Разработка мероприятий по поддержанию требуемого уровня надежности тягового электродвигателя электропоездов депо

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка мероприятий по поддержанию требуемого уровня надежности ТЭД электропоездов депо "Измайлово" Московского метрополитена"



Содержание

Введение

1. Анализ надежности асинхронных ТЭД электропоездов депо "Измайлово"

2. Расчет вентиляции асинхронного ТЭД типа ДАТЭ-170-4У2

2.1 Исходные данные

2.2 Определение площадей отдельных участков воздуховодов

2.3 Определение аэродинамических сопротивлений

2.4 Определение напора, распределения вентилирующего воздуха по каналам и скорости воздуха

3. Экпериментально-теоретическое исследование надежности асинхронных ТЭД электропоездов

3.1 Тепловое старение изоляции тягового электрического двигателя. Закономерности теплового старения изоляции электрических машин

3.2 Тепловое старение изоляции асинхронного ТЭД

4. Обеспечение требуемого уровня надежности ТЭД

4.1 Система контроля увлажненности изоляции

4.2 Система температурного контроля. Общие сведения

5. Система температурного контроля вагонов Московского метрополитена серии 81-740/741

5.1 Схема системы температурного контроля

5.2 Устройство температурной защиты УВТЗ-4Б

5.2.1 Устройство и принцип работы

5.2.2 Порядок работы

6. Охрана труда

7. Технико-экономическое обоснование внедрения автоматической системы контроля температуры асинхронных ТЭД вагонов 81-740/741 и их модификаций

7.1 Расчет себестоимости затрат при внедрении системы

Список использованной литературы

Введение

Рост экономического развития России во многом обеспечивается надежной и высокоэффективной работой городского транспорта. Это в наибольшей степени относится к настоящему периоду её развития - периоду экономического развития.

В настоящее время для перевозок пассажиров на Московском метрополитене используются следующие типы вагонов:

Вагон типа 81-717

Выпускается с 1976 года

Эксплуатируется по настоящее время

Рис. 1. Вагон типа 81-717

Вагон типа 81-714

Выпускается с 1976 года

Эксплуатируется по настоящее время

Рис. 2. Вагон типа 81-714

Вагон типа "Яуза" 81-720

Выпускается с 1991 года

С 10.6.1998 эксплуатируется в депо "Печатники"

(Люблинская линия)

Рис. 3. Вагон типа 81-720

Вагон типа 81-740/741

Выпускается с 2002 года

С 2004 эксплуатируется на Бутовской линии

"Русич" на станции "Бульвар Адмирала Ушакова", Москва. Фото Александра Аль-Джибури

Рис. 4. Вагон типа 81-740/741

На Арбатско-Покровской линии метрополитена в настоящее время эксплуатируются вагоны типа 81-740.1/740.4 (головные) и 81-741.1/741.4 (промежуточные).

Арбатско-Покровская линия (по состоянию на 2011 год).

Длина: 45,1 км.

Время проезда от начальной до конечной остановки: 67 минут.

Количество станций: 22.

Среднесуточная перевозка пассажиров, тыс. чел./сутки: 733

Депо обслуживающие ветку: электродепо "Измайлово" (станция "Измайловская").

Восточная часть линии ("Щёлковская" -- "Партизанская") мелкого заложения с одной наземной станцией "Измайловская", западная часть ("Пятницкое шоссе" -- "Славянский бульвар", не считая участка линии глубокого заложения, проходящего по Северо-Западному тоннелю) также мелкого, с наземной "Кунцевской". Средняя часть ("Семёновская" -- "Парк Победы") глубокого заложения.

История строительства

По-видимому, датой появления линии следует считать 13 марта 1938 года, когда новый участок "Площадь Революции" -- "Курская" был подключён к участку первой очереди "Улица Коминтерна" (ныне "Александровский сад") -- "Киевская". Интересно, что открытие участка одновременно с упразднением вилочного движения по линии, ныне известной как Сокольническая, произошло раньше, чем открытие Горьковско-Замоскворецкой линии, однако впоследствии официальная нумерация линий оказалась обратной (Арбатско-Покровская стала третьей, а Горьковско-Замоскворецкая -- второй), что, вероятно, объясняется наличием на Горьковско-Замоскворецкой линии депо (ТЧ-2). В целях ускорения строительства запланированные станции "Ильинские ворота" и "Покровские ворота" не были построены, под них были только оставлены заделы (прямолинейные участки тоннелей на расстоянии ширины платформы друг от друга). Примечательно, что эти станции так и не построены до сих пор, спустя почти три четверти века, и в ближайшей перспективе их сооружение также не планируется.

Линия была продлена на восток в 1944 году до станции "Измайловский парк" (ныне "Партизанская"). Также для экономии и ускорения сооружения этой очереди запланированные в первоначальном проекте линии станции "Гороховская улица", "Площадь Баумана", "Бакунинская улица" и "Мироновская улица" были исключены полностью, без оставления заделов.

После попадания бомбы в тоннель мелкого заложения "Арбатская" -- "Смоленская" в 1941 году стала очевидной незащищённость этого участка метро, который носил стратегический характер (см. ниже). Было принято решение о замене этого участка новым, глубоким. Поэтому в 1953 году был построен новый участок Арбатско-Покровской линии "Площадь Революции" -- "Киевская", полностью дублировавший старый, при этом участок мелкого заложения "Калининская" (так называлась станция "Улица Коминтерна" с 1946 года, с 1990 года "Александровский сад") -- "Киевская" был закрыт и открыт заново лишь в 1958 году в составе Филёвской линии. В результате в Москве по две независимых "Арбатских" и "Смоленских". По официальной версии необходимость строительства была обусловлена большим перепадом глубины между станциями "Площадь Революции" и "Улица Коминтерна", хотя похожие перепады уже были к тому времени в московском метро. Скорее всего причина строительства глубокой линии связана с её стратегическим характером, есть версии, что за "Киевской" тоннель был продолжен к Кунцевской даче Сталина и сама линия таким образом становилась подземной правительственной трассой. Версия стратегического характера линии косвенно подтверждается и неоправданно огромным залом станции "Арбатская", которая будучи расположенной в квартале, занимаемом Генеральным штабом, при необходимости превращалась в огромный бункер, соединённый с несколькими подземными линиями метрополитена.

