Анализ надежности вспомогательных электрических машин электропоездов Восточно-Сибирского региона

Заключение

Применение предлагаемой авторами математической модели расчета коэффициента готовности мультимодального транспортного узла к освоению потребных объёмов перевозок на расчетный период позволяет оценить проектные альтернативы развития МТУ с позиций надежности функционирования его объектов при заданных объёмах перевозок и возможных мероприятиях по изменению облика и мощности узла, включенных в проектную альтернативу. Данный показатель надежности включен авторами в сбалансированную систему показателей (ССП) [6], которая используется для комплексной оценки стратегических инициатив развития МТУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Анисимов Вл. А. Нечипорук М.В. Модель взаимодействия железнодорожного и морского транспорта для повышения эффективности мультимодальных

перевозок // Изв. Петербург. ун-та путей сообщ. 2014. № 3. С. 9-15.

2. Надежность технических систем и техногенный риск / В.А. Акимов и др. М. : Деловой экспресс, 2002 368 с.

3. Анисимов В.А. Теория и практика проектирования развития региональной сети железных дорог с учетом изменения облика и мощности станций и узлов : дисс. ... д-ра техн. наук : 05.22.03 / В.А. Анисимов. Хабаровск, 2005. 380 с.

4. Грунтов П.С. Эксплуатационная надежность станций. М. : Транспорт, 1986. 247 с.

5. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог : утв. ОАО «РЖД» от 10.11.2010 № 128. Москва, 2010. 231 с.

6. Нечипорук М.В., Анисимов В.А. К вопросу использования сбалансированной системы показателей при моделировании взаимодействия железнодорожного и морского транспорта в мультимодальном транспортном узле // Транспорт Урала. 2014. № 3. С. 13-17.

УДК 621.33 Васильев Антон Александрович,

заместитель начальника моторвагонного депо Иркутск-Сортировочный, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-902-5-103-115, e-mail: locomotivschik@mail.ru

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

A. A. Vasilev

RELIABILITY ANALYSIS OF AUXILIARY ELECTRIC TRAINS ELECTRIC CARS

OF THE EAST-SIBERIAN REGION

Аннотация. С целью совершенствования технологии деповского ремонта электродвигателей электропоездов автором проведен анализ надежности вспомогательных электрических машин моторвагонного подвижного состава на ВосточноСибирском полигоне. На их долю приходится большая часть отказов электродвигателей. В процессе эксплуатации вспомогательные электрические машины подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов, причем на электропоезде эти факторы оказывают комплексное воздействие. Анализ полученной информации технического состояния моторвагонного подвижного состава предопределил поиск новых методов и средств повышения ресурса вспомогательных электрических машин. Существующая технология ремонта и восстановления изоляции вспомогательных электрических машин на деповском уровне не решает проблему выхода из строя изоляции лобовой части обмоток статора и якоря. Вспомогательные электрические машины в полном объеме не исчерпывают свой ресурс эксплуатации до очередного планово-предупредительного ремонта, как при выполнении деповского текущего ремонта ТР-3.

Ключевые слова: вспомогательная электрическая машина П-31, АОМ-32-4, изоляция, капсулирование, диаграмма Па-

рето.

Abstract. With the aim of improving the technology of electric motors depot repair the author carried out the analysis of the multiple unit auxiliary electric cars reliability on the East-Siberian polygon. They are accounted for a large part of the failures of electric motors. During operation the auxiliary electrical machines are subject to constant exposure to mechanical, thermal, climatic and electromagnetic factors, these factors having a complex effect on electric trains. The analysis of the multiple unit technical condition determined the search for new methods and means of increasing auxiliary electric machines resource. The existing technology of auxiliary electric vehicles isolation repair and restoration at depot level does not solve the problem of failure of the insulation of the frontal part of the windings of the stator and armature. Auxiliary electrical machines in full do not exhaust their operation resource until the next scheduled preventive maintenance, as in the performance of depot TR-3 current repair.

Keywords: auxiliary electrical machine P-31, AOM-32-4, isolation, encapsulation, Pareto chart.

Введение

Вспомогательные электрические машины (ВЭМ) являются одной из нагруженных частей электропоезда. На их долю приходится большая

часть отказов. В процессе эксплуатации вспомогательные электрические машины подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов,

Транспорт

ш

причем на электропоезде эти факторы оказывают комплексное воздействие [1-5].

