1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
1.1 Цели и задачи технического обслуживания
электроподвижного состава
На современных железных дорогах используется два вида тяги: теп-ловозная и электровозная. Многолетняя практика эксплуатации электри-фицированных дорог страны доказала их высокую техника – экономиче-скую эффективность. Капитальные затраты на электрификацию окупались в короткие сроки: от одного года до трёх-четырёх лет в зависимости от грузонапряжённости участка. Электрические локомотивы – машины тех-нически более совершенные и более мощные, чем тепловозы.
Электровозы практически не имеют ограничения по мощности, так как они получают питание централизованно и обладают способностью длительное время выдерживать перегрузки. Это позволяет использовать их для вождения тяжёлых составов с высокими скоростями не только на равнинных участках пути, но и на подъемах.
При электрической тяге скорость движения, нормы массы поездов, производительность локомотивов выше, чем при паровой и тепловозной тяге.
Внедрение электрической тяги способствовало росту энерговоору-женности на железнодорожном транспорте, особенно в хозяйстве движе-ния, путевом и грузовом, а рост энерговооружённости – повышению про-изводительности труда: на магистральных линиях, обслуживаемых элек-трической тягой, она выше почти в 1,5 раза, чем у тепловозной тяги, а в пригородном сообщении – более чем в 2 раза. Важное достоинство элек-трической тяги – отсутствие загрязнения окружающей среды.
Электрическая тяга является эффективной энергосберегающей тех-нологией для транспортирования грузов и пассажиров. В последние годы ресурсосбережение постепенно выделяется в самостоятельное научное направление, основной задачей и конечной целью которого является со-кращение расхода всех видов материалов, энергоресурсов, рабочего вре-мени.
Постановка же тяговой единицы на ремонт по среднестатистическим данным приводит к нерациональным затратам. Именно поэтому силы научных и внедренческих организаций ОАО РЖД направлены на создание стройной автоматизированной системы планово-предупредительного ре-монта (АСППР), основанной на комплексном применении контрольных и диагностических устройств для каждого узла конкретного локомотива. Эти устройства должны оценивать текущее состояние узлов и выдавать ре-комендации ремонтному персоналу.
При практическом внедрении системы обслуживания по техническо-му состоянию на первый план выходят вопросы диагностики состояния оборудования, прогнозирования сроков проведения ремонтов и оценки качества выполненных ремонтов.
Важной проблемой является определение тех критериев, которые могут адекватно отражать техническое состояние машины. В то же время способы получения исходной информации для анализа состояния обору-дования должны быть достаточно простыми и доступными. Наиболее до-ступными для измерений являются такие параметры как температура, со-противление изоляции, уровень механических колебаний и т.д.
Универсальными с точки зрения механики параметрами для опреде-ления технического состояния оборудования являются механические коле-бания или вибрация. При проведении измерений и их анализе необходимо иметь нормативную базу для оценки состояния машины. Это один из важ-ных методических вопросов.
Таким образом, цель работы заключается в повышении эффективно-сти эксплуатации локомотивов, снижении затрат на их обслуживание и ре-монт, улучшении показателей безопасности движения за счет внедрения безразборной технологии технической диагностики силового электрообо-рудования.
Поставленная цель требует решения следующих вопросов:
- выбор основных параметров контроля электрооборудования ЭПС на ос-нове параметрического моделирования узлов силового электрооборудо-вания;
- анализ и выбор элементов диагностического комплекса;
- разработка классификации дефектов силового электрооборудования и определение характерных признаков неисправностей;
- разработка алгоритмов диагностирования применительно к технологии ремонта подвижного состава;
- разработка технологии использования средств технического диагности-рования (СТД) в процессе производства различного вида ремонтов;
- разработка методики оценки достоверности работы средств технической диагностики подвижного состава.
Иногда приходится решать задачи технической эксплуатации в усло-виях снижения уровня готовности технических средств, происшедшего вследствие тех или иных повреждений силового электрооборудования. Особенно сложно принимать рения в аварийных режимах, когда управля-ющее воздействие может привести к катастрофическим последствиям.
