Мониторинг и управление качеством эксплуатации тяговых электродвигателей подталкивающих электровозов Восточно-Сибирской железной дороги

Процессы развития научно-технического прогресса являются решающим фактором повышения эффективности железнодорожного транспорта и, в частности, электроподвижного состава в современных условиях, что имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации финансируемой инвестиционной программы ресурсосбережения, которая является составной частью раздела о железнодорожном транспорте Федеральной целевой программы Правительства Российской Федерации «Модернизация транспортной системы России (2002;2010 гг.)» [1]. В локомотивном хозяйстве и, в частности, при эксплуатации электроподвижного состава имеются значительные резервы в ресурсосбережении.

Анализ надежности тяговых электродвигателей Восточного региона показывает, что на долю тяговых электродвигателей (ТЭД) приходится более одной пятой отказов. На основании исследований установлено, что 75.85% тяговых электродвигателей выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т. е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭД и снижение ее диэлектрической прочности.

Наблюдается рост повреждений ТЭД по мере увеличения срока эксплуатации. Использование электровозов с вышедшим из строя хотя бы одного тягового электродвигателя запрещается. Средняя стоимость устранения отказа ТЭД в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования. Велик ущерб от задержек поездов при повреждениях ТЭД. Две трети неисправностей ТЭД вызваны пробоями изоляции обмоток. Испытания показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки оборудования, а также снижением расхода охлаждающего воздуха существенно меньше допустимых значений. Тепловое и термомеханическое старение изоляции тяговых электродвигателей электровозов Восточного региона ускоряется из-за значительных колебаний нагрузки при следовании по горно-холмистому профилю дороги, с частыми подъемами и спусками [2].

Исследованиями установлено, что выход из строя тяговых электродвигателей по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции вследствие ее недопустимого увлажнения, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава в условиях ВСЖД. Необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых способов и средств мониторинга и управление качеством эксплуатации ТЭД. Имеющиеся в настоящее время, в распоряжении эксплуатационного персонала методы и средства диагностики состояния изоляции тяговых электрических машин основаны на применении мегомметра не удовлетворяют современным требования, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. Появившиеся на отечественном рынке современные методы и средства контроля состояния электроизоляции позволяют диагностировать несколько параметров, в том числе и степень увлажнения изоляции обмоток тяговых электрических машин. А это в свою очередь позволяет устанавливать предельно допустимые значения по степени увлажнения изоляции, при которых возможен ее пробой.

На сети железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, составляющей около половины электрифицированных дорог страны, эксплуатируются несколько типов грузовых электровозов — ВЛ60К, ВЛ80К,.

ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ85 [3]. Срок эксплуатации их составляет от 12 до 35 и более лет. Выпуск новых грузовых электровозов прекращен и в ближайшие 10−15 лет предполагается эксплуатация имеющегося в настоящее время парка электровозов без пополнения новыми локомотивами. Это в наибольшей мере касается Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Почти полностью электрифицированной по системе переменного тока, электровозы которой, работая на крутых (17%о и более) и протяженных расчетных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную.

В связи с этим возникает потребность ввода в технологические процессы различных способов, принципов и средств повышения надежности изоляции обмоток ТЭД.

Цель диссертационной работы — повышение надежности изоляции тяговых электродвигателей подталкивающих электровозов путем мониторинга и управления качеством их эксплуатации.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведен анализ надежности изоляции тяговых электродвигателей подталкивающих электровозов переменного тока ВСЖДсозданы математическая модель температурно-влажностного процесса ТЭД и «Бортовой программный комплекс расчета степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД" — определены степень и характер влияния эксплуатационных факторов на развитие процессов повреждения изоляции ТЭД подталкивающих электровозов переменного токауточнен процесс изменения надежности изоляции в зависимости от эксплуатационных воздействий — изменения свойств изоляции под действием повышенных температуры и влажностиразработаны методики и средства поддержания требуемого температурно-влажностного режима изоляции ТЭД подталкивающих электровозов с применением современной техники.

Методы исследования. В теоретической части работы использованы методы теории нагревания и охлаждения твердого тела, электродвигателей постоянного и пульсирующего тока, автоматического управления технологическими процессами. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании подталкивающих электровозов серии ВЛ80Р и заключались в измерении параметров, характеризующих режим работы и состояние ТЭД при тягово-эксплуатационных испытаниях, текущем ремонте, техническом обслуживании и нахождении электровозов в ожидании работы. Исследования осуществлялись в соответствии с методами планирования эксперимента. Обработка и анализ опытных данных велись с использованием теорий и методов математической статистики: теории проверки гипотез и оцениваниякорреляционного и регрессионного анализа. Научная новизна работы заключается в следующем: разработана математическая модель температурно-влажностного процесса ТЭД, позволяющая установить влияние всех стадий эксплуатации электровоза (работа под нагрузкой, выбег, нахождение в ожидании работы) на состояние его изоляцииустановлены степень и характер влияния эксплуатационных факторов на развитие процессов повреждения изоляции ТЭД подталкивающих электровозов переменного тока ВСЖДуточнен процесс изменения надежности изоляции в зависимости от эксплуатационных воздействийразработаны методы и средства мониторинга и управления качеством эксплуатации ТЭД подталкивающих электровозов с применением современной техники.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает пяти процентов.