После строительства депо "Измайлово" в 1950 году появилась возможность продления линии на восток за счёт строительства в депо наземной станции "Первомайская", что и было сделано в 1954 году.

Временная станция была закрыта и переоборудована под помещения депо после строительства участка "Измайловский парк" (ныне "Партизанская") -- "Первомайская" в 1961 году.

В 1963 году линия была продлена до станции "Щёлковская", которая остаётся конечной по настоящее время.

6 мая 2003 года было завершено строительство станции "Парк Победы", продлившей линию в западном направлении после 50-летнего пребывания станции "Киевская" конечной на линии.

7 января 2008 года открылись участок "Парк Победы" -- "Кунцевская" (промежуточная станция "Славянский бульвар" открылась 9 месяцами позже) и участок "Крылатское" -- "Строгино" с заделом под станцию "Троице-Лыково", одновременно с этим участок Филёвской линии "Кунцевская" -- "Крылатское" перешёл к Арбатско-Покровской линии.

26 декабря 2009 года открылся участок "Строгино" -- "Митино". Ожидается, что после открытия Митинского участка западная часть линии перестанет быть недогруженной, и линия войдёт в список самых загруженных линий московского метро.

28 декабря 2012 года открылась станция "Пятницкое шоссе"

Таблица 1

История переименований

Текущее название	Предыдущее название	Время актуальности предыдущего названия
Семёновская	Сталинская	с момента постройки в 1944 по 1961
Измайловская	Измайловский парк	с момента постройки в 1961 по 1963
Партизанская	Измайловская	с момента постройки в 1944 по 1963
	Измайловский парк	с 1963 по 2005

Депо, обслуживавшие линию

· "Сокол" -- 1938--1941, 1942--1950 гг.

· "Северное" -- 1941--1942 гг.

· "Измайлово" -- с 1950 г.

· "Фили" -- с 2008 г.

Количество вагонов в составах

· 4 -- 1938--1947 гг.

· 6 -- 1947--1970 гг.

· 7 -- 1970--2010 гг.

· 5 (типа "Русич") -- с 2006 г.

По данным 2010 года, на линии задействовано около 300 вагонов.

Типы вагонов, использовавшихся на линии

· А, Ам -- 1938 -- 4 февраля 1975 гг.

· Б, Бм -- 1938 -- 4 февраля 1975 гг.

· Г -- 1941--1950, 1954--1958, 1970 -- 4 февраля 1975 (седьмой в составе из Ам/Бм) гг.

· Д -- 1973 -- 2 июня 1995 гг.

· Е -- 1988 -- апрель 2008 гг.

· Еж -- 1988 -- 9 августа 2010 ,но фактически до середины мая 2012 г.

· 81-740.1/741.1 -- с 2006 г.

· 81-740.4/741.4 -- с сентября 2009 г.

Именные составы

1 июня 2007 на Арбатско-Покровскую линию вышел состав "Акварель", в вагонах которого выставлены работы художника Сергея Андрияки и его учеников; каждый из вагонов оформлен в определённой цветовой гамме. От прочих поездов типа "Русич" "Акварель" отличается тем, что часть окон в вагонах заменены глухими стенами, а также внешним оформлением: на стены вагонов нанесены изображения различных цветов -- хризантем, ромашек -- и фруктов.

Затем, экспозиция менялась четыре раза, ежегодно, с 2009 года. С июня 2012 года, экспозиция поезда состоит из картин Государственной Третьяковской галереи на тему Отечественной войны 1812 года.

1 декабря 2011 на Арбатско-Покровскую линию вышел состав "Поэзия в метро" с Филёвской линии. 10 марта 2012 года возвращён на Филёвскую линию.

Средства сигнализации и связи

Основные средства сигнализации:

· На участке "Смоленская" -- "Щёлковская" -- двузначная автоблокировка с автостопами и защитными участками, дополненная сигналами "один жёлтый огонь".

· На участке "Митино" -- "Смоленская" -- система АЛС-АРС с нормально погашенными светофорами автоматического действия. Напольное оборудование АЛС-АРС -- АРС-Днепр 2/6, поездное оборудование -- БАРС. Резервное средство сигнализации -- трёхзначная автоблокировка.

На линии ведутся работы по переходу на систему АЛС-АРС. 26 декабря 2006 первый состав модели "Русич" на Арбатско-Покровской линии начал работу с пассажирами. В августе 2009 г. АЛС-АРС введена в эксплуатацию на участке "Киевская" -- "Митино", в декабре 2010 г. на участке "Киевская" -- "Смоленская".

Канал радиосвязи -- первый.

Перспективы

В 2013-15 г.г. планируется строительство вторых выходов со станций "Бауманская" и "Парк Победы".

До 2020 года запланированы ввод в эксплуатацию электродепо Митино, а также возможность продления линии до станции "Рождествено" с пересадкой на линию лёгкого метро до г. Зеленограда. С видоизменением проекта в 2010 году такая планировка остаётся маловероятной.

На перегоне между станциями "Крылатское" и "Строгино" оставлен задел под строительство станции "Троице-Лыково", которая будет построена, когда на месте деревни появится жилой массив. Также за Строгино были предусмотрены заделы под кроссплатформенное развитие с пересадкой на именуемую "Строгино-2" Мневнической хорды Филёвской линии (продление за "Международной"), запланированное на 2018-й год.

После 2020 г. по генплану есть возможность продления восточного радиуса линии за станцию "Щёлковская" на одну станцию до "Гольяново". Пока проект не утверждён.

При строительстве линии проектом было предусмотрено строительство в будущем двух станций на перегоне "Площадь Революции" -- "Курская": "Хмельницкая" ("Ильинские ворота", или "Маросейка") и "Покровские ворота". Дальнейшая судьба этих участков на сегодня остаётся неизвестной.