На моторвагонном подвижном составе Восточно-Сибирской железной дороги, как и по сети железных дорог Российской Федерации, установлены наиболее распространенные типы ВЭМ, в зависимости от места установки и характера работы [6]:

- двигатель компрессора МАК 160;

- двигатель постоянного тока вспомогательного компрессора П-31;

- двигатель вентилятора АОМ-32-4;

- двигатель насоса трансформатора МТТ16/1002;

- двигатель расщепителя фаз РФ1Д.

Таким образом, в процессе эксплуатации

весь парк вспомогательных электрических машин обеспечивает собственными потребностями электропоезд:

- нагнетание сжатого воздуха в питательную магистраль и цепей управления;

- циркуляция вентилируемого потока воздуха в салоне вагона;

- преобразование однофазного переменного тока в трехфазный переменный ток;

Анализ надёжности вспомогательных электрических машин и тяговых двигателей с открытыми головками секций по сети железных дорог

России и по Восточно-Сибирской железной дороге неоднократно обсуждался в работах [7-12]. Условия эксплуатации ВЭМ на различных дорогах резко отличаются не только климатом, но и профилем пути, колебанием напряжения в контактном проводе и интенсивностью движения (рис. 1) [13-17].

Технический анализ

Проведен технический анализ повреждений оборудования электропоездов по ВосточноСибирской Дирекции моторвагонного подвижного состава, включающий количественные данные по тяговым электрическим машинам, вспомогательным электрическим машинам, электроаппаратуре, механической части и другому оборудованию электропоездов ВС ДМВ.

В качестве анализируемого периода берутся последние три года, а также первый квартал 2014 года. Рассчитан параметр потока отказа по оборудованию. На рис. 1, 2 представлена диаграмма Па-рето по видам отказов оборудования электропоездов и диаграмма распределения смены оборудования серии Эр9пк,т и Эд9и,т,мк по сети ВС ДМВ за период 2011-2014 гг. К эксплуатационным воздействиям, оказывающим влияние на износ вспомогательных электрических машин, относятся как климатические: температура, давление окружающей среды и влажность, так и другие факторы эксплуатационного характера: агрессивная среда, вибрации, высокие ме-

Рис. 1. Диаграмма Парето отказов оборудования электропоездов ВС ДМВ за период 2011-2014 гг.

Рис. 2. Смена оборудования МВПС ВС ДМВ за период 2011-2014 гг.

ханические и электрические нагрузки. В процессе эксплуатации вспомогательных электрических машин, а также во время их хранения и транспортировки изоляция подвергается разнообразным внешним воздействиям, приводящим с течением времени к прогрессирующему ухудшению ее свойств.

Практический анализ

Осенне-зимне-весенний период является наиболее неблагоприятным для вспомогательных электрических машин. Через вентиляционные отверстия ВЭМ, конструкция которых предусматривает защиту от попадания снега, внутрь двигателей возможно попадание воды и снега. Также в ВЭМ конденсируется влага и при постановке холодного МВПС в теплое помещение. Общая картина изменения параметра потока отказов изоляции ВЭМ мотор-вагонного подвижного состава на Восточно-Сибирской железной дороге показана на рис. 3. Если ВЭМ не находятся под нагрузкой, то попадающая в них влага поглощается изоляци-

ей, что характерно для электродвигателей типа П-31 и АОМ-32-4. Проникая в мельчайшие трещины и поры изоляционного материала, она значительно снижает его электрическую и механическую прочность. Подобное увлажнение изоляции происходит особенно интенсивно при повышении влажности с резким увеличением температуры окружающей среды [16-18].

При суточных колебаниях температуры воздуха, или оттепелях, ВЭМ нагревается медленно. При соприкосновении воздуха с более холодными частями ВЭМ воздух охлаждается, его влагоем-кость уменьшается, и избыток водяного пара оседает на обмотках статора в виде инея, от этого изоляция увлажняется и начинается ее разрушение. Расположение вентиляционных отверстий в системе вентиляции ВЭМ обуславливает не только значительную неравномерность нагрева обмотки статора, но и более интенсивное переувлажнение изоляции лобовой части обмотки ста-

Рис. 3. Изменение параметра потока отказов ВЭМ за 2011, 2012, 2013 и 1й квартал 2014 года по Восточно-Сибирской железной дороге

Транспорт

ш

тора и якоря. При эксплуатации ВЭМ в регионах с повышенной абсолютной влажностью воздуха в остове может оказаться до 3 л воды [18].

