Динамика вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................................ 6
Глава 1. ПРОБЛЕМА ВЫСОКОЙ ВИБРАЦИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ............................................................. 13
1.1. Проблема низкой надежности и высокой вибрации ве1ггиляционных
машин электровозов............................................. 14
1.1.1 Статистика отказов вспомогательных и вентиляционных машин
электровозов.............................................. 14
1.1.2 Параметры технического состояния мотор-вентиляторов.
11ормы допустимой вибрации................................. ^
1.1.3 Анализ уровня и спектрального состава вибрации в электровозах при работе вспомогательных машин................... 20
1.2. Теоретические основы электромеханического преобразования энергии
и возникновения вибрационных сил в асинхронном двигателе при нарушении симметрии в его системе питания...................... 26
1.2.1 Основные элементы конструкции асинхронного электродвигателя................................................ 27
1.2.2 Теория электромеханического преобразования энергии в элекгрических машинах в номинальных режимах работы 28
1.2.3 Особенности преобразования энергии в электрических машинах при несимметрии фазных токов в обмотке статора......................................................... 32
1.2.4 Образование магнитодвижущих сил, токов и моментов прямой и обратной последовательности многофазной обмотки элекгродвигателя................................................ 37
1.2.5 Влияние несимметрии токов в фазах обмотки статора на магнитные вибрации.............................................. 42
1.3 Вибродиагностика и термодиагностика как эффективные средства безразборного контроля вентиляционных машин......................... 43
1.3.1 Актуальность внедрения вибродиагностики в процесс ремонта
вспомогательных машин..................................... 43
1.3.2 Основные методы и средства вибро- и термодиагностики электровозов при техническом обслуживании и ремонте 44
1.3.3 Вибродиагностичсские и тепловые признаки механических дефектов мотор-вентиляторов..................................... 46
1.4 Цель и задачи исследования...................................... 51
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И
СОПУТСТВУЮЩИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН ПРИ НЕСИММЕТРИИ
ФАЗНОГО ТОКА..................................................... 53
2.1 Методика и аппаратура экспериментального измерения вибрации.
Вибрационные признаки электрических дефектов..................... 53
2
2.1.1 Методика проведения виброизмерений........................... 53
2.1.2 Аппаратура экспериментального измерения вибрации............. 57
2.1.3 Вибрационные и сопутствующие признаки электрических дефектов асинхронных электродвигателей............................. 58
2.2. Исследование уровня и спектрального состава вибрации вентиляционных машин на электровозах.................................. 68
2.2.1. Исследование вибрации вентиляционных машин на участке испытаний.......................................................... 68
2.2.2. Исследование вибрации вентиляционных машин на электровозах..................................................... 70
2.3. Экспериментальная установка для проведения динамических исследований асинхронных машин с несиммстрией фазного тока... 77
2.3.1. Описание экспериментальной установки........................ 77
2.3.2. Способ формирования и характеристика несимметричных режимов............................................................. 79
2.4. Вибрация асинхронного электродвигателя с несимметрией фазного
тока при жестком креплении его к основанию...................... 84
2.4.1. Общий уровень и спектральный состав пространственной вибрации электродвигателя.......................................... 85
2.4.2. Спектральный состав пространственной вибрации электродвигателя при изменении тока в фазах и начального дисбаланса......................................................... 87
2.4.3. Спектральный состав вибрации электродвигателя при работе его под нагрузкой и в качестве электропривода вентиляционной машины........................................................... 91
2.5. Исследование вибрации электродвигателя с несимметрией фазных
токов на упругой подвеске с изменяемой жесткостью............. 95
2.5.1. Характеристики жесткости упругих элементов................ 95
2.5.2. Массо-инерционные характеристики электродвигателя марки ЛИР90Ь4УЗ........................................................ 97
2.5.3. Экспериментальные исследования свободных колебаний электродвигателя на упругом подвесе.............................. 99
2.5.4. Исследования вынужденных колебаний электродвигателя при
его пуске в случае моделирования несимметрии тока........... 100
2.5.5. Исследования спектрального состава колебаний электродвигателя при моделировании несимметрии тока......... 101
2.6. Выводы и заключения по главе....................... 103
Глава 3. ДИНАМИКА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН ПРИ НЕСИММЕТРИИ ТОКА В ФАЗАХ.... 104
