Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 629.422 Паровозы. Тендеры
This work objective is to study the thermal conditions of traction electric motors (TEM) of an electric locomotive after factory repairs. Comparison of theoretical and practical methods for defining the temperature of the armature copper of a traction motor after factory repairs. Thermal modes of TEM operation were defined theoretically, using methods of mathematical modelling, and experimentally by the method of IR diagnostics. The scientific novelty of the work lies in the confirmation of the possibility of using mathematical modelling methods when testing traction motors after repairs. The temperature of the armature copper theoretically (by calculation), taking into account the cooling air, was 105 °C, and in practice, when testing traction motors hourly, the temperature was 101 °C. The error between the theoretical and practical methods of diagnosing is less than 4%, which indicates the relevance and possibility of using this method of thermal control during further tests of traction motors.
: operation, locomotives, temperature, windings, relevance, methods, control
Введение
В процессе эксплуатации локомотивов на сети железных дорог России они подвергаются значительным нагрузкам и воздействию природно-климатических факторов. Это оказывает большое влияние на тягово-энергетические показатели в эксплуатации, а также объём их технического обслуживания и ремонта [1]. На основании проведенного анализа внезапных отказов и неисправностей узлов и агрегатов локомотивов удалось установить, что тяговые электродвигатели (ТЭД) являются одним из наиболее уязвимых объектов. Работа в условиях значительных перепадов температур и периодических перегрузок, связанных с неравномерностью загрузки, может привести к многочисленным неисправностям: ускорению старения изоляции и её разрушению; ухудшению характеристик смазочных материалов; нарушению работы отдельных узлов. По этим причинам задача совершенствования технологии ремонта тяговых электродвигателей, которая позволит обеспечить сохранение и восстановление оптимальных параметров их работы, является крайне актуальной [2, 3, 4].
Применение современных и надежных средств мониторинга, которые могут обнаружить отклонение рабочих параметров ТЭД от нормы, позволит снизить количество отказов в эксплуатации. Эта задача является особенно актуальной после проведения ремонтных работ [5, 6, 7, 8].
В последнее время, среди современных методов контроля и оценки состояния узлов и агрегатов локомотива, наиболее широкое распространение получают тепловизионные методы (ТК). Несмотря на высокую стоимость аппаратных средств ТК, число тепловизоров, находящихся в эксплуатации, ежегодно увеличивается. Целесообразность этих вложений объясняется широким диапазоном возможностей по обследованию узлов и агрегатов локомотивов современными средствами ТК.
Результат проведения анализа применяемых методов контроля показал, что точность и эффективность большинства методик зависит от квалификации оператора. Опыт и такая информация, как ответственность узла, возможность исправления и другие субъективные факторы часто оказывают влияние на принятие решения.
Таким образом, можно сделать вывод, что на сегодняшний день состояние дел в области инфракрасной термографии характеризуется острой нехваткой информации об опыте и способах обследования объектов, а это в свою очередь сопровождается низкой эффективностью применения дорогостоящей аппаратуры, а также приводит к ошибкам в оценке реального состояния оборудования и, как следствие, к внезапным отказам силового оборудования.
Материалы, модели, эксперименты и методы
В ходе проведения исследований был выполнен анализ токовых нагрузок силовой схемы электровоза, которые приводят к образованию источников нагревания. Выполненный анализ показал возможность и целесообразность диагностирования отдельных элементов электрооборудования на различных режимах работы. Эти выводы были подтверждены в ходе испытаний технических средств в реальных условиях при организации ремонта и эксплуатации.
Испытания тяговых электродвигателей электровоза после проведения заводского ремонта выполнялись методом взаимной нагрузки с целью исследования их тепловых режимов при помощи переносного тепловизора NEC TH-9100.