Неравномерный перегрев и переувлажнение изоляции по задней лобовой части обмотки статора и якоря приводит к локальному снижению надёжности этой части ВЭМ. Можно полагать, что в процессе ослабления связующего слоя изоляции задней лобовой части влага через пористые капилляры начнёт проникать внутрь паза статора и якоря. Большая часть неисправностей с самым распространенным диагнозом на Восточно-Сибирской железной дороге «статор-ноль» обусловлена этой причиной.

Оценить техническое состояние электропоездов представляется возможным только на основе анализа надежности подвижного состава, который, как говорилось ранее, показывает, что ВЭМ электропоездов ВС ДМВ являются одним из самых повреждаемых узлов. Наибольший процент всех повреждений приходится на изоляцию следующих вспомогательных электрических машин, в зависимости от места установки на МВПС и характера работы. Двигатель: вентилятора АОМ-32-4 -25,5 %, базового компрессора - 11,8 %, вспомогательного компрессора П-31 - 34,3 %, фаза расщепителя РФ1Д - 6,9 % (рис. 4). Высокая повреждаемость изоляции асинхронных двигателей компрессоров П-31 и вентиляторов АОМ-32-4 (59,8 % всех отказов) объясняется тем, что они находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Де-

фекты конструкции и изготовления изоляции, монтажа и ремонта также являются частыми причинами повреждений, в большей степени они проявляются у приводов с тяжелыми условиями работы по механическим усилиям. По этим причинам большую повреждаемость имеют двигатели компрессоров и вентиляторов, у которых число пусков достигает более 2000 в год.

При рассмотрении зависимостей изменения параметра потока отказов ВЭМ по ВосточноСибирской Дирекции моторвагонного подвижного состава можно отметить следующее:

- надежность ВЭМ электропоездов не улучшается;

- происходит увеличение параметра потока отказов изоляции ВЭМ электропоездов;

- большая часть отказов вспомогательных электрических машин приходится на лобовую часть статора и якоря ВЭМ;

- происходит существенное увеличение отказов ВЭМ типа П-31 и АОМ-32-4;

Существенное число отказов изоляционных конструкций вспомогательных электрических машин типа П-31 и АОМ-32-4, которые выполняют функцию привода в обеспечении давления в питательной магистрали цепей управления и циркуляции потока воздуха салона вагона в пригородном движении ВС ДМВ, потребовало применения системного подхода к анализу причин отказов вспомогательных электрических машин и, в первую очередь, их изоляционных конструкций.

Рис. 5. Основное место повреждения ВЭМ электропоездов ВС ДМВ

Наибольшая концентрация влаги будет иметь место на задней лобовой части обмотки статора и якоря (рис. 5). Это происходит из-за того, что поток воздуха, проходя через вентиляционную систему ВЭМ, остывает и конденсируется. Эта концентрация влаги выше у вспомогательных электрических машин с подшипниковыми щитами без выходных вентиляционных отверстий. Таким образом, проблема локального перегрева и переувлажнения изоляции по лобовой части обмотки статора, расположенной со стороны, противоположной вентиляционным окнам, остаётся. Это было выявлено в ходе анализа частоты отказов статоров и якорей двигателей по моторвагонному депо станции Иркутск-Сортировочный, который показал, что более высокую надежность изоляционных конструкций имеет статор двигателя МАК-160 с закрытыми вентиляционными окнами в сравнении с якорем двигателя П-31 с вентиляционными окнами и статором АОМ-32-4.

Если на двигатель базового компрессора МАК-160 неисправности по пробою изоляции составляют 11,8 %, то на аналогичные повреждения двигателей типа АОМ-32-4, П-31 и РФ1Д прихо-

дится более 59,8 %.