Факты

· Самая глубокая станция в Московском метрополитене -- "Парк Победы" (74 м).

· Самый длинный перегон в Московском метрополитене -- "Крылатское" -- "Строгино", расстояние 6625 м.

· Самый старый эскалатор в Московском метрополитене -- станция "Бауманская" {подст:АИ}.

· На станции "Площадь Революции" стоят 76 бронзовых скульптур рабочих, крестьян, солдат, матросов, школьников и т. д. Существует поверье, что лучший способ сдать экзамен -- потереть нос бронзового пса у "Пограничника с собакой". Также люди загадывают желания, оставляя монетки у лапок курицы у одной из скульптур.

· Арбатско-Покровская линия связана с Филёвской линией тремя пересадочными узлами: между станциями "Александровский сад" и "Арбатская" Арбатско-Покровской линии, между двумя "Киевскими" и двумя "Кунцевскими". Это связано с историческим развитием двух линий-дублёров. С этим же связан и тот факт, что на линиях существуют две пары станций с одинаковыми названиями ("Арбатская" и "Смоленская"), между которыми отсутствует переход.

Общие сведения

Комплект тягового электрооборудования устанавливается на вагонах метрополитена моделей 81-740/741 и их модификации. Вагон модели 81-740 имеет кабину управления и используется в качестве головного вагона состава; вагон модели 81-741 не имеет кабины машиниста и используется в качестве промежуточного.

Вагоны приводится в движение с помощью четырех асинхронных тяговых двигателей типа ДАТЭ-170-4 У2 (аналог - ТАД-280М4). Внешний вид двигателя представлен на рис. 5.

Комплект электрооборудования обеспечивает:

- пуск и регулирование скорости с четырьмя различными темпами разгона;

- пуск и регулирование скорости в двигательном режиме с двумя различными темпами разгона по командам резервного управления;

Рис. 5. Внешний вид асинхронного ТЭД модели ДАТЭ-170-4У2

(новый двигатель, вал закреплен в транспортировочное положение)

- следящее рекуперативно-реостатное торможение с тремя различными темпами замедления, в диапазоне скоростей от максимальной до минимально возможной скорости (но не более 5 км/ч), без ограничения скорости начала торможения;

- устойчивую работу в повторно-кратковременных режимах эксплуатации груженого вагона с максимальной пассажирской нагрузкой по ГОСТ Р50850;

- автоматическое регулирование тягового и электродинамического тормозного усилий в зависимости от сигналов устройства контроля загрузки вагонов;

- контроль параметров электрического торможения и формирование при его отказе, снижении эффективности или истощении в зоне малых скоростей сигналов "Отказ электротормоза", "Электротормоз неэффективен", для формирования команд на автоматическое замещение электрического торможения пневматическим;

- проверку электрической схемы без подачи высокого напряжения.

Вид климатического исполнения комплекта электрооборудования по ГОСТ 15150 - У для температур окружающей среды от минус 40 до плюс 40 С.

Категория размещения электрооборудования:

У1 - для электрооборудования, расположенного открыто;

У2 - для электрооборудования, размещенного под кузовом вагона;

У3 - для электрооборудования, размещенного внутри вагона.

Окружающая среда - не взрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли в концентрациях, снижающих уровень изоляции в недопустимых пределах.

Тип атмосферы II по ГОСТ 15150: окружающий воздух может содержать пыль.

Высота над уровнем моря не более 1000 м.

Возможно выпадение инея с последующим оттаиванием.

Технические характеристики

Отличительными особенностями комплекта электрооборудования от ранее выпускаемых являются:

? наличие быстродействующего выключателя, предназначенного для защиты силовой электрической схемы от токов короткого замыкания и перегрузок и имеющего дистанционное управление из кабины машиниста;

? наличие дифференциальной защиты, предназначенной для выявления круговых огней и несимметрии токов якорей по группам, а также защиты от буксования и юза колесных пар;

? введение раздельной прокладки проводов высоковольтных цепей и цепей управления, шинного монтажа проводов силовых цепей с установкой клеммников и скоб для фиксации монтажа в ящиках электрических аппаратов;

? применение реле управления на напряжение 75 В;

? внедрение линейного контактора повышенной коммутационной способности.

Номинальное напряжение сети постоянного тока, В:

силовой цепи - 750;

цепи управления - 75.

Число электродвигателей на вагон - 4.

Мощность тяговых электродвигателей вагона суммарная в часовом режиме, кВт - 4x170.

Диаметр колеса вагона, мм - 860.

Скорость максимальная, км/ч - 90.

Темп изменения ускорения при пуске, м/с3, не более - 0,6.

Темп изменения замедления при торможении, м/с3, не более - 0,6.

Время разгона до заданной скорости на прямом горизонтальном участке пути, с, не более:

30 км/ч - 12;

60 км/ч - 27;

80 км/ч - 43.

Максимальный преодолеваемый уклон, о/оо - 40.

Масса электрооборудования, кг, не более - 5900.

Потребляемая мощность электрооборудования не более, Вт - 400.



1. Анализ надежности асинхронных ТЭД электропоездов депо "Измайлово"

Рассмотрены результаты отказов тяговых электродвигателей (ТЭД) в электродепо "Измайлово" в период с января 2008 года по январь 2013 года. Данные представлены на рис.1.1.

Рис.1.1. Количество отказов тягового электродвигателя с января 2008 по январь 2013 года

На Арбатско-Покровской линии, в электродепо "Измайлово" эксплуатируется 60 поездов (по 5 вагонов). Реально на линии работают 53 поездов, интервал работы: с 5:25 до 2:24; время следования от одной конечно станции до другой (среднее): 59 мин.; интервал движения: минимальный-1:30 мин., максимальный-2,45 мин., среднее время работы одной локомотивной бригады: 7,25 ч. - 4 круга (1 круг: Щелковская-Митино-Щелковская). Один поезд за сутки делает 6 кругов.

lср.мес. = lср.сут.*Nэл.сут.*nср.=554,4*53*30=881496 км,

где

lср.сут - пробег одного поезда за сутки = lкр.*nкр. = 46,2*2*6=554,4 км;

lкр. - длина линии * 2, равна 92,4 км;

nкр. - количество кругов за сутки;

Nэл.сут. - среднее количество электропоездов, работающих на линии в сутки;

nср. - среднее количество рабочих дней в месяц.