3.1. Математическая модель силовых взаимодействий в асинхронном электроприводе при несимметрии тока в фазах.......................... 104
3.2. Анализ воздействия тангенциальных электромагнитных сил в зазоре
статора и ротора............................................... 107
3.2.1. Колебания вращающего момента ротора........................ 107
3
3.2.2. Пространственно- временное распределение тангенциальных
сил....................................................... 112
3.3 Анализ воздействия радиальных электромагнитных сил в зазоре
статора и ротора............................................... 121
3.3.1. Одновременное воздействие радиальных сил по всей окружности кольцевого зазора (колебания формы г = 0)........... 121
3.3.2. Деформация поля радиальных сил и анализ периодических
составляющих возмущений при несимметрии фазного тока..................................................... 122
3.4. Динамические свойства двумерной системы упругой подвески электродви га теля.................................................. 130
3.5. Численное моделирование динамики асинхронного электропривода
при несимметрии................................................ 136
3.5.1. Структура программы расчета динамических характеристик твердого тела на упругом подвесе ‘Т)т_ТТ”....................... 136
3.5.2. Исходные данные для численного моделирования пространственной динамики асинхронного электродвигателя
при несимметрии фазного тока.............................. 137
3.5.3. Результаты моделирования свободных и вынужденных
колебаний................................................... 140
3.6 Выводы и заключения по главе............................ 144
Глава 4. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ВХОДНОГО ВИБРОКОНТРОЛЯ И
МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ МАШИН С
АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ И
РЕМОНТЕ......................................................... 146
4.1 Комплекс входного виброконтроля мотор-вснтиляторов при техническом обслуживании и ремонте.................................. 146
4.1.1 Требования к аппаратуре входного виброконтроля........... 147
4.1.2 Состав и характеристики комплекса........................... ^
4.1.3 Технология виброиспытаний при проведении технического обслуживания и текущего ремонта................................. 153
4.2 Данные опытно-промышленных испытаний и диагностики дефектов при
обслуживании и ремонте........................................ | ^
4.3 Исследование сопутствующих параметров температуры статорной обмотки асинхронного электропривода при несимметрии фазного тока................................................................ 159
4.3.1. Экспериментальные исследования полей температур при несимметрии тока................................................ 160
4.3.2. Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя марки АИР90Ь4УЗ экспериментального макета, работающего в номинальном режиме, при нарушении симметрии в системе питания......................................................... 164
4
4.4 Методика выявления дефектов элементов цепи вспомогательных машин по сопутствующим параметрам, с использованием тепловизионного контроля................................... 166
4.4.1.Тепловой переходный процесс асинхронного электрог фивода.......................................... 169
4.4.2. Расчет превышения температуры обмотки статора двигателя АНЭ225Ь4УХЛ2, работающего при нарушении симметрии в системе питания.......................................... 172
4.5 Методика тепловых испытаний мотор-вентиляторов при техническом
обслуживании и ремонте.................................. ^
4.6. Выводы и заключения по главе..........................
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................... 176
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. 178
ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................... 185
ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................... 202
ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................... 212
ПРИЛОЖЕНИЕ 4................................................... 216
ПРИЛОЖЕНИЕ 5................................................... 217
5
ВВЕДЕНИЕ
Вентиляционные машины (ВМ) с асинхронным электроприводом применяются во многих отраслях промышленности, в энергетике, железнодорожный транспорте, строительстве, сельском хозяйстве и т. д. ВМ в электровозах и тепловозах (мотор-вентиляторы) применяются в качестве машин отвода тепла от электрически нагруженного оборудования силовой цепи: тяговых электродвигателей, тормозных реостатов, выпрямительно-инверторных преобразователей и т.д. Другие вспомогательные машины электровозов: мотор-компрессоры и фазоращепители также имеют асинхронный электропривод. Одной из приоритетных задач на транспорте является повышение надежности и продление срока эксплуатации оборудования засчет качественного технического обслуживания и ремонта, а также снижение затрат на ремонт оборудования. Эта задача непосредственно связана с необходимостью определения текущего технического состояния машинного оборудования с асинхронным электроприводом и быстрой, точной достоверной диагностикой развивающихся дефектов.
