Состояние вопроса надежности и долговечности изоляции асинхронных вспомогательных машин

УДК 629.4

П. Ю. Иванов, Е. Ю. Дульский, А. М. Худоногов

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН

В данной статье представлен анализ надежности асинхронных вспомогательных машин (АВМ) типа НВА-55 электровозов серии «Ермак» по депо ст. Вихоревка (ВСЖД) и ст. Смоляниново (ДВЖД) за 2009 -2011 гг. Выявлены наиболее слабые с точки зрения надежности узлы и проанализированы основные виды и причины неисправностей данных типов АВМ. Одной из целей исследования надежности АВМ типа НВА-55 является определение средней наработки на отказ, позволяющей предотвратить отказы в работе при организации обслуживания и ремонта, а также продлить ресурс машины. Определение объективного математического ожидания отказа АВМ для эффективного корректирования межремонтных пробегов не представляется возможным, так как отказы имеют во многом случайный и непостоянный характер.

Надежность электровозов во многом зависит от стабильной работы тяговых электрических двигателей (ТЭД), силового трансформатора, выпрямительно-инверторного преобразователя, пневматических тормозов поезда. Исправная работа всех упомянутых узлов, агрегатов и машин обеспечивает реализацию максимальной производительности локомотива и позволяет осуществлять перевозку грузов с наибольшей участковой скоростью. Можно также отметить важную роль рекуперативного тормоза, позволяющего поддерживать стабильную максимально допустимую скорость при торможении на спусках благодаря постоянной тормозной силе, создаваемой на ТЭД. Работа всего названного силового оборудования невозможна без стабильной безотказной и надежной работы АВМ.

Надежность асинхронных машин, в свою очередь, зависит от электрической прочности их изоляции и качества эксплуатации [1]. Электрическая прочность изоляции зависит от температурного режима, вибрационных нагрузок и увлажнения. Качество эксплуатации зависит от симметрии, формы кривой токов и напряжений, питающих АВМ, а также от системы ремонта и технического обслуживания. Помимо этого важным фактором, влияющим на качество эксплуатации, часто отмечают сложные условия работы и недостаточно высокое качество ремонта [2], по причине чего наблюдаются множественные выходы АВМ из строя.

Из анализа статистики отказов можно увидеть, что 20 % от общего количества АВМ, эксплуатируемых на электровозах серии «Ермак», выходили из строя в течение пяти лет, причем из них более 73 % не доработали до 300 000 км пробега электровозов в первые два года эксплуатации (таблица 1).

Таблица 1 - Распределение отказов АВМ по пробегам

Интервалы наработок на отказ, км 10 Количество отказов на интервал, %

До 300 73,3

300 - 400 14

400 - 500 6,4

500 - 600 2,8

600 - 800 2,2

800 - 1000 1,3

Из статистики по распределению отказов по типу приводимых механизмов видно (рисунок 1), что наименьшей надежностью характеризуется двигатель мотор-компрессора (МК) -50 % всех двигателей данного механизма вышли из строя и были заменены или прошли капитальный ремонт.

Отказы мотор-компрессора происходят по трем основным причинам: выплавление ротора, пробой изоляции статора, неисправность подшипников. За период эксплуатации МК переносит значительно большее количество пусков, однако пуски происходят легче, так как компрессор в пути следования запускается при уже работающих других вспомогательных машинах, что создает лучшие условия с точки зрения качества питающей энергии.

2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(22) 2015

—— = 1 V

Практически такой же надежностью обладает и первый мотор-вентилятор (МВ1). Условия пуска МВ1 сложнее, чем у МК, по причине более сильных деструктивных воздействий на АВМ пусковых токов.

Рисунок 1 - Гистограмма распределения отказов по типу приводимого механизма

Рассмотрим надежность изоляции статорной обмотки АВМ. Гистограмма распределения отказов изображена на рисунке 2. Самая низкая надежность - у изоляции МВ1, что объясняется тяжелыми условиями пусков двигателя данного механизма из-за несовершенства системы фазорасщепления. На втором месте находится изоляция мотор-компрессора. Условия его работы также осложняются качеством энергии и разрушающим воздействием вибрации при повторно-кратковременном режиме работы.

Рисунок 2 - Гистограмма распределения отказов АВМ по причине пробоя изоляции статорной обмотки

Проанализирована надежность АВМ электровозов серии «Ермак», поступивших в депо Вихоревка и Смоляниново за разные периоды времени.

