Маханов К.А.
Уральский государственный университет путей сообщения
Екатеринбург, Россия
Аннотация. В данной статье приведен анализ выхода из строя тяговых электродвигателей локомотива серии 2ЭС6 «СИНАРА». Электровоз 2ЭС6 - это один из видов грузовых локомотивов, активно использующийся в настоящее время.
Ключевые слова: электровоз, электродвигатель, механическое оборудование, электроаппаратура.
Электровоз 2ЭС6 «Синара» был выпущен 1 декабря 2006 года. На 2ЭС6 применён реостатный пуск тяговых электродвигателей, реостатное торможение мощностью 660 кВт и рекуперативное мощностью 5000 кВт, независимое возбуждение от полупроводниковых преобразователей в режимах торможения и тяги. На электровозе используются тяговые электродвигатели: СТК-810 У1, ЭДП 810 У, ДПТ 810, ЭК-810Ч.[1] На рисунке 1 показан электродвигатель ДПТ810.
Тяговый электродвигатель постоянного тока предназначен для приведения во вращение колесных пар электровоза в режиме тяги и создания тормозного момента в режиме электрического торможения.Электродвигатель представляет собой компенсированную шестиполюсную реверсивную электрическую машину постоянно тока независимого возбуждения. Также в научной статье хочу проанализировать потенциальную устойчивость ТЭД СТК810 с остальными двигателями 810 серии
В статистику отказов и непланового ремонта ТЭД локомотивов серии 2ЭС6, в данном анализе, включена основная причина неисправности, требующая смены двигателя на локомотиве, – пробои изоляционных покрытий либо отгар проводников электрических обмоток якорей и остовов. [9]
Дуговые перебросы по деталям щеточно-коллекторного узла, которые возможно устранить без выкатки двигателя, и механические повреждения, включая узлы с подшипниками качения (МЯП) будут рассмотрены отдельно.
Сравнительный анализ за последние 4 года эксплуатации показывает, что количество отказов, несмотря на проведения ряда мероприятий, от года к году снижалось не существенно, и имело стабильно высокий уровень.
Кроме того, в первом квартале 2021 года общее количество случаев непланового ремонта двигателей в два раза превысило показатели аналогичного периода 2020 года, что отразилось на статистике общего анализа непланового ремонта 2021 года. Т.е. рост отказов ТЭД первого квартала был настолько существенным, что повлек за собой суммарный рост отказов по итогам работы за весь 2021 год (см. диаграмму).
В диаграмму сведены данные по количеству повреждений ТЭД, требующих их замены на локомотиве. По данным диаграммы, очевидно, что максимальное количество тяжелых повреждений двигателей локомотивов 2ЭС6 приписного парка депо Свердловск, допущено по типу ЭК-810ч (60% от общего количества повреждений изоляции). [2]
В связи с чем, именно на данную серию ТЭД и был сделан упор при составлении корректирующих мероприятий, как на серию определяющую общую техническую надежность локомотива по данному виду оборудования.
Сравнивать показатели надежности двигателя типа СТК в текущем году можно только с двигателем типа ЭК, показывающим на протяжении ряда лет минимальный уровень надежности в период эксплуатации в условиях низких температур, что обусловлено конструктивными особенностями его магнитной системы. Однако, даже данному типу двигателя, ТЭД типа СТК-810 проигрывает по итогам года в показателях надежности, приведенным к удельным величинам на 17%. Аналогичные результаты были зафиксированы и по результатам анализа за 2020 год.
Для выявления причин сложившегося положения по ТЭД типа СТК необходимо проанализировать его работу в аналогичных условиях эксплуатации, сопоставив с конструктивными отличиями от других типов двигателей 810-той серии.
Таким образом, за период с января по октябрь месяц (включительно) было зафиксировано 36 случаев повреждения изоляции двигателя СТК, из них:
- 56% - ТЭД ремонта СР в условиях ООО НЭРЗ;
- 28% - ТЭД ремонта в условиях СЛД Московка;
- 14% - ТЭД ремонта в условиях СЛД Свердловск;
- 2% - ТЭД ремонта в условиях СЛД Тайга.
Основными причинами повреждений послужили:
- Пробой обмоток якоря (8) и термическое повреждение ламелей коллектора (10) – 18 случаев;
- Термическое повреждение изоляции катушек КО и ДП – 14 случаев;
- Пробой изоляции обмотки возбуждения – 4 случая.