Таблица 1.2

Надёжность ТЭД в 2008 году

Параметы	месяцы
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
lср.мес., км	881496
Nтэд(отказ)	1	2	0	0	2	0	0	2	1	1	0	0
щтэд, (отказ/106) км	0,8815	1,763	0	0	1,763	0	0	1,763	0,8815	0,8815	0	0

Таблица 1.3

Надёжность ТЭД в 2009 году

Параметы	месяцы
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
lср.мес. ., км	881496
Nтэд(отказ)	5	1	4	3	7	0	1	1	4	3	12	1
щтэд, (отказ/106) км	4,4075	0,8815	3,526	2,6445	6,1705	0	0,8815	0,8815	3,526	2,6445	10,578	0,8815



Таблица 1.4.

Надёжность ТЭД в 2010 году

Параметы	месяцы
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
lср.мес. ., км	881496
Nтэд(отказ)	6	5	4	3	6	5	2	6	0	6	9	20
щтэд, (отказ/106) км	5,289	4,4075	3,526	2,6445	5,289	4,4075	1,763	5,289	0	5,289	7,9335	17,6299

Таблица 1.5

Надёжность ТЭД в 2011 году

Параметы	месяцы
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
lср.мес.	881496 км
Nтэд(отказ)	17	6	15	6	6	9	3	5	7	4	5	9
щтэд, (отказ/106) км	14,9854	5,289	13,2224	5,289	5,289	7,9335	2,6445	4,4075	6,1705	3,526	4,4075	7,9335

Таблица 1.6

Надёжность ТЭД в 2012 году

Параметы	месяцы
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
lср.мес.	881496 км
Nтэд(отказ)	2	5	2	1	4	1	2	2	1	1	0	5
щтэд, (отказ/106) км	1,763	4,4075	1,763	0,8815	3,526	0,8815	1,763	1,763	0,8815	0,8815	0	4,4075

В табл. 1.7 и на рис.1.2, рис.1.3, рис.1.4, рис.1.5, рис.1.6 представлены данные по причинам отказов с января 2008 года по январь 2013 года.



Таблица 1.7

Причины отказов работы тяговых электродвигателей с января 2008 года по январь 2013 года

№	Год Причина	2008	2009	2010	2011	2012	Всего
1	Выгорание наконечника/провода	1	1	1	1	0	4
2	Выгорание/оплавление клемной рейки	1	0	0	0	0	1
3	К.з. между обмотками фаз	1	0	0	1	0	2
4	К.з. обмотки на корпус	0	1	0	1	3	5
5	Пробой провода/кабеля на корпус	0	1	0	1	0	2
6	Неисправность трубки для закладки смазки	0	4	3	3	0	10
7	Разрушение подшипника	4	7	51	65	15	142
8	Неисправность компенсационной муфты	1	28	6	0	4	39
9	Проворот /срыв компенсационной муфты	1	0	2	6	2	11
10	Неисправность вентилятора	0	0	9	13	2	24
11	Осевое смещение вала ТЭД	0	0	0	1	0	1
	Итого:	9	42	72	92	26	241

Наиболее часто встречаются отказы:

? разрушение подшипника;

? неисправность компенсационной муфты;

? неисправность вентилятора.

Причиной отказов является:

? заводской брак подшипников;

? брак при сборке компенсационной муфты на предприятии-изготовителе;

? брак при сборке ТЭД на заводе-изготовителе.

Рис.1.2. График зависимости отказов в 2008 году

Рис.1.3. График зависимости отказов в 2009 году

Рис.1.4. График зависимости отказов в 2010 году

Рис.1.5. График зависимости отказов в 2011 году

Рис.1.6. График зависимости отказов в 2012 году

Частота возникновения отказов

Всего отказов: ?Ni=241. Из них.

1. Разрушение подшипника Nр.подш.=142 отказов,

Тогда,

.

2. Неисправность компенсационной муфты

3. Nкомп.муф. =50 отказов,

Отсюда

.

4. Неисправность вентилятора Nн.в.= 24 отказов,

Следовательно,

.

Рис. 1.7. Схема отказов ТЭД

а)

б) в)

Рис.1.8 а,б,в. Диаграммы отказов ТЭД

Вывод: Наиболее часто встречающиеся неисправности приходятся на механическую часть ротора тяговых двигателей - 90%. Остальная часть - на статор, из них: на электрическую часть - 42%, на механическую часть - 58%.

В механической части ротора ТЭД наиболее часто встречается разрушение подшипника. Эта неисправность составляют 65% от общего числа неисправностей, возникающих на ТЭД. Данная неисправность может свидетельствовать о засорении со временем вентиляционных отверстий ТЭД.



2. Расчет вентиляции асинхронного ТЭД типа ДАТЭ-170-4У2

2.1 Исходные данные

В данном двигателе применяется самовентиляция. Расход воздуха, продуваемого через машину при продолжительном режиме её работы, должен быть таким, чтобы из машины отводились возникающие в ней потери и она работала бы с установившимся превышением температуры, соответствующим нормам. Эти потери рассчитываются по формуле

?ДР?= Св*гв*Див*Q,

где ?ДР? - потери машины при продолжительном режиме ,Вт;

Св= 1,1 - плотность воздуха при давлении 760 мм рт.ст. и температуре 500,кг/м3;

гв= 1000 - удельная теплоёмкость воздуха, Вт*с/(кг*0С);

Див - подогрев воздуха при прохождении через машину, 0С.

Тогда, необходимый расход воздуха , м3/мин

,

Где

Див = 30ч350 С

- для мотор-вагонных двигателей с самовентиляцией.

Расход охлаждающего воздуха можно оценить также на основании установленных опытом проектирования коэффициентом вентилированности двигателей квент , м3/(мин*кВт), выражающего расход воздуха, приходящегося на 1 кВт мощности потерь продолжительного режима работы, т.е.