Анализ статистики за 2006 - 2009 гг. показывает большое количество отказов АВМ типа НВА-55 по следующим причинам: выплавление ротора - 79 %, короткое замыкание в обмотке статора - 17, неисправность подшипника - 14 %. При этом общее количество отказов АВМ составило 537 случаев, средняя наработка до отказа - 143 319 км и параметр потока отказов - 6,96 случая на 106 км соответственно.

Плотность распределения отказов [2] в период 2006 - 2009 гг. соответствует экспоненциальному закону распределения, коррелируя с ним на 83,14 %. Графически это представлено на рисунке 3.

№ 2(22) 2015

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

Анализ статистики отказов в период - с февраля по сентября 2010 г. показал распределение отказов по узлам в следующем соотношении: выплавление ротора - 43 %, КЗ обмотки статора - 39, неисправность подшипников 11, прочие причины - 3 %. Общее количество отказов за рассмотренный период составило 96 случаев, средняя наработка до отказа - 273 843 км, параметр потока отказов - 3,65 случая на 106 км. Случайная величина коррелировала с нормальным законом распределения на 70,3 % (рисунок 4).

40

шт

30

25

20

15

10

5

0

\

и

1, hlh s:

A i»

... in иг иуд! ГГШТ in III rffiftb---__ llilllllllllill.il.i7i

50 100 150 200 250 300 км 10J 400 Количество наработок до отказа

Рисунок 3 - Закон распределения отказов асинхронных вспомогательных двигателей электровозов серии «Ермак» приписного парка депо Вихоревка и Смоляниново за период с января 2007 по июль 2009 г.

Рисунок 4 - Закон распределения отказов асинхронных вспомогательных двигателей электровозов серии «Ермак» приписного парка депо Вихоревка за период с февраля по сентябрь 2010 г.

Следующий анализируемый период - с сентября 2010 по март 2011 г. Основные причины отказов за данный период распределяются в следующем соотношении: выплавление ротора - 49, КЗ обмотки статора - 39, неисправность подшипников - 4, прочие причины - 8 %. Общее количество отказов за рассмотренный период составило 151 случай, средняя наработка до отказа - 275 713,7 км, параметр потока отказов - 3,63 случая на 106 км. В данном случае можно рассматривать в качестве закона х-распределение (рисунок 5).

Время эксплуатации с 2006 по 2009 г. можно отнести к периоду приработки электровозов серии «Ермак», в течение которого выявляются конструктивные недоработки. Недостаточно эффективно работала система конденсаторного расщепления фаз (ФР). После неудачного начала эксплуатации с большим количеством отказов АВМ был предпринят ряд мер, в том числе решение о замене статического фазорасщепителя электромашинным («пусковой двигатель»). Полученная после модернизации схема практически не отличается от системы питания АВМ всех отечественных электровозов переменного тока. После модернизации отмечено снижение числа отказов с 2010 по 2011 г.

Количественные показатели надежности, такие как средняя наработка до отказа и параметр потока отказов за различные периоды времени, демонстрируют постоянство, что свиде-

4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„2(f

тельствует о переходе к периоду, называемому в теории надежности «периодом нормальной эксплуатации». Плотность распределения отказов в данном периоде близка к нормальному закону, а математическое ожидание наработки до отказа постоянно и равно 27 104 км.

СС г: С

а I

о

m &

о

т =

а

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 650 Интервалы наработок до отказа

Рисунок 5 - Закон распределения отказов асинхронных вспомогательных двигателей электровозов серии «Ермак» приписного парка депо Вихоревка за период с сентября 2010 по март 2011 г.

На надежность АВМ влияют множество факторов, установление взаимодействий и степени влияния которых не представляется возможным. По этой причине законы распределения наработок до отказа имеют низкую корреляцию (степень достоверности) - 83,12; 70,3; 85,1 и не могут служить моделью для эффективного функционирования существующей системы планово-предупредительного ремонта.

Полученное математическое ожидание наработки до отказа 27 104 км на 32 % меньше срока первого ТР-3 и на 175,5 % меньше ресурса, заданного производителем, с предположительным коэффициентом использования локомотива 0,65.