Очевидно, что основной проблемой данной серии двигателя является якорная цепь, с максимальным, среди всех типов двигателей, количеством случаев термического повреждения ламелей коллектора. Следовательно, в первую очередь следует рассмотреть конструктивные особенности коллектора якоря и дополнительных полюсов остова. Проанализируем зависимость повреждаемости элементов электрической части двигателя от температуры, для чего построим диаграмму динамики повреждений электрических цепей двигателя по кварталам года, начиная с 2018 года. [3]
Для двигателя типа СТК не столь выражена повреждаемость двигателя в условиях низких температур первого квартала, как для двигателя типа ЭК (где практически установлена прямая зависимость количество случаев отгара жестких выводов ДП в верхней части остова от температуры). Для двигателя типа СТК в большей степени выражен 4 квартал года, т.е. не период максимально низких температур, а период наихудший в части сцепления колеса с рельсом (начало зимней эксплуатации, мокрый снег, метели, боксовка колесных пар).
Диаграмма подтверждает, что характерной неисправностью ТЭД типа СТК, имеющего самую низкую эксплуатационную надежность на удельный показатель является якорь, а именно – повреждение коллекторов якорей электрической дугой, вследствие более сложных потенциальных условий на коллекторе данного типа двигателя.
Отличительной особенностью данного типа двигателя являются уменьшенные, относительно остальных трех типов ТЭД 810-той серии, геометрические параметры коллектора, при идентичном количестве коллекторных пластин. Это единственный тип двигателя с уменьшенной с 40 да 32-х мм длиной щетки при одинаковой ширине. Следовательно с максимальной плотностью тока в щеточном контакте. На данном типе двигателя в равных условиях плотность тока на 20% выше, чем на ТЭД 810-той серии остальных трех типов. 6
При проведении последнего ТТС на базе СЛД Свердловск в апреле текущего года специаистами УрГУПС были представлены предварительные расчеты распределения магнитной индукции под главными полюсами и, на их основе, межламельных напряжений для двигателя типа ЭДП-810. При проведении последнего ТТС на базе СЛД Свердловск апреле текущего года специалистами УрГУПС были представлены предварительные расчеты распределения магнитной ин-дукции под главными полюсами и, на их основе, межламельных напряжений для двигателя типа ЭДП-810.
Результаты представленных расчетов показали, что, при номинальном напряжении контактной сети – 3,0 кВ, амплитудные значения межламельных напряжений от зубцовых пульсаций в номинальном режиме токовых нагрузок составляют 34…35 В, в режиме максимальных токовых нагрузок – 42…44 В, и в режимах минимального возбуждения – 46…48 В. При рекомендованных по ограничению максимальных межламельных напряжений в 35 - 40 В (в различных источниках), как верхней границы безопасной зоны по потенциальному искрению.
Анализом данных приборов регистрации параметров движения установлено, что основная часть повреждений коллекторов и якорной цепи двигателя допущено при фактическом напряжении на токоприемниках локомотивов от 3,5 до 3,7 кВ. При этом максимальные межламельные напряжения соответственно составляли: в номинальном режиме – 38…42 В; при максимальных токовых режимах - 46…53 В; а в режимах минимального возбуждения – 51…58 В.
Таким образом, при напряжении в контактной сети 3,5 кВ, значения межламельных напряжений превышают допустимые значения, даже при номинальных токовых нагрузках, без ослабления возбуждения. И этот результат получен при расчетах для двигателя типа ЭДП - ТЭД с наилучшими показателями надежности.
Для двигателя типа СТК, при следовании в режимеме токовых нагрузок выше номинальных, при кратковременным срыве колесных пар в боксование, в режиме ослабления возбуждения, при напряжении на токоприемиках 3,5 кВ и выше, будут созданы все условия для гарантированного начала процесса ионной проводимости, сопровождающегося искровыми разрядами. Данный факт и объясняет наибольшую его уязвимость в равных условиях эксплуатации.
Как пример, выход из строя двигателей локомотивов 2ЭС6 №№ 362, 427, 379, был допущен 07.11.2021г именно в подобных условиях (снегопад, боксовки КП, Uкс – 3600 кВ)
Одной из основных физических характеристик, непосредственно влияющих на процесс коммутации, является плотность тока в зоне механического контакта щетки с пластинами коллектора.