Модель силового электрооборудования ЭПС как объекта диагности-рования включает в себя электроизоляционную конструкцию силовых це-пей. Поэтому отказы цепей силового электрооборудования имеют различ-ную природу и могут происходить в следствие:
- пробоя изоляции цепей силового электрооборудования;
- повреждение выводных кабелей
Необходимо отметить, что для определения неисправностей цепей силового электрооборудования можно использовать одинаковые подходы.
Определению неисправностей цепей силового электрооборудования посвящено значительное количество публикаций в периодической печати, имеются научные монографии и патенты,
Среди них следует отметить работы Глущенко М.Д., Дурандина М.Г., Попова В.Н. и Серебрякова А.С., в которых рассмотрены проблемы эксплуатационной диагностики цепей силового электрооборудования, ме-тоды прогнозирования, состояния изоляции электрических машин и др. Особый интерес вызывает работа Серебрякова А.С. в области разработки устройств контроля изоляции тяговых двигателей по возвратному напря-жению.
В последние годы активно внедряется методология диагностирова-ния зарождающихся дефектов роторных узлов, в т.ч. и подшипников. Ис-пользование системы диагностирования, ориентированной на обнаруже-ние зарождающихся дефектов и прогнозирования оптимальных сроков проведения технических обслуживаний, позволяет обеспечить максималь-но возможный экономический эффект за счет снижения трудозатрат, рас-ходы запасный частей и простоя подвижного состава.
1.2 Анализ отказов элементов электрооборудования
в локомотивном депо Петров Вал
При организации диагностирования силовой цепи электровоза серии ВЛ-80с необходимо учитывать, что это довольно сложная система управ-ления главным выключателем (ГВ) грузового электровоза, работа которой основана на множестве различных физических процессов. Каждый про-цесс, реализуемый при работе системы ГВ, характеризуется различными факторами, или параметрами, регистрируя которые, можно делать заклю-чение о его техническом состоянии. При применении параметрического метода для оценки работы системы ГВ анализируют следующие парамет-ры: значение и форма тока в цепи ГВ, характеризующее техническое со-стояние силовых контакторов управления катушкой включения ГВ, техни-ческое состояние самого главного выключателя [9]. При необходимости, для повышения достоверности диагностирования и достаточной глубины поиска неисправности, кроме основных параметров можно использовать дополнительные. Выбор параметров производится в зависимости от усло-вий, при которых будет проведена оценка технического состояния узла ГВ. Диагностические параметры можно условно разделить на две группы. Первая группа реализуется при условии полной или частичной разборки главного выключателя, вторая – без разборки ГВ. Если параметры первой группы используются в процессе ремонта или технического обслуживания на специализированных стационарных установках, то параметры второй группы – при автоматической или автоматизированной системах диагно-стирования [5, 10].
Целью дипломной работы является разработка автоматизированной системы диагностики силового электрооборудования электровоза ВЛ - 80 в период эксплуатации на основе программной обработки информации.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:
1. Обоснование выбора эффективных параметров контроля в каче-стве информационного сигнала для приборной оценки технического состо-яния силового электрооборудования в процессе эксплуатации на основе математического моделирования.
2. Разработка способов измерения информационных параметров и аппаратуры преобразования сигнала с датчиков и оценка адекватности полученных результатов.
3. Разработка автоматизированной системы контроля параметров и экспериментальные исследования её работы в условиях эксплуатации элек-тровоза переменного тока серии ВЛ-80с.
Модель силового электрооборудования электрического подвижного состава как объекта диагностирования включает в себя электроизоляцион-ную конструкцию.
Статистика отказов силовой цепи управления тяговыми электродви-гателями и цепи главного выключателя в локомотивном депо Петров Вал за пять лет эксплуатации электровозов серии ВЛ-80с показана на диаграм-ме Рис. 1.1 в табл. 1.1.
Таблица 1.1 - Статистика отказов по видам электрооборудования
электровоза ВЛ -80с
Вид отказа %
Электрическая аппаратура 45,1
Цепь управления 12,9
Аппараты защиты 8,8
Токоприемники, их воздушные рукава 7,3
Контакторы силовой цепи 5,1
Тяговые трансформаторы, реакторы,
полупроводниковые преобразователи 4,7
Переключатели силовых цепей 4,3
Резисторы пусковые, пуско-тормозные, демпферные 2,2
Прочее
Как видно из проведенного анализа (Табл. 1.1), наиболее поврежда-емым оборудованием электровозов является электрическая аппаратура, на долю которой приходится 45,1 % порч и 21,1 % внеплановых ремонтов; тяговые двигатели — 18,6 % порч и 21,7 % внеплановых ремонтов; колес-ные пары, из-за отказов которых происходило 12 % всех порч и 26,7 % внеплановых ремонтов; на долю всего остального оборудования прихо-дится около 30 % как порч, так и внеплановых ремонтов.
