки = Uq/U„ до 0,10 (здесь U0 и Un - соответственно напряжение обратной и прямой последовательности).

3. Коэффициент несимметрии фазных токов К = Io/In до 0,70. Здесь I0 и 1п - токи прямой и обратной последовательности, когда значения токов в фазах при крайних значениях напряжения в контактной сети различаются более чем в два раза (рисунок 1).

190

е-

ы 3 х

а ©

130

100

С -

А

о

300

400

в

600

Напряжении питания

Рисунок 1 - Зависимости фазных токов двигателя АНЭ225 от величины напряжения питания

4. Снижение вращающего момента до 0,372 от номинального при снижении напряжения с 380 до 280 В (рисунок 2, а).

5. Увеличенная продолжительность пуска мотор-компрессоров (МК) из-за существенного уменьшения вращающего момента при понижении питающего напряжения (рисунок 2, б).

6. Значительное возрастание момента сопротивления компрессоров при низкой температуре воздуха (рисунок 2, в).

Частота вращения

а

б

Рисунок 2 - Влияние эксплуатационных факторов на АВМ: а - механические характеристики двигателя АНЭ225 при напряжении питания 380 (1) и 280 (2) В; б - продолжительность пуска МК с асинхронным двигателем в зависимости от напряжения контактной сети; в - изменение момента сопротивления компрессора в зависимости от температуры воздуха

в

28 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015

= ^Е

7. Изменение условий охлаждения машин из-за существенного перепада температур: от - 50 до +50 °С.

В работе А. В. Невинского [1] представлены результаты изучения воздействия коммутационных процессов, происходящих в выпрямительно-инверторном преобразователе (ВИПе), на качество энергии питания АВМ. В результате исследования установлено, что фазные токи имеют искажения и их формы отличны от синусоидальных. Так, при работе электровоза в режиме тяги в середине четвертой зоны регулирования при напряжении икс = 27,5 кВ и максимальной нагрузке тяговых двигателей при консольном питании ток вспомогательных двигателей имеет вид, показанный на рисунке 3.

Фаза А Фаза В Фаза С

а б в

Рисунок 3 - Фазные токи АВМ, полученные в результате численного эксперимента и

замера на электровозе ВЛ85

В конструкции большинства серийных отечественных электровозов переменного тока для питания АВМ использован электромашинный фазорасщепитель с пусковыми и симметрирующими конденсаторами. На электровозах серий «Ермак», ЭП1, ВЛ65 была произведена попытка применения схемы статического фазорасщепителя, в которой отсутствовал асинхронный двигатель без нагрузки на валу, но данное решение привело к резкому увеличению числа отказов АВМ электровозов серии «Ермак». Было принято решение о переходе к схеме питания АВМ «с пусковым двигателем». Данная схема является аналогом систем фазо-расщепления электровозов ВЛ60, ВЛ80, ВЛ85.

Особенности качества питающей АВМ энергии в схемах перечисленных выше электровозов представлены в работе [2]. Группы машин работают в условиях непостоянной и часто повышенной несимметрии и существенно влияют друг на друга.

Трехфазные машины питаются от однофазной сети по схеме «звезда», две их фазы подключаются к обмотке собственных нужд тягового трансформатора и являются двигательными, а третьи фазы всех двигателей соединяются между собой и являются генераторными. Напряжение в обмотке собственных нужд и соответственно в двигательных фазах снижается с увеличением количества работающих машин, а напряжение в генераторной фазе, напротив, растет, так как вращающееся магнитное поле каждой машины дополнительно индуцирует в ней ЭДС, что приводит к существенному изменению коэффициентов несимметрии токов и напряжений. Также значительное влияние оказывает снижение напряжения в контактной сети (КС), от этого явления напрямую зависит напряжение двигательных фаз.

Степень нестабильности параметров энергии, питающей АВМ электровозов переменного тока, наглядно продемонстрирована на рисунке 4.

Из данных характеристик видно, что при номинальном питающем напряжении собф сети составляет 0,86 - 0,88, а коэффициент несимметрии напряжений не превышает 1 %, однако можно заметить существенный разброс параметров при отклонении напряжения. Как известно, несимметрия напряжения и тока фаз ведет к перегреву двигателей и снижает момент на валу.

№ 4(24) оли с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 29

2015 1

Высокая плотность графика движения поездов на ВСЖД способствует частой работе электровозов с минимальным интервалом и попаданию на одну фидерную зону с преодолением подъемов различной сложности. Такие особенности работы приводят к постоянным отклонениям напряжения питания АВМ от номинального значения, вызывая несимметрию, понижение момента на валу и перегревы, которые невозможно вычислить и учесть эмпирически.