Статистическая обработка данных по внеплановым отказам оборудования электровозов Восточно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД» за 2007-2009 г.г. показала высокий процент повреждений вспомогательных машин. Чаще всего ремонт связан с дефектом асинхронного электропривода. Исследования вибрации вспомогательных машин показали, что в среднем ее уровень значительно превышает предельно допустимые значения. Большинство вспомогательных машин по количеству и энергопотреблению составляют центробежные вентиляционные машины - мотор-вентиляторы (МВ), которые обладают повышенным уровнем виброактивности. Поэтому они и выбраны в качестве основного объекта настоящего диссертационного исследования. Причинами вибрации являются механические и электрические дефекты. Дополнительный вклад в общий высокий вибрационный фон МВ вносит вибрация, вызываемая несимметрисй тока в фазах. Ее вклад сильно варьируется и составляет от 5 до 50% от общего уровня вибрации. При этом часть энергии расходуется на генерирование паразитных колебаний и значительно ухудшаются энергетические и динамические показатели электропривода. ....
Проведенные испытания на 10 электровозах серии ВЛ80р в локомотивном депо ст. Иркутск-сортировочный показали среднюю степень несимметрии 10 - 12%. На участках испытаний МВ после ремонта уровень несимметрии тока в фазах достигал 17%-20%.
Несимметричные режимы возникают при искажении симметрии напряжений в сети, при несимметрии в цепях статора и ротора, при несимметричной схеме соединений обмоток двигателя. Такие режимы могут возникнуть как результат отклонения условий работы двигателя от нормальных, в частности вследствие неисправностей и аварий.
Вибрационные составляющие, вызываемые несимметрией тока, нельзя убрать балансировкой или другими механическими методами снижения колебаний ротора,
6
ввиду сложной пространственной картины, порождаемой несимметрией вибрации. Более того, искажая сигнал оборотной частоты дополнительными составляющими, несимметрия тока снижает качество балансировки, делает невозможным полное устранение дисбаланса. Несимметрию тока можно убрать, только устранив ее электрические причины.
Исследования в области несимметричных режимов работы электрических машин проводились широким кругом ученых. Наиболее весомый вклад в изучение данной проблемы внесли Вольдек А.И., Копылов И.П., Иванов-Смолснский А.В., Шубов И.Г., Кацман М.М. и др [19,42, 88, 19,41]. Их исследования ограничиваются определениями электрических параметров, таких как магнитодвижущая сила, токи и моменты прямой и обратной последовательности. Изучению пространственно-временного распределения тангенциальных (электродинамических) и радиальных
(электромагнитных) сил и их влияния на возбуждение колебаний статора и ротора асинхронного электродвигателя при иесимметрии фазных токов не уделялось достаточного внимания.
В монографиях [19, 42, 88, 19, 41] возникновение при несимметрии
вибрационной составляющей момента объясняется в терминах моментов прямой и обратной последовательности, но не учтены комбинационные составляющие моментов, получаемые при перемножении токов и м.д.с. прямой и обратной последовательности.
Очень важным динамическим и диагностическим признаком несимметрии тока в фазах является наличие во временном сигнале и спектре вибрации составляющей с двойной частотой сети 2 • /с (/с“50 Гц - частота сети) [21]. Однако эта составляющая является общим признаком наличия электромагнитных сил в электрических машинах, т.е. этот признак присущ всем дефектам электромагнитной природы: повреждениям стержней ротора, статическому эксцентриситету статора, динамическому эксцентриситету ротора, обрыву или замыканию витков обмоток статора, ослаблению листов железа статора и др. Для несимметрии фазного тока приведенный выше признак являегся единственным, что затрудняет диагностику этого дефекта. Расширение набора диагностических признаков несимметрии тока в фазах, в том числе и 100% несимметрии "(обрыва фазы),"является важной задачей динамики машин с асинхронным электроприводом. Выявление степени несимметрии фазного тока по анализу вибрационного сигнала также являегся актуальной задачей, так как измерить ток во всех фазах всех эксплуатируемых машин с асинхронным электроприводом не представляется возможным. Вибродиагностика машин получает все большее распространение, и нужно научиться извлекать из данных виброизмерений максимальное количество полезной информации.
