К 105-летию Омского государственного университета путей сообщения

Повышение коммутационной устойчивости электродвигателей

Ш.К. Исмаилов, директор научно-инженерного центра, доктор технических наук, профессор кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог»

В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется более 70 тыс. тяговых электродвигателей (ТЭД) электровозов различных типов, при этом 36 % составляют двигатели НБ-418К6 и 38 % двигатели ТЛ-2К1. За пределами установленных техническими условиями сроков службы (25 лет) находятся 52,8 % ТЭД НБ-418К6 и 78 % ТЛ-2К1. Около 95 % двигателей имеют срок службы более 15 лет. Это означает, что все ТЭД уже восстанавливались в объеме среднего и капитального ремонта на заводах Желдорреммаша.

Рис. 1. Общий вид испытательной станции

Статистические данные об отказах ТЭД, составляющих более 20 % от общего количества отказов электровозов в процессе эксплуатации, наглядно демонстрируют качество ремонта и испытания двигателей на ремонтных предприятиях. При этом 65% отказов двигателей происходят по причинам электрической природы, а именно: электрические пробои и межвитковые замыкания обмоток якоря, главных и дополнительных полюсов (ГП и ДП), компенсационных обмоток (КО), что свидетельствует о наличии факторов, отрицательно влияющих на электрическую прочность изоляции обмоток. Предложения по значительному упрощению процесса испытания ТЭД после ремонта, особенно в объеме ТР3, ошибочны.

Многолетний опыт испытания ТЭД на уникальной автоматизированной испытательной станции депо Московка, разработанной сотрудниками ОмГУПСа (рис. 1), показывает, что ежемесячно при проверке выявляется 10 - 15 % ТЭД ТЛ-2К1 с существенными отклонениями в условиях коммутации после ремонта на заводах Желдорреммаша.

Результаты математической обработки многочисленных экспериментальных данных показали, что вероятность безотказной работы ТЭД снижается, а интенсивность потока отказов по причине электрической природы соответственно возрастает по мере ухудшения качества коммутации. Об этом свидетельствуют полученные автором количественные оценки показателей надежности ТЭД, в частности зависимости среднего пробега двигателей от качества коммутации. Если ТЭД ТЛ-2К1 при «темной» коммутации проходят в среднем 2 млн. км и более, при интенсивности искрения 11/4 балла - примерно 1,2 млн. км, то при искрении 11/2 балла (к сожалению, допускаемом ГОСТ 183-74, ГОСТ 2582-81 и Правилами ремонта электрических машин электроподвижного состава ЦТ-ЦТВР/4782) - лишь около 300 тыс. км. Приведенные цифры подтверждают значимость внедрения в повсеместную практику современных технологий диагностирования и испытания тяговых и вспомогательных электрических машин (ВЭМ).

Математическая обработка и анализ результатов приемо-сдаточных испытаний ТЭД позволили получить данные о распределении частоты появления двигателей с тем или иным уровнем искрения. Доля двигателей, имеющих повышенный уровень искрения (рис. 2), составляет 30 - 40 %, но именно эта группа ТЭД в эксплуатации может, как показывают исследования и практика, дать 80 - 90 % отказов (круговые огни, межвитковые замыкания и электрические пробои изоляции обмоток полюсов, якоря).

Уровень интенсивности искрения щеток ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6 и других во многом определяется соотношением реактивной и коммутирующей ЭДС. В случае преобладания реактивной ЭДС наблюдается искрение от недокоммутации, а преобладание коммутирующей ЭДС приводит к перекоммутации. Реактивная ЭДС определяется конструктивными особенностями обмотки якоря и эксплуатационными параметрами. Коммутирующая ЭДС зависит от коммутирующего магнитного потока, который создается намагничивающей силой дополнительных полюсов (НС ДП).

В условиях деповского ремонта ТР3 и КР1 корректировку НС ДП можно произвести изменением количества и толщины диамагнитных прокладок между сердечниками полюсов и остовом при условии постоянства первого воздушного зазора d1 (для ТЭД ТЛ-2К1 d1 = 7 мм). Магнитная цепь ДП ТЭД ТЛ-2К1 представлена на рис. 3. Она состоит из сердечника ДП, якоря, остова и зазоров между наконечником ДП и якорем и между сердечником ДП и остовом двигателя. Второй зазор может заполняться стальными или диамагнитными прокладками. Появляется возможность изменить магнитное сопротивление в цепи ДП и, как следствие, коммутирующую ЭДС. Аналогичную конструкцию имеют и другие электрические машины (ЭМ).