.

Таким образом, величина

Q = квент*?ДР? , [м3/мин] ,

где квент=1,3ч1,6 - для двигателей с самовентиляцией, принимаем квент=1,5.

Тогда,

Q = квент*?ДР? = 1,5*(100 - 89) = 16,5 м3/мин.

Параметры вентилятора:

- внешний диаметр, D2 , мм - 475 мм;

- внутренний диаметр, D1 , мм - 415 мм;

- ширина лопатки, bл , мм - 60 мм;

- максимальная частота вращения, об/мин - 3600 об/мин;

- число вентиляционных каналов - 24

- число лопаток вентилятора Nл = 23

- шаг лопаток вентилятора tл = 60 мм.

На рис. 2.1 показан вентилятор, насаженный на вал.

Рис. 2.1. Вентилятор на валу

2.2 Определение площадей отдельных участков воздуховодов

Для расчёта вентиляции необходимо рассчитать площадь сечения входных и выходных отверстий, а так же площадь сечения отверстия между ротором и статором.

Воздух поступает в ТЭД с 1-ой стороны.

Входные отверстия (4 отверстия) дугообразной формы 260х55 мм закрыты решёткой с ячейками квадратной формы 2х2 мм.

Площадь сечения ячейки в решетке

м2 .

Общая площадь сечения отверстия (без учета решётки)

м2 .

Полезная площадь сечения отверстия (с учётом решётки, размер ячейки 2х2 мм)

м2 .

Площадь сечения входной камеры

м2 .

Выходные отверстия (4 отверстия) прямоугольной формы также закрыты решёткой с ячейками прямоугольной формы: 2 отверстия 180х50 мм и 2 отверстия 250х50 мм.

Площадь сечения большого выходного отверстия

м2 .

Площадь сечения с учётом решетки

м2 .

Площадь сечения малого выходного отверстия

м2 .

Площадь сечения с учётом решетки.

м2 .

Общая площадь сечения выходных отверстий

м2 .

Площадь сечения отверстия в промежуточной шайбе перед ротором

м2 .

Общая площадь сечения отверстий (их 8) в промежуточной шайбе:

м2 .

Площадь сечения отверстия в роторе

м2 .

Общая площадь сечения отверстий (их 4) в роторе

м2 .

Площадь сечения выходной камеры

м2 .

Площадь сечения пространства между внутренним диаметром лопастями вентилятора и втулкой

м2 .

Площадь сечения пространства между лопастями вентилятора и остовом ТЭД:

м2 .

На рис.2.2 показана конструктивная компоновка и схема вентиляции асинхронного ТЭД серии ДАТЭ-170-4У2, где приняты следующие обозначения:

1 - станина;

2 - сердечник статора;

3 - обмотка статора;

4 - коробка выводов;

5 - вал;

6 - сердечник ротора;

7 - короткозамкнутая обмотка ротора;

8,9 - щиты подшипниковые;

10 - подшипник роликовый;

11 - подшипник шариковый;

12,13 - крышки подшипника;

14 - вентилятор;

15,16 - крышки с сетками;

17 - зажим заземления;

18 - колесо.



2.3 Определение аэродинамических сопротивлений

Аэродинамические сопротивления ТЭД и его отдельных участков показаны на рис.2.3.

Общая струя

1. Вход воздуха через входные отверстия:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

2. Входная камера:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

Путь около ротора

3. Проход через промежуточную шайбу:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

4. Вход роторной струи - отверстие с прямоугольными краями:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

;

Zр=Zр1+Zш = 208,333+117,188=325,521 .

Рис.2.2. Конструктивная компоновка и схема вентиляции асинхронного ТЭД серии ДАТЭ-170-4У2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.3. Аэродинамические сопротивления ТЭД серии ДАТЭ-170-4У2

5. Выход в заднюю камеру:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

Общая струя

6. Внутри вентилятора:

ж=0,07 при в=900 поворот струи;

.

7. Между вентилятором и остовом:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

8. Выход в окна остова:

ж=0,03 при прямоугольных краях входа;

.

9. Сопротивление входа струи во входную камеру:

10. Сопротивление:

? для струи воздуха в воздушном зазоре и выходе в заднюю камеру

Zв,вых.к= Zвых.к=208,333;

? для струи воздуха внутри якоря

Zвн.р=Zр =325,521.

11. Сопротивление разветвлённой части

.

12. Полное аэродинамическое сопротивление ТЭД

Z = Zвх+Zвх.к+Zр+ Zвв+Zв.ост+Zвых.отв =

= 0,326+1,172+325,521+20,109+33,333+0,152 = 380,6.

2.4 Определение напора, распределения вентилирующего воздуха по каналам и скорости воздуха

Напор необходимый для обеспечения расхода Q = 0,275 м3/с, что соответствует 16,5 м3/мин,

Н = 9,81*Z*Q2 = 9,81*380,6*0,2752 = 282,36 Па.

Падение давления на входном отверстии

ДНвх = 9,81* Zвх.от* Q2 = 9,81*1,696*0,2752 = 1,258 Па.

Давление внутри ТЭД

Н` = Н - ДНвх = 282,36 - 1,258 = 281,1 Па.

Расход воздуха, протекающего внутри ротора

м3/с .

Скорости воздуха теплоотдающей поверхности ротора

м/с ,

где vр? - окружная скорость ротора в продолжительном режиме работы;

каналов якоря

м/с .

Построение характеристики вентилятора.

,

где з0=0,6 - аэродинамический к.п.д. вентилятора;

гв=1,23 - плотность воздуха при давлении 760 мм вод. ст. и температуре 500 С, кг/м3 ;

- окружная скорость на внутреннем диаметре лопаток, м/с;

- окружная скорость на внешнем диаметре лопаток, м/с.

Величины Н0 и Q = 0 определяют точку на оси ординат - первую точку искомой характеристики. Вторая точка (на оси абсцисс) определяется вторым пограничным режимом работы вентилятора - работой на выхлоп воздуха в атмосферу, что соответствует значениям

Q = Qmax и Н = 0.