Задачами стратегического направления научно-технического развития ОАО «РЖД» до 2015 г., изложенными в «Белой книге» ОАО «РЖД», являются повышение безопасности движения поездов, реорганизация технического обслуживания и ремонта подвижного состава, в том числе на основе развития и использования современных
7
методов и средств диагностики.
Диагностика состояния МВ при техническом обслуживании и входном контроле перед ремонтом до последнего времени не применялась, так как имеется ряд ограничений по безопасности проведения измерения средствами контроля в высоковольтной зоне машинного отделения электровоза. Поскольку процесс проведения технического обслуживания и ремонта строго регламентирован по времени, крайне важно использовать методы и средства, позволяющие выполнить обследование за предельно малый срок с одновременным сохранением качества выполнения операций.
Это делает актуальной проблему создания комплекса входного виброконтроля МВ, обеспечивающего сбор вибрационной информации в автономном режиме, в режиме дистанционного управления при реализации перехода на обслуживание и ремонт МВ по фактическому состоянию.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что развитие исследований, направленных на изучение динамики и колебаний машинных вентиляционных агрегатов с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов, на создание дистанционно управляемых комплексов виброконтроля и диагностики дефектов МВ, является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является исследование динамики и разработка комплексных методов вибрационной диагностики несимметрии фазных токов в вентиляционных машинах с асинхронным электроприводом для обеспечения эффективности их ремонта и надежности в эксплуатации.
Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:
1. Проведение комплекса экспериментальных исследований динамики, обобщение и систематизация вибрационных признаков дефектов вентиляционных машин с асинхронным электроприводом в различных режимах работы и на различных стадиях жизненного цикла.
2. Разработка экспериментального макета вентиляционных машин с асинхронным электроприводом для моделирования работы и анализа пространственных колебаний при изменении -степени несимметрии фазных токов, характеристик .нагрузки, и жесткости опорной системы.
3. Разработка математической модели, исследование силовых вибрационных полей и оценка их влияния на формы колебаний асинхронных электродвигателей ВМ при несимметрии фазных токов.
4. Численное моделирование пространственной динамики, разработка методики комплексной вибродиагностики вентиляционных машин на наличие несимметрии фазных токов.
5. Разработка технических рекомендаций по созданию комплекса входного вибрационного контроля вентиляционных машин электровозов и опытнопромышленное испытание этого комплекса, разработка алгоритмов
8
автоматизированной диагностики электрических дефектов.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались следующие методы: метод симметричных составляющих, метод конечных элементов, методы теоретической механики и динамики машин. При моделировании использовался программный продукт МАТЬАВ 7.5, некоторые вычисления выполнены с помощью системы символьной математики Ма&Сад 14.
Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:
1. Результаты комплексного исследования параметров пространственного и спектрального распределения вибрации ВМ электровозов в различных режимах работы и на различных стадиях жизненного цикла, показавшие существенный вклад в общий уровень виброактивности составляющих на характерных частотах электрических дефекгов.
2. Установлены зависимости пространственного распределения и полного
спектрального состава вибрации вентиляционных машин с асинхронным
электроприводом от различной степени несимметрии тока в фазах, изменения
характеристик нагрузки и жесткости опорной системы с помощью физического моделирования на специально спроектированном стенде.
3. Математическая модель и результаты численного моделирования силовых вибрационных воздействий и динамики вентиляционных машин с асинхронным электроприводом при несимметрии фазных токов, позволившие обосновать и подтвердить результаты экспериментальных исследований.
4. Схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм
вибродиагностики несимметрии фазных токов и методика комплексной оценки технического состояния вентиляционных машин по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам при их обслуживании и ремонте.
Практическая значимость работы состоит в том, что на основе выполненных исследований существенно расширен перечень диагностических признаков электрического дефекта вентиляционных машин с асинхронным электроприводом в виде несимметрии фазного тока. Разработаны и предложены математическая модель динамики--вентиляционных машин при несимметрии фазных токов, технические требования и схемные решения комплекса входного виброконтроля, алгоритм вибродиагностики несимметрии фазных токов и методика комплексной оценки технического состояния вентиляционных машин по вибрационным и сопутствующим тепловым параметрам. По пр01рамме автоматизированной диагностики дефектов вентиляционных машин «Вибродефект» получено свидетельство о государственной регистрации.