На основании проведенного анализа состояния ВЭМ в пригородном движении ВС ДМВ по выявлению характера и причин отказов изоляционных конструкций статора двигателей типа АОМ-32-4, МАК-160 и якоря П-31 было установлено, что наиболее часто наблюдаются пробои изоляции статора и якоря по задней лобовой части.

Производственный фактор

Так, например, при смене вспомогательных электрических машин моторвагонного подвижного состава на ВС ДМВ были забракованы статоры и якоря по пробою изоляции лобовой части (рис. 6):

- двигатель вентилятора АОМ-32-4 из 26 машин - забраковано 18 машин (69,2 %);

- двигатель вспомогательного компрессора П-31 из 35 машин - забраковано 26 машин (74,3 %);

- двигатель базового компрессора МАК-160 из 12 машин - забраковано 6 машин (50 %);

- двигатель расщепителя фаз РФ1Д из 7 машин - забраковано 4 машины (57,1 %).

На рис. 6 представлена диаграмма отбраковки ВЭМ на ВС ДМВ за 2011-2013 и 1-й квартал 2014 г.

Рис. 6. Отбраковка ВЭМ на ВС ДМВ за 2011-2013 и 1-й квартал 2014 г.

Это указывает на то, что влагостойкость изоляции обмотки статора двигателей АОМ-32-4 и якоря П-31 при таком конструктивном исполнении оказалась ниже, чем у двигателя компрессора МАК-160 и расщепителя фаз РФ1Д.

На рис. 7 приведен фрагмент локального повреждения изоляции на лобовой части обмотки статора ВЭМ типа АОМ-32-4 со стороны, противоположной вентиляционным окнам.

В таких случаях наиболее целесообразным и эффективным будет метод продления ресурса изоляции путём увеличения прочности и упругости лобовой части обмотки статора и якоря при выполнении текущего ремонта в условиях депо.

На протяжении последних 5 лет в моторва-гонном депо Иркутск-Сортировочный и моторва-гонном депо Вихоревка, а также по оборотным участкам Нижнеудинск и Улан-Удэ сохраняется стабильная тенденция более 40 отказов в год по пробою изоляции статоров и якорей вспомогательных электрических машин. В этой связи была выдвинута гипотеза о том, что пробои изоляции и межвитковые замыкания статоров и якорей происходят в результате наиболее интенсивных процессов тепломассообмена в изоляции лобовых частей их обмоток (рис. 7).

Заключение

Анализ полученной информации технического состояния моторвагонного подвижного парка по Восточно-Сибирской железной дороге предопределил поиск новых методов и средств повышения ресурса вспомогательных электрических машин моторвагонного подвижного состава [19]. Опыт производственной практики, работы в течение 5 лет с Красноярской, Западно-Сибирской и Забайкальской железной дорогой говорит о том, что существующая технология ремонта и восста-

новления изоляции вспомогательных электрических машин на деповском уровне не решает причину выхода из строя изоляции лобовой части обмоток статора и якоря. Вспомогательные электрические машины в полном объеме не исчерпывают свой ресурс эксплуатации до очередного планово-предупредительного ремонта, как при выполнении деповского текущего ремонта ТР-3, а также заводского капитального ремонта КР-1.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава. М. : Транспорт, 1981. 184 с.

2. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и надежность электрических машин. М. : Высш. шк., 1988. 232 с.

3. Исмаилов Ш.К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока. Омск : ОмГУПС, 2001. 76 с.

4. Сонин В.С. Результаты опытной эксплуатации тяговых двигателей электровозов без пропитки их изоляции между заводскими ремонтами // Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов. М. : Транспорт, 1974. С. 45-52.

5. Надёжность асинхронных вспомогательных машин электровозов / А.М. Худоногов, Д.А. Оленцевич, Е.М. Лыткина, В.Н. Иванов // Вестн. ИрГТУ 2008. № 2 (34). С. 117-119.

6. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю.А. Бахвалов и др. ; под ред. А.А. Зарифьяна. М. : Маршрут, 2006. 374 с.

7. Худоногов А.М. Восстановление изоляционных свойств обмоток якоря тягового электродвигателя // Вестник ИрГТУ. 2006. № 4 (28). С. 60-62.

8. Смирнов В.П. Ефремов Е.В., Пехметов И.С. Анализ причин отказов тяговых двигателей НБ-514 ВСЖД //

Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке : тр. третьей междунар. науч. конф. творческой молодежи. Т. 1. Хабаровск : ДВГУПС, 2003. С. 61-65.