Типичными видами отказов токоприемников являются их разруше-ния в результате удара о неровности и выступы контактного провода (например, при обрыве струны); перекрытия загрязненных опорных изо-ляторов электрической дугой; утечки сжатого воздуха при нарушении герметичности уплотнения пневмосистемы.
Наибольшее количество повреждений аппаратов защиты приходится на воздушные и быстродействующие выключатели.
Воздушный выключатель выходил из строя вследствие недостатков конструкции некоторых его узлов (вала поворотного изолятора, штока поршня) и перекрытий высоким напряжением наклонного изолятора из-за попадания на него влаги и смазки. Горизонтальный изолятор разрушался по причине перегрева, вызываемого слабым контактом в разъединителе из-за изломов пружины.
Групповые переключатели электровозов чаще всего выходили из строя по причине нарушения развертки, неполного устранения послед-ствий перебросов и отсутствия контроля изоляции при ремонтах. У пере-ключателей наблюдались также пробои изоляции и межвитковые замыка-ния дугогасительных катушек контакторных элементов из-за слабого крепления полюсов катушек и некачественной изоляции. Отмечались про-бои и перекрытия изолированных стоек и валов в результате механических повреждений изоляционных элементов при монтаже и отсутствия контроля за их состоянием в процессе эксплуатации. В цепях управления выходили из строя блокировочные контакты, электромагнитные вентили, отмечены случаи обрыва и замыкания низковольтных проводов.
Среди повреждений пусковых резисторов главное место занимали обрывы и пережоги перемычек из-за вибрации и слабого крепления бол-тов, пробои изоляции и обрывы несущих шпилек, перекрытия и пробои проходных изоляторов, изломы, коробления и короткие замыкания в эле-ментах резисторов. Одной из причин таких повреждений служит длитель-ная езда на реостатных позициях и перегрев пусковых резисторов.
У электропневматических и электромагнитных контакторов наблю-дались пробои и перекрытия изолированных стоек и тяг, сгорание сило-вых контактов и дугогасительных камер, неисправности приводов. Причи-нами этих отказов были потеря упругости притирающих пружин, отсут-ствие необходимого разрыва и качественного притирания губок, загрязне-ние изоляционных поверхностей, повреждение изоляции стоек при сборке контакторов.
Основными причинами выхода из строя полупроводниковых венти-лей служили: изменение их характеристики в процессе эксплуатации; про-бой запорного слоя. Из-за попадания в выпрямительную установку влаж-ного воздуха имели место выходы из строя шунтирующих резисторов.
Как ясно из вышеизложенного описания, анализ технического состо-яния электровозов, носит в основном качественный характер. Извлечь бо-лее полную информацию из имеющихся данных об отказах оборудования ЭПС позволяет обработка этих данных вероятностно-статистическими ме-тодами.
Поэтому актуальным представляется изучение вопросов диагности-рования силовых цепей электрооборудования.
Рисунок 1.1 - Статистика отказов тяговых электродвигателей
НБ – 418К6
Следует отметить, что переход к автоматическим системам управле-ния технической эксплуатацией, исключающим человека-оператора из процесса управления, пока проблематичен. Системы интеллектуальной поддержки должны ограничиваться выработкой рекомендаций, а принятие решений и ответственность за последствия их реализации следует возла-гать на лицо, принимающее решения — машиниста локомотива.
Рисунок 1.2 - Анализ отказов элементов силового электрооборудования
электровозов ВЛ – 80с
Рассмотрение причин отказов локомотивного оборудования дает ос-нование утверждать, что частота возникновения неплановых ремонтов практически постоянна в течение времени эксплуатации локомотивов и действующая система планово-предупредительных ремонтов не в состоя-нии обеспечить полное восстановление технического ресурса локомотива и является типичной системой с накоплением неисправностей.