Разработанные методики, алгоритмы, программные модули могут найти широкое применение как в научных исследованиях, так и в производстве.
Реализация результатов подтверждена «Актами внедрения» по договору с ВСЖД НИОКР № ДТ/544р/08 «Разработка и внедрение комплекса входного
9
виброконтроля и диагностики дефектов мотор-вентиляторов электровозов при их ремонте с учетом фактического состояния» с внедрением результатов в ТЧр-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2008 г.. Методы комплексной вибро-термодиагностики мотор-вентиляторов предложены и реализованы также в НИОКР № ДТ/1008р/07 от 10.05.2007 г. «Термо-оптическое устройство и технология термодиагностики дефектов электрооборудования электровозов на ранней стадии перегрева (при техническом обслуживании (ТО) и текущем ремонте (ТР))» с внедрением результатов в ТЧр-2 ст. Нижнеудинск в ноябре 2007 г.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждена экспериментальной проверкой основных положений, сопоставлением аналитических исследований с результатами, полученными при численном моделировании.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на III международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, ВСГТУ, 2006 г.); IV международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2009 г.); XVI Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (г. Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2010 г.); 3-ей международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния» (Беларусь, г. Могилев, 2009 г.); Первом Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Китай, провинция Цианси, г. Наньчан, Северо-Восточный транспоргный университет, 2008 г.); Втором Международном симпозиуме «Инновации и обеспечение безопасности современной железной дороги» (Россия, г. Иркутск, Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), 2010 г.); международной конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития транспортного комплекса России» (г. Новосибирск, СГУПС, 2007 г.); 2-ой международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Беларусь, г. Могилев, Белорусско-Российский университет, 2006 г.), IV Международной конференции «Математика, ее приложения и математическое образование» (г. Улан-Удэ, Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 2011 г.)
Публикации. Результаты исследований изложены в 18 научных работах в виде статей и докладов на конференциях, из них 4 публикации - в журналах, рекомендованных ВАК; получено свидетельство на госрсгистрацию программы «Вибродефект».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 102 наименований и 5 приложений. Общий объем работы - 219 страниц, из них 184 страницы основного текста, включая 31 таблицу и 165 рисунков.
10
В первой главе обоснована необходимость экспериментальных исследований и на основе математического моделирования динамических взаимодействий
возмущающих сил в асинхронном электродвигателе вентиляционной машины при несимметрии фазных токов. Проведен анализ технического состояния, определен фактический межремонтный пробег вспомогательных машин электровозов различных серий, который намного меньше нормативного. Чаще всего ремонт связан с дефектами асинхронного привода. Определена высокая вибрация в электровозах и ее причины. Приведены данные среднего значения несимметрии на электровозах и на участках диагностики МВ.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям изменения динамических параметров вентиляционных машин при несимметрии фазных токов с различными характеристиками нагрузки на валу электродвигателя и жесткости опорной системы.
Проведена систематизация вибрационных признаков электрических дефектов асинхронных электродвигателей. Выявлен единственный известный признак несимметрии - наличие в спектре вибрации составляющей с двойной частотой сети -100 Гц.
В третьей главе рассмотрены силовые и динамические характеристики асинхронного электропривода вентиляционных машин при несимметрии питающего фазного тока. Проведено численное моделирование механических колебаний привода, выявлены зависимости уровня вибраций в различных направлениях от степени несимметрии фазного тока в обмотках статора.
Проведены теоретические исследования пространственно-временного распределения тангенциальных и радиальных сил, возникающих от электромагнитного взаимодействия в кольцевом зазоре между статором и ротором. Определены точные значения распределения тангенциальных сил, учитывающие комбинированное взаимодействие тока прямой и обратной последовательности с магнитной индукцией прямой и обратной последовательности.