К сожалению, ни завод-изготовитель, ни тем более ремонтные заводы и депо не могут обеспечить идентичных условий и качества сборки магнитной системы двигателей, так как существуют определенные технологические допуски, а технологическая дисциплина на ряде предприятий не соблюдается. В связи с этим неизбежны отклонения от расчетных значений.

Отмечены следующие наиболее характерные отклонения: несоблюдение установленного зазора между осями магнитных систем главных и дополнительных полюсов, нарушение расчетных значений воздушных зазоров под ГП и ДП, значительный разброс значений второго зазора и магнитной цепи ДП и другие. Наблюдаются такие явления, как сдвиг обмотки якоря на одно-два коллекторных деления. Наличие каждого из таких отклонений или их групп неизбежно сказывается на общем распределении магнитного потока, в том числе и в зоне коммутации, что влечет изменение качества коммутации каждого двигателя.

Остановимся более подробно на одном из существенных узлов с точки зрения коммутации - магнитной цепи ДП ТЭД ТЛ-2К1. В результате анализа (в настоящее время проведено более 500 контрольных испытаний) ДП ТЭД ТЛ-2К1 установлено, что разброс практически всех параметров полюсов превышает технологические допуски. Так, полная высота ДП с учетом второго диамагнитного зазора в соответствии с технической документацией (рис. 3) составляет 110,5 мм, из которых 104,5 мм - высота сердечника ДП, а 6 мм - суммарная толщина диамагнитных прокладок.

В свою очередь, первый воздушный зазор (между якорем и сердечником ДП) равен 7 мм. Следовательно, общий размер между якорем и остовом составляет 117,5 мм. Результаты контрольных замеров показали, что почти 90 % ДП имеют большую высоту, чем предусмотрено по чертежам. При этом максимальный размер ДП составил 117 мм, и тем самым на первый зазор между якорем и сердечником ДП приходится всего 0,5 мм. Высота сердечника, напротив, в основном меньше типовых размеров. Общий диапазон отклонения высоты от типовой составляет от 97 до 107 мм с тремя наиболее часто встречающимися размерами: 100,5; 102,5 и 104,5 мм.

Вибрационные испытания ТЭД, проведенные сотрудниками МИИТа на двигателях НБ-418К6, показали, что при ускорении их порядка 20g изменение первого зазора достигает 16% номинального. Подобное ускорение может наблюдаться при проходе колесной парой рельсовых стыков, крестовин стрелочных переводов и т. п. Кроме того, возможно смещение якоря за счет одностороннего магнитного притяжения, просадки подшипника и ряда других причин. При случайном совпадении нескольких факторов, влияющих на смещение якоря в одном и том же направлении, при малых воздушных зазорах появляется риск касания якорем сердечника ДП и последующей аварии ТЭД.

Нет оснований считать, что ТЭД ТЛ-2К1 чем-то существенно отличается в данном отношении от ТЭД НБ-418К6. Тогда 16 % изменения первого воздушного зазора при номинале 7 мм составляет 1,12 мм. При контрольных измерениях были зарегистрированы зазоры в 0,5 мм, т.е. вероятность отказа ТЭД весьма высока.

Однако на качество коммутации ТЭД, интенсивность искрения щеток наибольшее влияние оказывает величина второго диамагнитного зазора (2н = 6мм), которая по данным замеров, как правило, значительно превышает нормативную. Таким образом, контрольные замеры геометрии магнитной цепи двигателей ТЛ-2К1 показали наличие существенных отклонений, которые свидетельствуют о недостаточной технологической дисциплине на заводах-изготовителях, ремонтных заводах Желдорреммаша и в локомотивных депо. С другой стороны, отклонения в геометрии нарушают распределение магнитного потока ДП в зоне коммутации, приводят к значительному ухудшению качества коммутации, снижению надежности работы ТЭД, возникновению круговых огней и в ряде случаев угрожают безопасности движения поездов.