Рисунок 1.3 – Кабина управления электровоза ВЛ-80с
На Рис. 1.4 показано расположение органов управления кабины электровоза ВЛ-80с. Пульт управления в кабине машиниста выполнен из отдельных блоков, в каждом из которых аппараты скомпонованы по их назначению:
1. - электрическая печь; 2 — фильтр; 3 аппаратура локомотивной сигна-лизации; 4 — пепельница. 5 — светофор локомотивной сигнализация; 6 - панель бланка предупреждения; 7 — мотор вентилятор; 8— светильник зеленого цвета; 9 — светильник белого цвета; 10 — розетка вентилято-ров; 11 панель контрольно измерительных приборов; 12 — датчик по-жарной сигнализации; 13 сигнальное табло; 14 — скоростемер; 15 бло-кировка тормозов; 16 электрокалорифер; 17 — огнетушитель; 18 сиде-нье: 19 — ограждение печи; 20 — датчик пожарной сигнализации; 21 — кнопочный выключатель; 22 — панель измерительных приборов; 23 — розетка межэлектровозкого соединения; 24 — регулятор давления; 25 контроллер машиниста; 26 — кнопочные выключателя; 27 кран вспомо-гательного тормоза; 28 кран машиниста; 29 кнопочная станция; 30 — рукоятка бдительности; 31 электропневматический клапан автостопа; 32 — пульт управления радиостанции; 33 — громкоговоритель; 34 — зер-кало; 35 — блок автоматических выключателей; 36 – контактные зажи-мы; 37 — колонка ручного тормоза.
Рисунок 1.4 - Органы управления и оборудование кабины машиниста
электровоза серии ВЛ – 80с
На рис. 1.5 показано расположение оборудования в кузове электро-воза:
Рисунок 1.5 - Расположение оборудования в кузове электровоза
1 — блок ультракоротковолнового (УКВ) диапазона радиостанции; 2 — вспомогательный компрессор; 3 панель №3; 4 дроссель; 5 расщепитесь фаз; 6 — распределительный щит; 7 блок центробежного вентилятора; 8 — блок мотор-вентилятора; 9 - блок тормозных резисторов; 10 - устрой-ство переключения воздуха; 11 — выпрямительная установка; 12 — блок конденсаторов; 13 — блок тягового трансформатора; 14 — разъединители выпрямительной установки; 15 панель №2; 16, 17 — переключатели; 18 панель №1; 19 — счетчик электрической энергии; 20 — блок управления реостатным торможением; 21 трансформатор питания нагревательных устройств; 22 — блокировочный переключатель; 23 контактор; 24 транс-форматор; 25 панель № 4; 26 рамка со схемой; 27 — балластный резистор; 28 — блок автоматических выключателей; 29 — блок силовых аппаратов; 30 — индуктивный шунт; 31 — сглаживающий реактор; 32, 33 — контак-торы расширенной зоны торможения; 34 — добавочный резистор; 35 блок мотор-компрессора; 36 — блок силовых аппаратов; 37 — реле перегруз-ки; 38 — выпрямительная установка возбуждения; 39 — блоки диодов № 3, 4, 5; 40 — блок измерений; 41 панель защиты от юза; 42 — духовой шкаф с электроплиткой; 43 — блок радиостанции; 44 — санитарный узел
Групповые переключатели электровозов чаще всего выходили из строя по причине нарушения развертки, неполного устранения по-следствий перебросов и отсутствия контроля изоляции при ремонтах. У переключателей наблюдались также пробои изоляции и межвитко-вые замыкания дугогасительных катушек контакторных элементов из-за слабого крепления полюсов катушек и некачественной изоляции. Отмечались пробои и перекрытия изолированных стоек и валов в ре-зультате механических повреждений изоляционных элементов при монтаже и отсутствия контроля за их состоянием в процессе эксплуа-тации. В цепях управления выходили из строя блокировочные кон-такты, электромагнитные вентили, отмечены случаи обрыва и замы-кания низковольтных проводов. Среди повреждений пусковых рези-сторов главное место занимали обрывы и пережоги перемычек из-за вибрации и слабого крепления болтов, пробои изоляции и обрывы не-сущих шпилек, перекрытия и пробои проходных изоляторов, изломы, коробления и короткие замыкания в элементах резисторов. Одной из причин таких повреждений служит длительная езда на реостатных по-зициях и перегрев пусковых резисторов. У электропневматических и электромагнитных контакторов наблюдались пробои и перекрытия изолированных стоек и тяг, сгорание силовых контактов и дугогаси-тельных камер, неисправности приводов. Причинами этих отказов были потеря упругости притирающих пружин, отсутствие необходи-мого разрыва и качественного притирания губок, загрязнение изоля-ционных поверхностей, повреждение изоляции стоек при сборке кон-такторов. Основными причинами выхода из строя полупроводнико-вых вентилей служили: изменение их характеристики в процессе экс-плуатации; пробой запорного слоя. Из-за попадания в выпрямитель-ную установку влажного воздуха имели место выходы из строя шун-тирующих резисторов.