Найдем максимальное значение расхода воздуха

Qmax = 0,42*u2*S2 = 0,42*75,4*0,029 = 0,918 м3/с.

В формуле выше S2 - площадь охватываемая вентилятором

S2 = 0,9*р*D2*b`л*к` = 0,9*3,14*0,4*0,051*0,5 = 0,029 .

где b`л=0,85bл =0,051 - расчётная ширина лопаток, м;

0,9 - коэффициент, учитывающий уменьшение сечение венца за счёт толщины лопаток;

к`- коэффициент использования выхлопных отверстий, к`=0,5 - при выхлопе воздуха через несколько отверстий, расположенных по окружности.

Промежуточные точки характеристики напора воздуха Н(Q) с достаточной точностью находим по формуле

,

Тогда

,

и строим искомую характеристику. На этом же рисунке (рис.2.4) наносим характеристику энергетического коэффициента полезного действия вентилятора в зависимости от расхода воздуха Q , выражаемого в долях от Qmax по данным:

.

Значения аэродинамической характеристики (напор воздуха, обеспечиваемый вентилятором) находим по формуле

Н = Z*Q2 ;

Н = Z*Q2 = 437,8*0,12 = 4,38 .

Результаты вычислений заносим в табл.2.1.

Таблица 2.1

Характеристики вентилятора

Расход воздуха Q, м3/с	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,92
Напор воздуха H, Па	217,96	215,38	207,66	194,78	176,76	153,58	125,25	91,78	53,15	0
КПД з, %	0	6	11	14	16,5	17,5	16	12,5	7	0
Напор воздуха обеспеч.вент.Н, Па	0	3,81	15,22	34,25	60,9	95,15	137,02	186,49	243,58	322,14
Q/Qmax	0	0,11	0,22	0,33	0,43	0,54	0,65	0,76	0,87	1

Рис.2.4. Рабочие характеристики вентилятора при максимальной частоте вращения n = 3600 об/мин

Построение характеристики вентилятора при n=1290 об/мин.

,

где з0=0,6 - аэродинамический к.п.д. вентилятора;

гв=1,23 - плотность воздуха при давлении 760 мм вод. Ст. и температуре 500 С, кг/м3 ;

- окружная скорость на внутреннем диаметре лопаток, м/с;

- окружная скорость на внешнем диаметре лопаток, м/с.

Величины Н0 и Q = 0 определяют точку на оси ординат - первую точку искомой характеристики. Вторая точка (на оси абсцисс) определяется вторым пограничным режимом работы вентилятора - работой на выхлоп воздуха в атмосферу, что соответствует значениям Q = Qmax и Н = 0.

Найдем максимальное значение расхода воздуха

Qmax = 0,42*u2*S2 = 0,42*27*0,029 = 0,33 м3/с ,

В формуле выше S2 - площадь охватываемая вентилятором

S2 = 0,9*р*D2*b`л*к` = 0,9*3,14*0,4*0,051*0,5 = 0,029 .

где b`л = 0,85bл = 0,051 - расчётная ширина лопаток, м;

0,9 - коэффициент, учитывающий уменьшение сечение венца за счёт толщины лопаток; к` - коэффициент использования выхлопных отверстий, к`=0,5 - при выхлопе воздуха через несколько отверстий, расположенных по окружности.

Промежуточные точки характеристики напора воздуха Н(Q) с достаточной точностью находим по формуле

,

отсюда,

и строим искомую характеристику. На этом же рисунке наносим характеристику энергетического коэффициента полезного действия вентилятора в зависимости от расхода воздуха Q , выражаемого в долях от Qmax по данным:

.

Значения аэродинамической характеристики (напор воздуха, обеспечиваемый вентилятором) находим по формуле

Н = Z*Q2 ;

Н = Z*Q2 = 380,6*0,092 = 3,08 .

Результаты вычислений заносим в табл.2.2.

Таблица 2.2

Характеристики вентилятора при n=1290 об/мин

Расход воздуха,Q м3/с	0	0,09	0,12	0,15	0,18	0,21	0,24	0,27	0,3	0,33
Напор воздуха Н, Па	27,97	25,89	24,27	22,19	19,65	16,64	13,18	9,25	4,85	0
КПД з, %	0	6	11	14	16,5	17,5	16	12,5	7	0
Напор воздуха обеспеч.вент. Н, Па	0	3,08	5,48	8,56	12,33	16,78	21,92	27,75	34,25	41,45
Q/Qmax	0	0,11	0,22	0,33	0,43	0,54	0,65	0,76	0,87	1

Рис.2.5. Рабочие характеристики вентилятора при частоте вращения n=1290 об/мин



3. Экпериментально-теоретическое исследование надежности асинхронных ТЭД электропоездов

3.1 Тепловое старение изоляции тягового электрического двигателя. Закономерности теплового старения изоляции электрических машин

Статистические данные по надежности узлов и деталей оборудования электровозов показывают, что большая доля отказов приходится на тяговые электрические машины. Системный анализ причин отказов тяговых двигателей указывает на совокупность принципов, отражающих снижение надежности, обусловленных в основном перегревом их обмоток и отсутствием многомерных систем температурного контроля. Состояние изоляции ТЭД определяет тепловое старение, которое способствует накоплению, росту микропустот и микротрещин в изоляции, что вызывает частый выход из строя ТЭД по причине ее пробоя. Температура двигателя и интенсивность теплового старения изоляции возрастают при уменьшении расхода охлаждающего воздуха.

Анализ статистических данных о надежности электровозов, наблюдения за работой их электрического оборудования при проведении эксплуатационных испытаний показывают, что нередко причиной выхода из строя перечисленного выше оборудования является неудовлетворительная вентиляция.

Таким образом, среди различных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин, одним из основных является тепловое старение.