Четвертая глава посвящена разработке методик и рекомендаций по аппаратуре входного виброконтроля при ремонте мотор-вентиляторов. С учетом требований, предъявляемых к виброаппаратурс, предложена модульно-распределенная схема измерения вибрации ВМ, позволяющая формировать любую конфигурацию и число каналов измерительной системы. Основной единицей такой системы является двухканальный виброизмсритсльный блок (ВИБ) с дистанционным управлением.
В главе проведены экспериментальные исследования распределения температурных полей обмотки и корпуса асинхронного электродвигателя при различной несимметрии фазных токов.
В заключении приведены основные результаты работы.
В приложении 1 приведен подробный расчет параметров асинхронного электродвигателя марки АИР90Ь4УЗ, который был взят за объект исследований.
В приложении 2 приведен расчет определения токов, МДС, моментов прямой и
11
обратной последовательности.
В приложении 3 представлены таблицы и рисунки распределения вибрации МВ по гармоникам на электровозах различных серий
В приложении 4 приведена электрическая схема вспомогательных машин электровоза
В приложении 5 представлены акты об использовании результатов НИР и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
12
Глава 1. ПРОБЛЕМА ВЫСОКОЙ ВИБРАЦИИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
На вентиляционные машины - могор-вентиляторы (МВ) электровозов действует инерционное возмущение от движения основания, кинематическое возмущение от соседних работающих вспомогательных машин: мотор-венгиляторов, могор-компрессора, фазорасщепителя, а также силовое возмущение от дисбаланса вращающихся масс и других дефектов механической и электромагнитной природы [58, 61, 99, 100]. Эти возмущения вызывают вибрацию в широком диапазоне частот. При этом среднеквадратическое значение (СКЗ) ускорения, измеренное на лапах МВ, не превышает величины 0,2 g. При движении электровоза на МВ дополнительно действует кинематическое возмущение от движущегося основания и силовое возмущение, вызванное силами инерции переносного движения и гироскопическим моментом. Если источник возникновения вибраций определяется внутренними свойствами машины или механизма, то говорят о его виброактивности. Для уменьшения вибрации передаваемой на различное оборудование, применяются различные методы и средства виброзащигы.
Вибрации электрических машин на электровозах и связанных с ними механизмов имеют основную частот)', определяемую частотой вращения. Однако при движении электровоза в спектре вибраций проявляются колебания с частотами 3 - 7 Гц, обусловленные динамикой электровоза, и 15 - 120 Гц, обусловленные возбуждением собственных колебаний отдельных деталей электрических машин и связанных с ними механизмов [57,62].
Вибрационные нагрузки, генерируемые движущимися частями машин и механизмов, являются одними из наиболее опасных факторов, воздействующих на оборудование промышленных и транспортных объектов, к которым относятся и локомотивы.
Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушений, появление пластических деформаций, снятие предварительных натяжений в болтовых и винтовых соединениях [17, 51].
Вибрационные воздействия приводят к постепенному ослаблению («разбалтыванию») неподвижных соединений. Вибрация вызывает малые относительные смещения сопряженных поверхностей в соединениях деталей машин, при этом происходит изменение структуры поверхностных слоев сопрягаемых деталей, их износ и, как результат, уменьшение силы фения в соединении, изменение диссипативных свойств объекта, смещение его собственных частот.
Если в объекте имеются подвижные соединения с зазорами (например, кинематические пары в механизмах), вибрационные воздействия могут вызвать соударения сопрягаемых поверхностей, приводящие к их разрушению. В большинстве случаев разрушение объекта при вибрационных воздействиях связано с возникновением
13
резонансных явлений. Поэтому при полигармонических воздействиях наибольшую опасность представляют те гармоники, которые могут вызвать резонанс объекта. В сложных объектах, обладающих широким спектром собственных частот, возможно одновременное возбуждение нескольких резонансных режимов при действии полигармонического возмущения.
В результате действия вибрации и ударов могут возникать механические повреждения элементов, нарушаться контакгы реле, целостность паск, резьбовых и других соединений. Для мощных контактов даже небольшое ослабление их и связанное с этим увеличение переходного сопротивления ведет к нагреву, а иногда даже к оплавлению и выгоранию контакта. Вибрация электродвигателей приводит к усталостному растрескиванию и нарушению качества изоляционных покрытий обмоток, ослаблению контактных соединений, нарушениям в работе щеточных узлов.