Основные причины неисправности ЩКА ТЭД серии 810 – перекрытие и пробой изоляторов, износ и неправильная работа (зависание, неравномерное нажатие, ввиду конструктивных недостатков щеткодержателя) щеток, повышенный износ коллекторных пластин ввиду высокой плотности тока в скользящем контакте. Особенно очевидно данные неисправности проявляются именно на якорях ТЭД типа СТК, с минимальными габаритами коллектора, для которого характерно дуговое или термическое повреждение коллекторных пластин.
При осмотре часто на коллекторе наблюдается подгар или повышенный износ по одному из торцов щетки. Причиной этого может быть: заедание щетки в гнезде щеткодержателя с последующим искрением, ослабление заделки токоведущих проводов, ослабление крепления их наконечников. Такие щетки работают с недогрузкой, в то время как в остальных резко возрастает плотность тока, что вызывает повышенный износ не только перегруженных, но и остальных щеток, работающих на одной дорожке.
Для предотвращения случаев зависания щеток на амортизаторе при ремонтах в объеме ТР-300 т ТР-600 производится снятие фаски с нижней кромки окна щеткодержателя, получена партия щеток производства компании «Прожекторные угли» г. Елец с изменным конструктивом амотризатора, исключающим возможность зависания щетки в технологическом окне.
Резко возрастает износ коллектора при наличии в щеточном материале большого количества абразивных угольных частиц. Выработка коллектора при этом имеет неравномерный характер. Поскольку ток неравномерно распределяется по отдельным контактным дорожкам, износ коллектора по образующей происходит неравномерно. На текущий момент фактический ресурс щеток двигателей 810-той серии составляет 60 тыс. км пробега. При столь интенсивном износе щеток в контактном слое всегда находится множество мелких частиц угольной пыли, которые являясь проводящей средой, создают потенциальные условия для дуговых перебросов.
При этом, частая механическая обработка и шлифовка коллекторов при ТО и ТР только усугубляет положение, т.к. до естественной приработки щеток по коллектору с образованием однородной износостойкой политуры, коммутационные условия на коллекторе наихудшим Следовательно, для повышения износостойкости коллекторных пластин необходимо добиться образования на коллекторе однородной политуры - поверхностной пленки оксида меди. Наличие подобной пленки (темно коричневого цвета) – основной показатель хорошей коммутации на коллекторе, свидетельствующий об отсутствии искровых разрядов и повышающий ресурс работы притертых щеток.
Шлифовка и полировка рабочей поверхности может отрицательно сказываться на работе коллектора, так как, при проведении этих операций на рабочей поверхности пластин, в поверхностном слое меди, остаются частички абразивных материалов, что в дальнейшем повреждает «зеркало» щетки. В свою очередь поверхность абразивного инструмента очень быстро засоряется медной пылью, вследствие чего абразивный инструмент теряет свои режущие свойства.
Исключить технологические операции финишной абразивной обработки коллектора шлифовкой и полировкой можно введением в технологический процесс ремонта финишной операции поверхностного пластического деформирования коллектора (упрочняющую накатку роликом). Данная операция гарантированно увеличивает твердость поверхностного слоя коллекторных пластин и уменьшит их шероховатость. Операция введена в технологический процесс обработки коллекторов ТЭД 810-той серии СЛД Свердловск текущем году.
Якорная цепь магнитной системы остова ТЭД типа СТК
При разборке магнитной системы тягового двигателя СТК-810 был выявлен недостаток конструктива в части надежности крепления катушки дополнительного полюса.
Крепление катушки на сердечнике производится при помощи двух планок, устанавливаемых между составными частями сердечника, в пазы верхней части сердечника. Дополнительного уплотнения катушки в сердечнике заводом-изготовителем предусмотрена не была, а фиксация самих пластин произведена винтами М6 под отвертку, что не обеспечивало надежного крепления катушки. [7]
Кроме того, дополнительный полюс в сборе не пропитывается, что также исключает монолитность конструкции. В процессе эксплуатации, происходит ослабление винтов крепления планок, крепящих катушку дополнительного полюса.
На текущий момент уплотнение катушек дополнительных полюсов на ТЭД типа СТК при деповском ремонте производится по технологии, сходной с технологией уплотнения катушек на ТЭД типа ЭК – с использованием уплотняющей замазки, кроме того производится дополнительная фиксация катушек расклиниванием.