Результаты испытаний ТЭД НБ-406, НБ-412, ТЛ-2К1, полученные в условиях эксплуатации и испытательной станции депо, позволили количественно оценить влияние качества настройки коммутации (состояние геометрии магнитной системы) на частоту возникновения отказов двигателей по причинам электрической природы. Установлено, что увеличение интенсивности искрения щеток от 11/4 до 11/2 балла по шкале ГОСТ 183-74 или с 500 до 1800 усл. ед. повышает число срабатывания защиты более чем в 2 - 2,5 раза (от 6, 7 до 16, 17). Изложенное неоспоримо свидетельствует о том, что неудовлетворительное качество коммутации способствует увеличению числа как частичных, так и полных отказов ТЭД.

Для определения количественных оценок показателей надежности ТЭД проведено 532 контрольных испытания ТЛ-2К1 и 675 НБ-418К6. Расчет показателей надежности выполнен по рекомендациям ГОСТ 27.502-83. В качестве примера на рис. 4 приведена зависимость средней наработки до отказа ТЭД ТЛ-2К1 от качества первоначальной настройки коммутации и комплекса воздействующих факторов, ограниченные нижней и верхней границами одно- и двустороннего доверительного интервала при доверительной вероятности b = 0,90 (т. е. при искрении 500 усл. ед или 11/4 балла по ГОСТ 183-74 Lср = 1 млн. 377 тыс. км пробега).

Неудовлетворительная коммутация способствует увеличению числа частичных и полных отказов, что существенно сказывается на экономических показателях работы. Приведенные факты убеждают в целесообразности метода испытаний ТЭД по схеме взаимной нагрузки и в необходимости дооснащения ее схемой подпитки-отпитки ДП.

Современная испытательная станция должна быть оборудована комплексом приборов и устройств, которые позволят снимать U-образные кривые искрения для корректировки параметров магнитной системы ДП, контролировать обрабатываемые поверхности коллекторов, регистрацию их рельефа и математическую обработку, давать оценку межвитковых замыканий в якорной обмотке и полюсных катушках, измерять сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции и тангенса угла диэлектрических потерь, оценивать качество работы подшипниковых узлов ТЭД, использовать вычислительную технику контроля за испытаниями ТЭД и ВЭМ, протоколы испытаний, накопленный статистический материал для последующего перевода работы испытательной станции в автоматический режим испытания ТЭД.

Испытательные станции такого уровня технической оснащенности и полная автоматизация испытаний ТЭД удовлетворят современным требованиям и уровню технологии ремонта, а повышение качества ремонта быстро окупит дополнительные затраты.

Правильность количественной и качественной оценки надежности ТЭД и ВЭМ во многом зависит от того, насколько полно и объективно выбранные контролируемые параметры отражают их техническое состояние. В настоящее время разработана структурная схема управления техническим диагностированием двигателей (рис. 5). В процессе ремонта ТЭД в объеме ТР3 и приемо-сдаточных испытаний необходимо не только диагностировать тот или иной узел, но и прогнозировать его ресурс в эксплуатации, поэтому для предупреждения отказов необходимо знать характеристики параметров и их критические значения.

Перечисленные параметры в основном контролируются, но определенную сложность представляет оценка электрической прочности изоляции обмоток полюсов и якоря ТЭД. Предложены структура прохождения диагностирования ТЭД на испытательной станции ЭМЦ, алгоритм и протокол испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 2582-81 (рис. 6). Каждая группа двигателей проходит свой технологический цикл ремонта и испытаний.

Таким образом, разработанная система контроля качества ремонта позволяет наряду с повышением надежности ЭМ в условиях эксплуатации накапливать информацию о ТЭД и ВЭМ в виде протоколов испытаний с последующим анализом и прогнозированием ресурса, формировать экипаж электровоза ТЭД и ВЭМ с учетом условий коммутации, оцененных при стендовых испытаниях, выявлять ТЭД и ВЭМ с аномальными проявлениями в работе коллекторно-щеточного узла и восстанавливать их до нормативных параметров.