1.2.1 Краткая характеристика силовых цепей электровоза ВЛ-80с и классификация силового электрооборудования
Параметры электровоза ВЛ-80с:
Длина по осям автосцепок - 32480 мм.
Высота от головок рельс до полоза опущенного токоприёмника - 5100 мм.
Мощность часового режима - 6520 кВт.
Сила тяги часового режима - 45,1 тс.
Скорость часового режима - 51,6 км/ч.
Каждый электровоз ВЛ-80с с завода выходил составленным из двух секций, но схема электровозов ВЛ-80с предусматривает синхронную работу трёх или четырёх секций. Механическая часть секции ВЛ-80с - две одинаковые двухосные тележки. Рамы тележек сварные, буксы с роликовыми подшипниками связаны с рамой тележки поводками с сайлент-блоками (резинометаллическими шарнирами). Тяговые и тормозные усилия передаются от тележек к кузову через шкворни. Тяговые электродвигатели (ТЭД) НБ-418К6 имеют опорно-осевое подвешивание. Зубчатая передача от тягового двигателя к колёсным парам двухсторонняя, косозубая, с жестким венцом зубчатого колеса. Диаметр колесных пар при новых бандажах по паспорту - 1250 мм, фактически - 1280-1290 мм.
На каждой секции установлено следующее основное оборудование:
пантограф для токосъёма с контактной сети, расположенный над кабиной машиниста, и главный выключатель (ГВ) ВОВ-25М;
тяговый трансформатор с масляным мотор-насосом (МН), две выпрямительные установки ВУК той или иной модификации и главный контроллер ЭКГ-8Ж (на электровозе ВЛ80р ВУК и ЭКГ-8Ж заменены двумя преобразователями ВИП-2200);
фазорасщепитель (ФР) НБ-455А, вырабатывающий третью фазу (первой и второй фазами становятся выводы обмотки собственных нужд) для питания асинхронных двигателей остальных вспомогательных машин; несколько мотор-вентиляторов (МВ) для охлаждения оборудования и наддува кузова, среди которых обязательно имеются два МВ для охлаждения ТЭД, по одному на тележку; мотор-компрессор (МК) КТ-6Эл для обеспечения воздухом тормозов на локомотиве и в поезде, силовых электроаппаратов, блокировок высоковольтной камеры, подачи звуковых сигналов свистком (тихий) и тифоном (громкий), работы пневмопривода стеклоочистителей.
Трансформатор имеет тяговую обмотку и обмотку собственных нужд (ОСН) с напряжением холостого хода 399В (напряжение под номинальной нагрузкой около 380В), служащую для питания вспомогательных машин и цепей управления. Для стабилизации напряжения на вспомогательных двигателях при значительных колебаниях напряжения в контактной сети (ниже 19 кВ и выше 29 кВ) предусмотрены две отпайки ОСН с напряжением 210 и 630 В, переключаются они вручную на трансформаторе. Напряжение на тяговых двигателях регулируется оперативно в процессе управления электровозом [27].
Цепи управления питаются напряжением 50В о ТРПШ - трансформатора, регулируемого подмагничиванием шунтов, через диодный выпрямитель. Для сглаживания пульсаций после выпрямителя установлены два дросселя Д1 и Д3, но в настоящее время на некоторых электровозах медные обмотки дросселей сняты работниками депо в корыстных целях и в блоке силовых аппаратов № 1 (где стоит ТРПШ) видны одни только распушённые сердечники.