Предложения:
В связи с вышесказанным, к рассмотрению в программу надежности на 2022 год было предложено в качестве пазовой изоляции витков КО в сердечниках ГП всех типов ТЭД 810-той серии, включая СТК, использовать материалы класса нагревостйкости не менее 200: флексимид - класса нагревостойкости 220, или теонофлекс класса нагревостойкости 200.
В СЛД Свердловск данное мероприятие принято к реализации с июля 2021 года. [6]
Для дополнительного визуального контроля состояния изоляции выводов дополнительных полюсов и витков компенсационной обмотки предложено к рассмотрению мероприятие по организации осмотра двигателей при ТР-30 и 300 дополнительно через верхние смотровые люки.
При текущим содержании ТЭД, на пановых видах ремонта ТР-30 и МПР, на двигателях с нестабильным значением сопротивления изоляции, замер проводится мегаомметром на 5000V с целью выявления потенциально слабых мест в системе изоляции. Данная мера позволяет выявить потенциально опасные места в изоляции на плановых видах ремонта, и произвести ремонт двигателя в условиях депо, т.е. избежать отказов на линии с повреждением якорей или остовов, требующих ремонта в объеме КР в условиях завода.
Проверка изоляции 01.11.2021г мегаомметром на 5000V, позволила бы сразу выявить потенциально опасное место в изоляции двигателя, тем самым, произвести один вместо четырех неплановых ремонтов с сокращением простоя локомотива в ремонте на трое суток и меньшим объемом восстановительных работ.
Диаграмма показывает, что основная проблема в части технической надежности двигателя типа ЭДП-810, связана с изоляцией обмотки возбуждения. Как и в случае с двигателем ЭК проблема имеет выраженную сезонную повторяемость, хотя и не в таких серьезных масштабах.
В данном случае можно согласиться с версией, что основная причина данного роста в зимний период – увеличение жесткости замерзшего рельсового пути. Так как, термические повреждения изоляции катушек обмотки возбуждения и их выводов происходят вследствие ослабления посадки массивных катушек главных полюсов на сердечниках по причине выкрашивания уплотняющей замазки от вибрации двигателя, закрепленного на жесткой подвеске.
В зимний период, с замерзанием полиуретана, подвеска ТЭД не имеет амортизационных свойств и работает как жесткий стержень, передавая удары от стыков пути элементам тягового двигателя. А дополнительная изоляция между железом остова и покровной изоляцией катушек конструктивно не предусмотрена.
Увлажнение поврежденной, вследствие подвижности катушки, изоляции в период отрицательных температур, приводит к росту количества случаев электрического пробоя по образовавшимся (из-за конденсированной при постановке на отапливаемые ремонтные стойла и при оттепелях влаги) дорожкам проводимости.
ЛИТЕРАТУРА:
1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС6 «СИНАРА» Ежов Е.А/ЧИПС УрГУПС
2. АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТЭД ТИПА СТК В СРАВНЕНИИ С ТРЕМЯ ДРУГИМИ ТИПАМИ ТЭД 810-ТОЙ СЕРИИ УСТАНОВЛЕННЫХ НА ЛОКОМОТИВАХ СЕРИИ 2ЭС6 Буркасов Д.В.
3. 2ЭС6 Синара / Яндекс Дзен
4. КАК ПОВЫСИТЬ НАДЕЖНОСТЬ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗА 2ЭС6
Соколов О.О., Мельников В.А.
5. ПКБ ЦТ ОАО «РЖД»
6. АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБМОТКАХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ 2ЭС6 В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Бублик В.В., Гателюк О.В., Третьяков Е.А., Юрасов Д.В.
7. АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБМОТКАХ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 2ЭС6
Берсенев Д.В., Поляков М.В., Кураев В.А., Третьяков Е.А.
8. АНАЛИЗ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ 2ЭС6
Дурандин М.Г., Иванов И.Г.
9. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2ЭС6
Жоголев Е.Н.
10. АНАЛИЗ СЛУЧАЕВ НЕПЛАНОВЫХ ВИДОВ РЕМОНТА ЭЛЕКТРОВОЗАМ СЕРИИ 2ЭС6 В СВЕРДЛОВСКОЙ ДИРЕКЦИИ ТЯГИ
Яковлев К.Н., Саланов А.Е.