Первые работы в этом направлении имели преимущественно экспериментальный характер и относились главным образом к изоляции класса А. В результате было сформулировано так называемое правило "восьми градусов", в соответствии с которым повышение температуры изоляции на каждые восемь градусов сокращает срок ее службы вдвое. Аналитически это правило выражается в виде уравнения

Д = Д0·e-0,0866 , (3.1)

где До - срок службы изоляции при температуре 0 °С, ч;

- температура изоляции, °С.

Правило "восьми градусов" вследствие своей простоты находит широкое применение и позволяет производить ориентировочные расчеты в тех случаях, когда они относятся к сравнительно небольшим диапазонам изменения температуры. Недостатком уравнения (3.1) является его эмпирический и формальный характер, что вносит неопределенность в значения числовых постоянных и не позволяет рассчитывать на получение этим методом достаточно надежных результатов.

Более строгий подход к исследованию явлений старения изоляции заключается в применении к ним общих законов кинетики химических реакций. Я. Вант Гоффом и С. Аррениусом была найдена зависимость скорости химических реакций от температуры

, (3.2)

Где

К - постоянная скорости реакции; - абсолютная температура, °К;

В и А - постоянные коэффициенты.

Экспериментально доказано, что окислительные процессы, происходящие в изоляции, относятся к классу мономолекулярных реакций, для которых справедливо уравнение

= К. С, (3.3)

где С - концентрация не прореагировавших молекул в рассматриваемый момент времени t.

Из уравнения (3.3) следует

К = (3.4)

где С0 - начальная концентрация не прореагировавших молекул.

Коэффициенты А и В (см. табл. 3.1) имеют определенный физический смысл и связаны с постоянными, характеризующими химический состав и структуру вещества, участвующего в реакции, соотношениями

А = ln(P·Z) , (3.5)

P = e , (3.6)

B = - , (3.7)

где Z - число столкновении между реагирующими молекулами в единицу времени;

Р - фактор вероятности надлежащей ориентации молекул при столкновении;

- энтропия активации - величина, характеризующая долю общего числа столкновений, при которых молекулы ориентированы надлежащим образом;

R = 8,317- универсальная газовая постоянная, Дж/°К·моль;

Еа - энергия активации, т.е. избыточное (по сравнению со средней величиной) количество энергии, которой должна обладать молекула, чтобы преодолеть энергетический барьер и оказаться способной к данному химическому взаимодействию.

Объединяя приведенные выше уравнения, можно получить уравнение Вант Гоффа - Аррениуса

К = Ае. (3.8)

Таблица 3.1. Значения коэффициента В различных изоляционных материалов

Класс изоляции	В, К	н,К	Дн, бч	G
А	9500	378	20000	15,3
Е	9850	393	20000	15,1
В	10200	403	20000	15,5
F	12700	428	20000	19,7
Н	15500	453	20000	24,2

Решая совместно уравнения (3.4) и (3.8) и обозначая срок службы изоляции через Д, получим

, (3.9)

Где

G = lnA - lnln. (3.10)

Зная срок службы изоляции Дн, при температуре Н , можно найти срок службы изоляции Д при температуре

. (3.11)

Найдем скорость теплового износа изоляции (в базовых часах за час) при заданной ее температуре

, (3.12)

где Дн - базовый ресурс изоляции, бч;

Д - срок службы изоляции при температуре , ч. Подставив значение Д по (3.11), получим

= . (3.13)

3.2 Тепловое старение изоляции асинхронного ТЭД

Тепловой переходный процесс асинхронного электродвигателя

Тепловая схема замещения асинхронного электродвигателя аналогична тепловой схеме замещения якоря тягового двигателя (рис. 3.2).

Также как и якорь ТЭД постоянного тока асинхронный электродвигатель с точки зрения его нагрева можно рассматривать как систему двух тел - обмотки статора и стали.

Тела 1 и 2 (обмотка и сталь) обладают теплоемкостями С1 и С2 и связаны между собой тепловой проводимостью Л12, а с окружающей средой - тепловыми проводимостями Л1 и Л2. В теле 1 выделяются потери Р1, а в теле 2 - потери Р2.

Принимаем, что так же как и в якоре ТЭД теплоемкости и тепловые проводимости не зависят от температуры, теплоемкость окружающей среды Сср равна бесконечности, температура окружающей среды ср постоянна.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.2. Тепловая схема замещения якоря ТЭД

Составим уравнение теплового баланса.

+ ( , (2.14)

, (2.15)

где - превышение температуры обмотки статора и стали над температурой окружающей среды, 0С;

- температурный коэффициент сопротивления материала проводника обмотки, 1/ 0С.

Перепишем уравнение в оперативной форме

, (2.16)

(2.17)

Решив систему уравнений,

найдем превышение температуры обмотке в оперативной форме

, (2.18)

Гд

е (2.19)

, (2.20)

К = С1 С2 , (2.21)

, (2.22)

t = , (2.23)

обозначим

, (2.24)

t . (2.25)

Перепишем уравнение (2.18) с учетом введения обозначений

=, (2.26)

Уравнение имеет два различных и не равных нулю корня р1 и р2 , поэтому

(2.27)

Где

(2.28)

введем формулу установившегося превышения температуры обмотки асинхронного электродвигателя.

Из формулы (2.27) при t = , получаем:

. (2.29)

После составления уравнений теплового баланса для каждого тела обмотки статора (тело 1) и стали (тело 2), аналогичных уравнениям теплового баланса обмотки якоря и его стали, решения уравнений и преобразований, установившееся значение превышения температуры обмотки статора асинхронного двигателя

1y = , (3.14)

P10 = 3r0I2, (3.15)

где r0 - сопротивление фазы обмотки статора при температуре окружающей среды, Ом; I - ток, потребляемый электродвигателем, А.

Введем обозначения

Л'1 = Л1+ , = к12 . (3.16)

Перепишем уравнение (3.14)

1y = . (3.17)

В формуле (3.17) неизвестными величинами являются k12 и Л'1. Введем новую величину - превышение температуры обмотки в опыте короткого замыкания 1k, которая может быть определена экспериментальным путем из опыта короткого замыкания, условиями проведения которого являются равенство нулю потерь в стали (P2 = 0) и равенство тока двигателя номинальному (I = IН) при номинальной частоте вращения электродвигателя ( = н).