На основании методов математической статистики автором построены пространственные трехмерные математические модели коммутационных свойств ТЭД ТЛ-2К1 (рис. 7), НБ-418К6, ВЭМ ТЛ-110М, НБ-431А. При помощи таких моделей, определив с помощью прибора ПКК-2М уровень и характер искрения при некотором заданном токе якоря двигателя и реальном значении второго диамагнитного зазора в цепи ДП, можно пересчитать по формулам и найти необходимое значение этого зазора.

Приведем результаты испытаний ТЭД ТЛ-2К1 № 5892/409, поступивших в ЭМЦ депо Московка на внеплановый ремонт после многочисленных круговых огней по коллектору. Пробег после последнего ремонта составил 110 тыс. км. В процессе испытаний в часовом режиме (правое вращение якоря) при полном возбуждении уровень искрения составил 11/4 - 11/2 балла (600 - 800 усл. ед.): при ослаблении возбуждения первой ступени - 2 тыс. усл. ед. (11/2 балла), второй ступени - два балла (3 тыс. - 3,2 тыс. усл. ед.), при третьей ступени интенсивность искрения щеток резко возрастает, достигая трех баллов по ГОСТ 183-74.

Разборка двигателя и замеры геометрии магнитной цепи ДП подтвердили сделанное в процессе коммутационных испытаний заключение: второй диамагнитный зазор - (2 оказался заполненным стальными прокладками и фактически составил 2 мм. Коммутационные испытания после переборки магнитной системы ДП подтвердили результаты расчетов: при тех же условиях U-образные кривые заняли центральное положение и минимум искрения совпал с началом координат. Двигатель вышел из цеха с «темной» коммутацией.

Автором статьи на основе многолетних исследований, с учетом специфики эксплуатации, системы и технологии ремонта и технического обслуживания в системе ОАО «РЖД» предложен метод практической оптимизации условий коммутации ТЭД и ВЭМ подвижного состава, включающий в себя следующие составные элементы:

	методику расчета единичных показателей надежности ТЭД ТЛ-2К1 и НБ-418К6, позволяющую получать количественные зависимости влияния качества коммутации на ресурс изоляции обмоток полюсов, якоря и в конечном итоге прогнозировать наработку до отказа двигателей;
	структурные схемы управления техническим диагностированием двигателей и прохождения диагностирования ТЭД на испытательной станции, позволяющие наиболее полно и объективно количественно и качественно контролировать выбранные параметры, оценивать допустимые отклонения от номинальных, прогнозировать ресурс узлов и выдавать необходимые рекомендации;
	пространственные трехмерные математические модели коммутационных свойств ТЭД и ВЭМ;
	графоаналитический и расчетный методы корректировки зазоров под ДП ТЭД и ВЭМ и т. д.

Таким образом, использование прибора ПКК-2М с фиксацией количественной и качественной характеристики интенсивности искрения щеток ТЭД и ВЭМ, соблюдение технологии и методики настройки коммутации, разработанной автором, позволяют пересчитать значение необходимого диамагнитного зазора магнитной цепи ДП, т. е. произвести настройку коммутации МПТ и достичь «темной» коммутации со своеобразной площадкой в 10 - 15 А тока подпитки-отпитки ДП.

Перечисленное позволяет значительно повысить коммутационную устойчивость ЭМ к воздействию внешних и внутренних факторов на сам процесс коммутации и существенно уменьшить ионизацию околощеточного пространства, насыщение угольно-графитовой и медной пылью изоляции обмоток остова и якоря и снизить вероятность возникновения и развития кругового огня по коллектору и на остов ЭМ. Это ведет к безусловному снижению отрицательного воздействия качества коммутации на электрическую прочность изоляции обмоток ЭМ и уменьшению количества отказов ТЭД и ВЭМ по причинам электрической природы (электрический пробой изоляции обмоток, межвитковые замыкания) посредством воздействия на изоляцию электродинамических сил от токов короткого замыкания и импульсов высокого напряжения при срабатывании защиты от круговых огней, к повышению ресурса изоляции обмоток и тем самым к увеличению наработки до отказа по условиям коммутации ТЭД до 2,5 млн. км пробега и выше (отдельные двигатели - до 4,5 - 5 млн. км).