Практическая ценность диссертации заключается в разработке следующих методик и средств: комплексного мониторинга и управления вентиляцией силового электрооборудования подталкивающего электровоза переменного тока по величине активной мощности приводных электродвигателей, что позволяет проводить регулярную объективную проверку и регулировку вентиляции при проведении технического обслуживания и текущего ремонта и обеспечивать существенное повышение надежности электровозов без увеличения времени их простояэкспресс-оценки режима работы ТЭД при прохождении технических обслуживаний, текущих ремонтов и нахождении электровоза в ожидании работы, устанавливающей влияние эксплуатационных воздействий на температурно-влажностное состояние изоляции и исключающей ее интенсивное тепловое старение и переувлажнение у отдельных двигателейконтроля ТЭД эксплуатируемого парка подталкивающих электровозов депо, позволяющего определять температурно-влажностное состояние изоляции и планировать мероприятия по обеспечению необходимого уровня ее диэлектрической прочностимониторинга и управления качеством эксплуатации ТЭД, обеспечивающей непрерывный контроль и регулирование температурно-влажностного режима ТЭД при ведении поезда на участке железной дороги.

Предложена математическая модель температурно-влажностного процесса ТЭД, которая позволяет создать «Бортовой программный комплекс расчета увлажненной изоляции обмоток ТЭД».

Реализация результатов работы. Полученные автором результаты работы приняты к внедрению Улан-Удэнским локомотивовагоноремонтным заводом (УУЛВРЗ), выполняющим средний и капитальный ремонт подталкивающих электровозов переменного тока, и локомотивными депо Иркутск-Сорти-ровочный и Северобайкальск ВСЖД, эксплуатирующими эти электровозы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на II международной науч.-техн. конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004) — всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие» (Красноярск, 2006) — всероссийской науч.-практ. конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке» (Чита, 2006) — всероссийской науч.-практ. конференции «Актуальные вопросы охраны интеллектуальной собственности» (Иркутск, 2006) — IV Байкальском международном экономическом форуме «Европа — Россия — Азиатско-Тихоокеанский регион: пути интеграции и сотрудничества» (Иркутск, 2006) — всероссийской науч.-практ. конференции «Транспорт 2007» (Ростов-на-Дону,.

2007) — III международной науч.-техн. конференции «Энергетика, экология, электроснабжение, транспорт» (Омск, 2007) — заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (Иркутск, 2004 — 2008) — совместном заседании кафедр «Подвижной состав электрических железных дорог, электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (Омск, 2006.

2008) — заседании кафедры «Электроподвижной состав» ДвГУПСа (Хабаровск, 2007).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, приложения, библиографического списка из 98 наименований и содержит 182 страницы основного текста, 25 таблиц и 63 рисунка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ надежности ТЭД подталкивающих электровозов переменного тока Восточно-Сибирской железной дороги показал, что отсутствие системы мониторинга и управления температурно-влажностным режимом изоляции приводит к снижению надежности тяговых электродвигателей на 35 — 45%.

2. Предложена математическая модель температурно-влажностного процесса ТЭД, позволяющая создать «Бортовой программный комплекс расчета степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД»;

3. Определены степень и характер влияния эксплуатационных факторов на развитие процессов повреждения изоляции ТЭД подталкивающих электровозов переменного тока. Установлено, что в значительной мере надежность ТЭД зависит от эксплуатационных и климатических факторов, формирующих температурно-влажностный режим изоляции двигателя.

4. Установлено, что повышенная нагрузка ТЭД подталкивающих электровозов вызывает тепловой износ изоляции, составляющий до 80 — 90% общего ее износа. Увеличенные температура нагрева и скорость изменения температуры обмоток ТЭД приводят к интенсивному тепловому и термомеханическому старению изоляции с образованием многочисленных пор и включений, способствующих к быстрому и обильному увлажнению обмоток и их пробой.

5. Разработаны методики, обеспечивающие требуемый температурно-влажностный режим ТЭД подталкивающих электровозов:

— комплексного мониторинга и управления вентиляцией силового электрооборудования подталкивающих электровозов по величине активной мощности приводных электродвигателей;

— комплексной экспресс-оценки теплового режима работы ТЭД после подталкивания тяжеловесных поездов, позволяющая обеспечить выравнивание температурно-влажностного режима изоляции ТЭД.

6. Предложены методы и средства, обеспечивающие требуемый температурно-влажностный режим ТЭД подталкивающих электровозов:

— контроля изоляции ТЭД подталкивающих электровозов депо, позволяющая определять температурно-влажностное состояние изоляции;

— непрерывного контроля и управления температурно — влажностными процессами изоляции обмоток ТЭД подталкивающего электровоза в процессе движения.

7. Внедрение комплекса методов и средств мониторинга изоляции обмоток ТЭД подталкивающих электровозов позволит повысить надежность ТЭД на 15%.