Проведенный анализ надежности показал, что изоляция обмоток АВМ имеет низкий ресурс. Основными наиболее слабыми и выходящими из строя узлами АВМ являются статор -по причине пробоя изоляции (таблица 2), ротор - по причине выплавления стержней и неисправность подшипников, причем процентные соотношения данных групп отказов изменяются от года к году. Наработка на отказ у выходящего из строя оборудования также невелика, и по этой причине эффективное использование ресурса АВМ в рамках существующей системы ремонта и обслуживания двигателей снижается.

Одной из целей исследования надежности АВМ является определение средней наработки на отказ, позволяющей предотвратить отказы в работе при организации обслуживания и ремонта, а также продлить ресурс машины. Определение объективного математического ожидания отказа АВМ для эффективного корректирования межремонтных пробегов не представляется возможным, так как отказы имеют во многом случайный, непостоянный характер.

Таблица 2 - Сводная таблица соотношений отказов АВМ по механизмам и по причинам за период 2006 -2011 г.

Причина отказа Тип механизма

МВ1 МВ2 МВ3 КМ ФР МН Все машины

Пробой изоляции статора, % 74,85 82,86 81,82 77,97 27,27 33,33 65

Выплавление обмотки ротора, % 21,56 15,71 13,64 14,12 0,00 66,67 30

Неисправность подшипников, % 2,40 1,43 4,55 6,78 72,73 0,00 4,5

Прочее, % 1,20 0,00 0,00 1,13 0,00 0,00 0,5

№ 2(22) ЛЛ Л W ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5

2015

Список литературы

1. Анализ надежности асинхронных вспомогательных машин при различных системах фазорасщепления [Текст] / Н. Н. Гарев, П. Ю. Иванов и др. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного транспорта. - Новосибирск. -2012. - № 1. - С. 348 - 351.

2. Худоногов, А. М. Контроль качества эксплуатации асинхронных вспомогательных машин электровозов [Текст] / А. М. Худоногов, П. Ю. Иванов // Вестник Иркутского гос. техн. ун-та / Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск. - 2013. - № 4 (75). - С. 106 - 110.

References

1. Garev N. N., Ivanov P. Iu., Vyzhimova V. N., Dul'skii E. Iu. Reliability analysis of asynchronous auxiliary machines at different phase splitting systems [Analiz nadezhnosti asinkhronnykh vspomogatel'nykh mashin pri razlichnykh sistemakh fazorasshchepleniia]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka - Scientific problems of transportation in Siberia and the Far East, 2012, no. 1, pp. 348 - 351.

2. Khudonogov A. M., Ivanov P. Iu. Quality Control operation of asynchronous electric auxiliary machines [Kontrol' kachestva ekspluatatsii asinkhronnykh vspomogatel'nykh mashin el-ektrovozov]. Vestnik Irkutskogo gosu-darstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Bulletin of Irkutsk State Technical University, 2013, no. 4 (75), pp. 106 - 110.

УДК 629.45/46

В. П. Клюка, А. П. Стариков, Д. Ю. Кузьменко, А. А. Попов

ИСПЫТАНИЕ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТЬ

В статье рассмотрен наиболее эффективный способ выявления тепловых потерь, связанных с неплотностью ограждающих конструкций. Предлагается метод по использованию аэродинамических и термодинамических исследований с возможностью применения на железнодорожном транспорте.

Одной из основных задач современного процесса перевозки пассажиров на железнодорожном транспорте является обеспечение санитарных норм и комфортных условий в поездке. Для этого пассажирский вагон оснащен системами отопления, водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Существенные затраты энергетических ресурсов идут на поддержание работоспособности этих систем. Техническое состояние кузова, способность ограждающих конструкций сохранять микроклимат внутри вагона во многом определяют эффективность и экономичность работы его систем жизнеобеспечения.

На теплоустойчивость вагона влияют герметичность и теплопроводность оболочки. Герметичность оценивается объемом проникновения воздуха через ограждающие конструкции вагона из окружающей среды в помещение за счет ветрового и теплового напора, формируемого разностью температур и перепадом давления воздуха снаружи и внутри помещения. Герметичность зависит от плотности примыкания элементов конструкции вагона и от воздухопроницаемости материала стенок. Теплопроводность оболочки определяется толщиной слоя теплоизолятора, его свойствами, влажностью, плотностью заполнения межстеночного пространства, наличием металлических несущих элементов, выступающих в роли «термических мостиков» [1].

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

: = _