Особое внимание следует уделять вибрационным характеристикам материалов, которые в процессе эксплуатации подвергаются действию вибраций и нагреву. При колебаниях металлических деталей часть энергии поглощается внутри материала вследствие внутреннего трения. С повышением температуры величина внутреннего трения материала возрастает, при этом будет изменяться виброустойчивость конструкции.
В общем случае вибрации и нагрева упруго напряженных конструкций изменяется амплитуда вибрации и резонансная частота. Вполне естественно, что с увеличением скоростей вращения возникают и повышенные вибрации.
Вибрации, возникающие при работе машин и механизмов, создают дополнительные нагрузки на детали, увеличивают их износ, снижают срок службы изделий, оказывают неблагоприятное физиологическое воздействие на организм человека.
1.1. Проблема низкой надежности и высокой вибрации вентиляционных машин электровозов
1.1.1. Статистика отказов вспомогательных и вентиляционных машин электровозов .................................. - ..............
Статистика отказов вспомогательных машин электровозов серии ВЛ85, ЭП-1, ВЛ80р, ВЛбОпк, «Ермак» за период 2007-2009 г.г.
Техническое состояние оборудования электровозов в процессе эксплуатации непрерывно изменяется и ухудшается из-за воздействия различных эксплуатационных факторов. Анализ отказов оборудования электровозов, представленный на рис. 1.1, показывает, что наиболее подвержены отказам такие узлы и агрегаты, как: электрическое оборудование (26%), тяговые электродвигатели (34%), вспомогательные машины (ВМ) (15%). В состав вспомогательных машин входят, прежде всего, вентиляционные машины (мотор-вентиляторы), компрессоры (мотор-компрессоры) и расщепители фаз (фазорасщспители)
14
прочее оборудование приборы безопасности и АЛСН пневматическое оборудование колесные пары вспомогательные машины
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35%
Рис. 1.1. Статистика отказов оборудования электровозов ВСЖД за 2007-2009 г.г.
Условия эксплуатации вспомогательных машин на тяговом подвижном составе (ТПС) имеют свои особенности: повышенный уровень действующих на них динамических возмущений, нестабильность напряжения тяговой сети и цепей управления, переходные и неустановившиеся процессы при эксплуатации.
Анализ отказов вспомогательных машин по данным службы локомотивного хозяйства за период 2007-2009 г.г. показывает, что наиболее частыми причинами их повреждений являются (рис. 1.2):
- пробой изоляции и межвитковое замыкание (МВЗ) статора;
- повреждение подшипников;
- выплавление ротора;
- отгар выводящих проводов.
29% ________ _Г/*
11%
12%
44%
□ Пробой КХОХ1ЩКК к М ВЗ статора ■ Выплат хаки* роторА ■ Порождение ггодиошкико* □ Прочее
□ Пробой кзокхцкл к МВЗ статор* ■ Выплакали« ротор* ■ Пса рехдекие подшкккнхея ■ Охт*р фи ы
П Про**«
35%
до 150
150-300
300-450 450-000
свыше 600 тыс. км
а)
450-600 свыше 600 тыс. км
15
□ Спрссовывздне крыльчатки
□ Заклинивание двигателя
■ Сгорел двигатель
■ Выплавление ротора
60%
□ Пробой изоляции и МВЗ статора
□ Тяжелый запуск двигателя
□ Наличие постороннего шума
□ Пробой изоляции и МВЗ статора ■ Выплавление ротора ■ Повреждение под1шпник»в ■ Отгар фаты
□ Прочее
до 150
150-300
В).
г).
Рис. 1.2. Диаграмма распределения за период 2007-2009 г.г.среднегодового количества повреждений и пробег от капитального ремонта до повреждений вспомогательных машин электровозов: ВЛ80р (а); ЭП-1 (б); Э5К, 2ЭС5К, ЗЭС5К (в); ВЛ85 (г)
По всем типам электровозов ВСЖД распределение отказов вспомогательных машин следующее: пробой изоляции и межвитковое замыкание статора - 328 (34,3%); выплавление ротора - 252 (26,3%); повреждение подшипников - 227 (23,7%); отгар фазы - 32 (3,3 %), прочих дефектов - 118(12,4%).