£50 300

а

250 300 400

б

Рисунок 4 - Зависимости параметров режима работы системы вспомогательных машин электровоза ВЛ85 от

напряжения питания однофазной сети (одна секция): а - параметры режима работы питающей трехфазной системы; б - то же приводных электродвигателей АНЭ225L4УХЛ2; Р1— потребляемая электродвигателем мощность; 1п - фазный ток прямой последовательности; а, - зона разброса коэффициентов несимметрии токов машин; 1С - ток сети; ип - напряжения прямой последовательности; ии - напряжение обратной последовательности; ау - коэффициент несимметрии напряжения;

Рс - мощность, потребляемая из сети

На рисунке 5 построена зависимость времени пуска МВ от величины напряжения при поочередном их включении [2].

Рисунок 5 - Зависимость времени пуска МВ от величины напряжения при поочередном их включении

Можно заметить, что при повышенном и нормальном напряжении каждый последующий двигатель запускается за более короткое время, а при пониженном каждый последующий двигатель запускается дольше. Длительные пуски вредны для двигателей в силу действия на обмотку высоких пусковых токов, которые могут вызывать локальные перегревы и привести к ее ускоренному старению. Кроме того, возрастает вероятность опрокидывания машины.

30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

= _

Можно подчеркнуть различия длительности пусковых нагрузок на машины от поочеред-ности их пусков, что делает износ изоляции неравномерным и варьирует вероятность опрокидывания двигателей, создавая погрешности при вычислении показателей надежности. Включение очередного двигателя при работе электровоза вызывает «просадку» напряжения обмотки собственных нужд и повышает напряжение генераторной фазы, тем самым изменяя симметрию напряжения.

Пуски машин происходят по алгоритмам, учтенным в эксплуатационных инструкциях, поэтому для двигателей каждого механизма существуют типичные режимы пуска и работы, оказывающие влияние на их надежность, и, как следствие, низкие показатели надежности демонстрирует МВ1 и МК. Однако при анализе наработок на отказ АВМ по механизмам законов распределения выявлено не было, так как существуют и другие факторы старения.

На срок службы двигателя оказывает влияние режим его работы. Особенности эксплуатации АВМ электровоза таковы, что двигатели эксплуатируются в трех режимах:

- длительный, в котором двигатель нагревается до установившейся температуры и работает в таких условиях большую часть цикла; к таким машинам можно отнести МВ охлаждения предельно нагруженного оборудования, ФР и МН;

Б2 - кратковременный, в котором двигатель не достигает установившегося значения температуры, а за время паузы между циклами остывает до температуры окружающей среды; в таком режиме иногда работает МВ обдува балластных резисторов;

Б3 - повторно-кратковременный, режим работы с циклическим характером, при котором значение температуры в период паузы между включениями не успевает уравняться с окружающей средой. На электровозах в данном режиме работают МК.

Для каждого режима характерен свой темп износа изоляции, однако двигатель в процессе обслуживания и ремонта локомотивов может быть заменен или переустановлен с МВ на МК и за жизненный цикл может сменить несколько механизмов.

К эксплуатационным особенностям АВМ электровозов переменного тока можно отнести также повышенный уровень вибрации, зависящий от несимметрии тока и напряжения, небаланс ротора и вибрационный фон, создаваемый приводимыми в движение или работающими рядом механизмами. По результатам исследований можно увидеть наличие зависимости вибрации от коэффициента несимметрии [3] и степень вибрационного фона в машинном отделении электровоза.

В силу того, что в машинном отделении электровоза мало пространства и отсутствует теплоизоляция, вокруг АВМ в летний период температура поднимается до +50 - 65 °С Это обостряется плотным расположением постоянно греющегося силового оборудования. Все это ведет к серьезным изменениям условий охлаждения и влияет на скорость нагрева машин до установившегося значения, увеличивая вероятность перегрева и ускоренного старения изоляции. В зимний же период опасность заключается в увеличении вязкости масла картера компрессора, вследствие которого повышается момент сопротивления механизма, что может привести в худшем случае к опрокидыванию машины, а при благоприятных условиях - к затянувшемуся пуску и сокращению срока службы изоляции.

Проведена систематизация условий эксплуатации, воздействующих на изоляцию АВМ с целью оптимизации параметров слежения за темпом их износа, в результате которой выделено два основных фактора старения изоляции - перегревы и вибрация - и один фактор, повышающий вероятность отказа независимо от степени старения изоляции - ее увлажненность (рисунок 6).

Основным по степени значимости фактором, влияющим на надежность изоляции, является тепловой износ, это подтверждается множеством исследований, к числу которых относятся [4]; в классической теории тепловой износ является определяющим срок службы фактором, однако в работе [4] доказывается существенность влияния на надежность изоляции пусковых нагрузок и вибрационного воздействия. В работе Т. Е. Минаковой [5] описаны способы учета вибрации при мониторинге состояния изоляции. Увлажнение изоляции необ-

№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31

2015 1

ходимо учитывать в процессе мониторинга, так как оно может привести к пробою даже новой изоляции.

Рисунок 6 - Систематизация разрушающих факторов, снижающих надежность изоляции АВМ электровозов переменного тока

Список литературы

1. Невинский, А. В. Совершенствование системы питания вспомогательных электроприводов электровозов переменного тока [Текст]: автореферат дис... канд. техн. наук: 05.09.03 / Невинский Алексей Владимирович. М., 2011. 22 с.