Тепловизоры данной серии обладают достаточно высоким уровнем точности. При выборе оборудования для проведения экспериментальных исследований данный тепловизор оказался одним из самых функциональных. Применяемый прибор обладает следующими техническими характеристиками: диапазон измерений температуры (диапазон 1: –20-+100 °С/–40-+120°С; диапазон 2: 0 - +250 °С/0-500 °С; диапазон 4(опция): 200-2000°С/ -); детектор (Неохлаждаемая микроболометрическая матрица 320×240 элементов); порог температурной чувствительности (0,08/0,1 °С при измерении с частотой 60 Гц; 0,04/0,05 °С – при осреднении 16 измерений); оптическое поле зрения, по горизонтали x по вертикали (21,7°×16,4°); спектральный диапазон (8-14 мкм); частота развертки изображения, кадров/с (60 Гц); регулируемая излучательная способность (от 0,10 до 1,00 (с шагом 0,01); передача данных (RS-232, IEEE1394 + PAL, NTSC, S-video); источник питания (аккумулятор (Li-ion) или от адаптера сети 220 В); габаритные размеры, длина x ширина x высота (189×108×113 мм); погрешность измерения температуры (±2 °С, но не менее ±2 %); вес (вместе с батареями) не более 1,7 кг. Условия эксплуатации тепловизора по температурному диапазону находятся в пределах от –15 °С до +50 °С, а относительная влажность должна быть в пределах от 10 % до 90 % без конденсации.
Измерения параметров тяговых электродвигателей методом взаимной нагрузки проводились на стенде испытательной станции электромашинного цеха Ростовского электровозоремонтного завода (РЭРЗ) АО «Желдорреммаш» (рис. 1 и 2) для часового режима работы.
Рис. 1. Информационно-вычислительная часть стенда для испытания
тяговых электродвигателей
Fig. 1. Information and computing part of the stand for testing
traction electric motors
Рис. 2. Внешний вид стенда для испытания тяговых электродвигателей
Fig. 2. Appearance of the test bench for traction electric motors
Основная часть
Наиболее уязвимыми при воздействии критических температур являются обмотки электрических машин. Механический и тепловой износы изоляции вызывают их повреждения, а также способствуют преждевременному выходу из строя электрической машины. Для своевременного выявления перегрева обмоток электродвигателей предлагались различные методы. Одним из методов оценки температуры являлось определение теплового состояния коллектора и якоря по температуре охлаждающего воздуха на входе и выходе и по его расходу. Также ранее предлагались различные устройства, определяющие температуру поверхности изоляции по разнице температур поступающего охлаждающего воздуха и отработанного воздуха на выходе из корпуса электрической машины. Но данные методы не являются объективными, т. к. при их использовании имеется множество влияющих на оценку температуры обмотки факторов, таких как скорость движения воздуха, его химические и физические свойства, качество воздушных фильтров, технические характеристики вентиляторов и т. д. [9].
Определение превышений температур обмоток выполняем для часового режима работы, по возможности с учетом тех видов дополнительных потерь, возникающих при работе на пульсирующем токе, которые поддаются достаточно точному определению [10, 11]. Температуру меди обмотки якоря тягового двигателя НБ-520В определим из уравнения
где ΣΔPм – суммарные потери в меди обмотки якоря, Вт; aа – коэффициент теплопередачи, Вт/(°С·м²); λиз а – удельная теплопроводность пазовой изоляции, Вт/(°С·м²); p' – приведенный периметр паза, м; t1, tr – температурные коэффициенты; mк – масса участков зубцов якоря, кг;
dк – удельный температурный коэффициент для зубцового слоя якоря, 1/кг; Z – количество зубцов якоря; ΣΔPся – суммарные потери в стали якоря, Вт; lл, lа – размеры зубцового слоя якоря, м; Dа – диаметр якоря, м; ТВ – температура вентилируемого воздуха, °С.
В результате подставовки известных численных значений температура меди обмотки якоря тягового двигателя НБ-520В составила 105 °С.
Результаты экспериментальных исследований по определению температуры нагрева элементов коллекторно-щёточного аппарата тяговых электродвигателей локомотива с использованием тепловизора NEC TH9100 при их испытании методом взаимной нагрузки на стенде для часового режима работы представлены на рис. 3.
Рис. 3. Вид через коллекторный люк тягового двигателя
Fig. 3. View through the collector hatch of the traction electric motor
Выводы
1. Опытная эксплуатация предложенного авторами метода ИК-диагностики показала высокую вероятность обнаружения дефектных узлов тяговых двигателей электровозов после проведения заводского ремонта.
2. Температура меди обмотки якоря теоретическим (расчетным) путем с учетом охлаждающего воздуха составила 105°С, а практическим, при испытании тяговых электродвигателей в часовом режиме, температура составила 101°С. Погрешность между теоретическим и практическим методом диагностирования составляет менее 4%, что говорит об актуальности и возможности применения данной методики теплового контроля при дальнейших испытаниях тяговых электродвигателей.