При опыте короткого замыкания формула (3.17) принимает вид

1к = , (3.18)

где 1к - установившееся превышение температуры обмотки в опыте короткого замыкания.

Из (3.18) находим

Л'1 = 3r0I2н. (3.19)

Подставляем (3.19) в (3.17) и получаем

1y =. (3.20)

В номинальном режиме работы

I = Iн, 1y = н

и формула (3.20) после подстановки указанных значений принимает вид

, (3.21)

откуда получаем

. (3. 22)

Подставив (3.22) в (3.20), получим

1y=. (3.23)

При нагрузке, отличной от номинальной,

I = kIн,

выражение (3.23) принимает вид

1y=. (3.24)

Полученная формула позволяет вычислить значение установившегося превышения температуры обмотки в функции кратности тока нагрузки электродвигателя по отношению к номинальному с учетом влияния роста сопротивления обмотки при нагревании.

Единственной величиной, требующей экспериментального определения, является превышение температуры в опыте короткого замыкания 1к (в дальнейшем будем называть превышением температуры короткого замыкания).

Найдем способ определения значения 1к по паспортным данным электродвигателя, рассуждая следующим образом: в номинальном режиме работы превышение температуры обмотки также будет номинальным и может быть найдено по выражению

1н = , (3. 25)

где Рс.н и Рм.н-- номинальные потери соответственно в стали и в меди электродвигателя, Вт;

А-- эквивалентная теплоотдача обмотки, .

В опыте короткого замыкания это уравнение приобретает вид

. (3.26)

Решая совместно уравнения (3.25) и (3.26), находим

, (3.27)

Где

. (3. 28)

Подставив теперь (4.28) в (4.24), получаем

. (3. 29)

Таким образом, установившееся превышение температуры обмотки зависит от кратности тока электродвигателя, коэффициента потерь и материала проводника, которому соответствует температурный коэффициент сопротивления .

Заменив реальную кривую нагрева обмотки электродвигателя эквивалентной кривой, получим уравнение нагрева обмотки

, (3.30)

где нач - начальное значение превышения температуры обмотки, °С;

Т - эквивалентная постоянная времени нагрева электродвигателя, с;

t - текущее время, с.

Эквивалентная постоянная времени нагрева электродвигателя может быть найдена по выражению

, (3. 31)

где Сi - теплоемкость i-го тела электродвигателя, Дж/°С;

iн - превышение температуры тела электродвигателя в номинальном режиме работы последнего, °С;

Рн - номинальные потери мощности в электродвигателе, Вт.

Используя вышеописанную методику можно рассчитать значение превышения температуры изоляции обмотки статора, а также скорость износа изоляции.



4. Обеспечение требуемого уровня надежности ТЭД

4.1 Система контроля увлажненности изоляции

Для обеспечения необходимого уровня надежности асинхронных ТЭД необходимо введение системы контроля увлажненности изоляции (СКУ) при прохождении ТО-2 и текущих ремонтов.

СКУ включает пять блоков (рис. 4.1).

Блок 1 (MIC-1000). Прибором MIC-1000 оператор производит поочередное измерения величины поверхностного увлажнения (коэффициента абсорбции Ка) изоляции статорной обмотки асинхронного ТЭД. Дата, номер ТЭД и результат измерения вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 990 результатов измерений).

Блок 2 (ПКВ). Прибором ПКВ оператор производит поочередное измерения величины объемного увлажнения (отношения абсорбционной емкости ?С к геометрической емкости Сг) изоляции статорной обмотки асинхронного ТЭД. Дата, номер ТЭД и результат измерения ДС/Сг вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 990 результатов измерений).

Блок 3 (Кельвин). ИК- термометром "Кельвин" оператор производит поочередное измерения температуры изоляции статорной обмотки ТЭД То. Дата, номер ТЭД и результат измерения температуры вводится во внутреннюю энергонезависимую память прибора (объем памяти 1000 результатов измерений).

Рисунок 4.1. Схема автоматизированной системы определения степени увлажнения изоляции асинхронных ТЭД

После осуществления измерений поверхностного, объемного увлажнений и температуры асинхронных тяговых двигателей полученные значения Ка , ДС/Сг и То с блоков 1,2,3 подаются:

- на блок 4 - пересчета коэффициента абсорбции при температуре двигателя в момент измерения на , соответствующему температуре 20 оС;

- на блок 5 - пересчета отношения абсорбционной емкости ?С к геометрической емкости Сг при температуре двигателя в момент измерения на соответствующей температуре 20 оС.

Результаты пересчитанного коэффициента абсорбции и пересчитанного отношения абсорбционной емкости ?С к геометрической емкости Сг , выводятся на компьютер.

в виде табл.4.1 и табл.4.2.

Таблица 4.1

Вагон №0156. Данные о состоянии увлажненности изоляции

Дата	№ТЭД			Заключение о степени увлажнении изоляции
	1
	2
	3
	4

На основании табл. 1 по данным и для каждого из проверенных двигателей выполняется заключение о увлажненности его изоляции, необходимости сушки изоляции и ее продолжительности (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Анализ состояния изоляции ТЭД

		Длительность сушки
?2	< 0,1	Сушка не требуется (сухая изоляция)
1,3-1,9	<0,1	Кратковременная сушка (поверхностное увлажнение) 1,5-2 часа
>2	>0,1	Сушка по времени превышающая кратковременную в два раза (объемное увлажнение)
<1,3	>0,1	Сушка длительной продолжительности (поверхностное и объемное увлажнение)

4.2 Система температурного контроля

Общие сведения

Для поддержания необходимого уровня надежности электровозов потребуется стабилизация температуры электрооборудования на уровне, обеспечивающем минимальный тепловой и термомеханический износ изоляции, что возможно при введении систем регулирования теплового режима одним из определяющих элементов которых является непрерывный достоверный контроль температуры.

Результаты выполненного исследования надежности ТЭД электровозов свидетельствуют о необходимости ввода ...