2. Некрасов, О. А. Вспомогательные машины электровозов переменного тока [Текст] / О. А. Некрасов, А. М. Рутштейн. - М.: Транспорт, 1988. - 223 с.

3. Романовский, А. С. Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов [Текст]: дис. канд. техн. наук: 01.02.06 / Романовский Александр Игоревич. - Иркутск, 2012. - 219 с.

4. Гольдберг, О. Д. Качество и надежность асинхронных двигателей [Текст] / О. Д. Гольд-берг. - М.: Энергия, 1968. - 176 c.

5. Минакова, Т. Е. Многофакторное прогнозирование срока службы трехфазных асинхронных электродвигателей 0,4 кВ по эксплуатационным параметрам [Текст]: дисс... канд. техн. наук: 05.14.02 / Минакова Татьяна Евгеньевна. - Ставрополь, 2002. - 150 с.

References

1. Nevinskiy A. V. Sovershenstvovanie system pitaniia vspomogatel'nyh mashyn elektro-privodov elektrovozov peremennogo toka [Improving the system of auxiliary power electric locomotives AC]. Ph. D. thesis, Moscow, 2011, 22 p.

2. Nekrasov O. A. Vspomogatel'niye mashiniy elektrovozov peremennogo toka (Auxiliary machine of electric locomotives AC). Moscow, 1988, 223 p.

3. Romanovskiy A. I. Dinamica ventiliacionnyh mashin s asinhronnym elektroprividom pri nessimetrii faznyh tokov [Dynamics of ventilation machines with AC electric drive at asymmetry of the phase currents]. Ph. D. thesis, Moscow, 2011, 22 p.

4. Goldberg O. D. Kachestvo i nadezhnost' asinhronnyh dvigateleiy (Quality and reliability of induction motors). Moscow: Energy, 1968, 176 p.

5. Minakova T. E. Mnogofaktornoe prognozirovanie sroka slughby trehfaznyh asinhronnyh el-ektrodvigateley 0,4 kVpo ekspluatacionnym parametram [Multifactor life prediction of three-phase

32 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

= _

asynchronous motors with operating parameter 0.4 kW]. Ph. D. thesis, 150 p.

Stavropol', 2002,

УДК 629.4.027.4.004.58

В. Н. Костюков, Д. В. Казарин, А. В. Костюков, А. В. Зайцев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ КОЛЕСНО-МОТОРНЫХ БЛОКОВ

ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований диагностических признаков узлов ко-лесно-моторных блоков (КМБ) от частоты вращения колесной пары. Определены параметры распределения диагностических признаков и предложен способ, обеспечивающий повышение достоверности диагностирования КМБ электропоездов.

Важнейшей задачей железнодорожного транспорта является обеспечение безопасности перевозочного процесса. Решить данную задачу позволяют системы диагностики узлов и агрегатов подвижного состава, одним из наиболее ответственных узлов является колесно-моторный блок.

Целью данной работы является обоснование способа диагностирования колесно-моторных блоков электропоездов, обеспечивающего повышение достоверности диагностирования.

В данной работе решены следующие задачи.

1. Проведены экспериментальные исследования по определению зависимости диагностических признаков (средние квадратические значения виброускорения Ae) подшипниковых узлов колесно-моторных блоков электропоездов от частоты вращения колесной пары (КП).

2. Определены параметры распределений диагностических признаков.

3. Описан способ диагностирования КМБ электропоездов.

4. Показаны расчеты ошибок диагностирования первого и второго рода (ложной тревоги и пропуска дефекта) и вероятности безошибочного диагностирования.

Основной задачей диагностирования является распознавание технического состояния узлов и агрегатов и разделение их на классы - исправные и неисправные, что связано с риском ложной тревоги и пропуска дефекта.

При реализации любого способа диагностирования буксовых узлов КМБ существуют вероятность ошибки ложной тревоги и вероятность ошибки пропуска дефекта.

В условиях эксплуатации подвижного состава пропуск дефекта способен привести к разрушению узла, что может повлечь за собой не только дорогостоящий неплановый ремонт, сбой в графике движения поездов, но и вызвать техногенную опасность и (или) транспортную аварию. Ложная тревога, в свою очередь, приводит к проведению дополнительных работ для узлов, не требующих обслуживания, после которых фактическое техническое состояние узла может только ухудшиться, из-за чего снизится эксплуатационная готовность подвижного состава.

В работах [1, 2] показано, что на величину параметров вибрации подшипниковых узлов КМБ влияет частота вращения колесной пары.

С целью определения характера зависимости диагностических признаков от частоты вращения проведены эксперименты по измерению параметров вибрации подшипниковых узлов КМБ электропоездов. Данные эксперименты проводились с помощью системы диагностики колесно-моторных блоков КОМПАКС-ЭКСПРЕСС-ТР1 [9]. В ходе экспериментов проведены записи сигналов вибрации с узлов КМБ на различных скоростных режимах (в том числе

^^ ИЗВЕСТИЯ Транссиба 33