3. Применение теоретического метода определения нагрева различных узлов силовой схемы локомотива особенно актуальна при организации ремонта локомотивов за счет экономии времени и средств.
4. Основными критериями эффективности тепловизионной диагностики являются:
– наличие методической базы, которая позволит наиболее точно и достоверно проводить оценку состояния оборудования локомотивов;
– высокая квалификация технического персонала, подкрепленная знанием конструкции и принципа работы оборудования, а также методику проведения его обследования и обработки полученных результатов;
– наличие современных технических средств мониторинга.
5. На получаемые результаты обследования оказывают влияние такие факторы, как нагрузка, климатические условия, дальность, излучающая способность поверхности и др.
1. Grebennikov N., Zarifyan A., Zarifyan A. (jr.), Talakhadze T., Romanchenko N., Shapshal A. Increasing the Energy Efficiency of Rail Vehicles Equipped with a Multi-Motor Electrical Traction Drive. 2019 26th International Workshop on Electric Drives: Improvement in Efficiency of Electric Drives (IWED). Publisher: IEEE. 2019. 18527220. doi: 10.1109 / IWED.2019.8664283.
2. Shapshal A., Gubarev P., Glazunov D. Refined Collector Thermal Design for Electric Locomotive Traction Engine. Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering. 2020. p. 331-337. doi:https://doi.org/10.1007/978-3-030-54814-8_40.
3. Zhogolev E.N. Issledovanie prichin vozniknoveniya neispravnostey tyagovyh elektrodvigateley na gruzovyh elektrovozah postoyannogo toka 2ES6. Fundamental'nye i prikladnye nauchnye issledovaniya: aktual'nye voprosy, dostizheniya i innovacii: sbornik statey XXXIV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii: v 2 ch. - Penza, 2020. S. 76-79.
4. Harlamov V.V., Shkodun P.K., Sergeev R.V., Dolgova A.V. Sovershenstvovanie tehnologii diagnostirovaniya tyagovyh elektrodvigateley posle provedeniya remonta v usloviyah lokomotivnogo depo. Tehnologicheskoe obespechenie remonta i povyshenie dinamicheskih kachestv zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava: sb. trudov konferencii, Omskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya. - Omsk: Izd-vo Omskogo GUPS, 2013. S. 53-60.
5. Gubarev P.V., Shapshal A.S., Kurochkin A.S. Analiz rezul'tatov ispytaniy teplovizionnogo kontrolya elektrovozov peremennogo toka. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2020. № 7. S. 142-147.
6. Belan D.Yu., Haseinov K.B., Dyundin V.V., Kubrina T.V., Kubrina I.V. Razrabotka tehnologicheskogo oborudovaniya dlya sovershenstvovaniya tehnologii remonta tyagovyh elektrodvigateley. Sovremennye materialy, tehnika i tehnologiya: sb. tr. konferencii. Materialy 3-y Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. Kursk, Izd-vo YuZGU, 2013. S. 47-50.
7. Lipa K.V., Belinskiy A.A., Lakin I.K. [i dr.] Monitoring tehnicheskogo sostoyaniya i rezhimov ekspluatacii lokomotivov v TMH-Servis. Teoriya i praktika. Moskva: OOO «Lokomotivnye Tehnologii», 2015. 211 s. ISBN 978-5-9905057-3-5.
8. Gubarev P.V., Bol'shih I.V., Shabaev V.V. Analiz suschestvuyuschih diagnosticheskih kompleksov dlya kontrolya urovnya vibracii uzlov lokomotivov. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. Moskva: Innovacionnoe mashinostroenie, 2020. S. 318-320.
9. Grischenko M.A. Povyshenie nadezhnosti obmotki yakorya tyagovogo elektrodvigatelya. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobscheniya. 2009. S. 62-68.
10. Gubarev P.V., Shapshal A.S., Bol'shih I.V. Ob'ektivnaya ocenka stepeni polimerizacii elektroizolyacionnyh materialov pri sushke obmotok yakorey tyagovyh dvigateley elektrovozov. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2020. № 2. S. 477-483.
11. Gubarev P.V., Talahadze T.Z., Zinchenko N.N. Issledovanie po kontrolyu izolyacii elektricheskih apparatov i mashin. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii. Moskva: Innovacionnoe mashinostroenie, 2020. S. 248-250.