9. Влияние эксплуатационных факторов на надежность ТД электровозов подталкивающего движения / И.С. Гамаюнов и др. // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт : тр. третьей междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. 5-8 июн. 2007 г. Омск, 2007. С. 71-73.

10. Гамаюнов, И.С. Эксплуатационная надежность тяговых двигателей электровозов Восточного региона / И.С. Гамаюнов, Д.А. Оленцевич, Д.Ю. Алексеев и др. // Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт : тр. третьей междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. 5-8 июн. 2007 г. / отв. ред. В.П. Горелов. Омск,

2007. С. 68-70.

11. Надежность электрических машин тягового подвижного состава / Д.В. Коноваленко и др. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока 2008. № 1. С. 196-198.

12. Лыткина Е.М. Разработка многоканальной системы мониторинга электрических машин // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях : сб. науч. докл. науч.-практ. конф. М. : Изд-во Моск. гос. строит. ун-т ,

2008. С. 208-209.

13. Инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних

условиях : утв. ЦТ/814 от 10.04.01. М. : Транспорт, 2001. 72 с.

14. Технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» : распоряжение № 3 р, от 17.01.2005 г.

15. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава ЦТ-ЦТВР/4782 : утв. МПС СССР 02.04.90.

16. Юренков М.Г. Анализ влияния условий эксплуатации на надежность тяговых электродвигателей / Исследование работы электрооборудования и вопросы прочности электроподвижного состава : науч. тр. Омск : Изд-во ОмИИТ, 1974. С. 57-60.

17. Худоногов А.М. Эксплуатация электровозов в условиях низких температур // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока 2008. № 2. С. 201-204.

18. Козубенко В.Г. Безопасное управление поездом: вопросы и ответы : учеб. пособие для образоват. учреждений ж.-д. трансп., осуществляющих профессиональную подготовку / В.Г. Козубенко. М. : Маршрут, 2005. 320 с.

19. Перспективная технология повышения и продления ресурса тяговых электрических машин и аппаратов / И.А. Худоногов, Е.М. Лыткина, А.А. Васильев, Д.Ю. Алексеев // Вестн. ИрГТУ. 2010. № 7 (47). С. 121-124.

УДК 621.311 Христинич Роман Мирославович,

д. т. н., профессор, Красноярский институт железнодорожного транспорта, тел. 89029413564,

Луковенко Антон Сергеевич,

аспирант, Красноярский институт железнодорожного транспорта, тел. 89233288480, e-mail: anlukov2.0@mail.ru

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В УСЛОВИЯХ ПРЕДЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ

R. M. Khristinich, A. S. Lukovenko

POWER TRANSFORMERS RELIABILITY AND MODE OF OPERATION IN THE ULTIMATE LOAD PREDICTION

Аннотация. В статье рассматривается расчет надежности силовых масляных трансформаторов. При помощи квантилей распределения хи-квадрат определены верхняя и нижняя граница наработки на отказ силовых трансформаторов для разного периода эксплуатации, определены доверительные границы с вероятностью а = 0,9; 0,95; 0,99  На основе полученных результатов потока отказов силовых трансформаторов 35-110 кВ делается вывод о наиболее частых повреждениях элементов трансформаторов.

В условиях предельной нагрузки трансформаторов, выработавших нормативный срок службы, предложено применение искусственного интеллекта для выработки рекомендаций эксплуатации и режимов работы силовых трансформаторов.

Для решения задач прогнозирования надежности оборудования используется многослойный персептрон. Для обучения искусственной нейронной сети используется алгоритм обратного распространения ошибки совместно с одним из алгоритмов поиска экстремума. Из приведенных данных получаем наиболее точную картину перспективных параметров трансформатора при использовании его предыстории. Из полученных результатов прогноза получена минимальная и максимальная величина погрешности.

Ключевые слова: силовой трансформатор, показатели надежности, квантили распределения, искусственная нейронная

сеть.

Abstract. The article discusses the calculation of reliability of power oil transformers. Using the quantiles of the distribution of CHI-square, upper and lower bound of power transformers MTBF for different operation period are defined, confidence limits of the