Одним из объективных критериев оценки технического состояния вспомогательных машин является межремонтный пробег от капитального до деповского ремонта объемом ТРЗ [4, 14, 22, 35, 45, 86], при котором производится обязательный съем машины с электровоза с последующей разборкой независимо от его фактического состояния.
Учитывая, что пробой изоляции I12 и выплавление ротора могут являться |ю следствием дефектов подшипника, то доминирующей причиной выхода из строя вспомогательных машин является повреждение подшипников.
Это подтверждает тот факт, что средний пробег вспомогательных машин ОТ КР И ТРЗ ДО замены м то 160 200 260 зоо 360 400 460 600 660 600 >600
Тыс. км.
подшипника - 260 тыс. км., что сос- рис 1.3. Гистограмма распределения
тавляет только 65% от нормативного пробегов вспомогательных машин от КР и
пробега 400 тыс. км. (рис. 1.3). урз до замены подшипника по ТЧР-2 за
2009 год
За период с 2006 - 2009 гг. складывается неблагополучная динамика роста отказов вспомогательных машин, в частности, мотор-вентиляторов (рис. 1.4). Следует отметить, что у электровозов нового поколения ЭП1 процент повреждения подшипников вспомогательных машин выше, чем у электровозов старого поколения ВЛ80р.
Согласно статистике отказов, наблюдается следующая тенденция:
53% вспомогательных машин электровозов серии ВЛ80р и 100% серии «Ермак» выходят из строя при пробеге до 300 тыс. км., на электровозах серии ВЛ85 - 55%. Согласно распоряжению о системе технического обслуживания и ремонта для электровозов переменного тока ОАО «РЖД» №3р от 17.01.2005 г., межремонтный период от капитального ремонта (КР) до ТРЗ для электровозов серии «Ермак», ВЛ80р, ВЛ85 составляет 400 тыс. км.
1.1.2. Параметры технического состояния мотор-вентиляторов. Нормы допустимой вибрации.
Техническое состояние (ТС) машины - это совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными в научно-технической документации на этот объект [68]. Признаки технического состояния могут быть качественными и количественными.
Контроль за состоянием оборудования осуществляется в соответствии с действующими нормативными документами посредством определения:
1) вибрационного состояния отдельных узлов и агрегата в целом;
2) температу ры нагрева подшипниковых узлов;
3) характерных шумов, связанных с процессами обтекания воздухом рабочих лопаток.
Структура машины характеризуется количественными параметрами, которые называют структурными, например: износ, деформация, трещины, выбоины, шероховатость поверхности и др.. Машина, поступая в эксплуатацию, обладает определенной структурой и совокупностью технико-эксплуатационных свойств, зависящих от структуры. Численные значения структурных параметров при этом соответствуют установленным по чертежам техническим условиям. Такие значения параметров называются начальными или номинальными.
Таким образом, в процессе эксплуатации структурные параметры непрерывно или дискретно изменяются от номинальных до предельных значений. Поэтому
17
техническое состояние объекта определяется совокупностью отклонений от номинальных (или предельных) значений структурных параметров машины, обусловливающих ее исправность.
Возможность непосредственного измерения структурных параметров объектов диагностирования без их разборки весьма ограничена. Поэтому при определении технического состояния вспомогательных машин часто пользуются их диагностическими параметрами, связанными со структурными параметрами и несущими достаточную информацию о техническом состоянии.
Различные дефекты имеют строго определенные диагностические признаки [42, 51, 61 ,68], появляющиеся при их возникновении, и диагностические параметры, меняющиеся по мере их развития. Для машинных агрегатов непрерывного цикла контролируемыми параметрами являются:
1) основные параметры - производительность, расход, мощность, ток, температура продукта, т.е. параметры, определяющие назначение машинных агрегатов;
2) сопутствующие параметры потерь - вибрация, шум, температура узлов, т.е. параметры, сопутствующие работе любого машинного агрегата.
Практический опыт показал, что для контроля технического состояния узлов машинного оборудования вибрационный метод является одним из наиболее информативным [66, 70]. Он основан на использовании информации, содержащейся в колебательных процессах. При этом любой дефект какого-либо узла, который подвергается механическому воздействию со стороны движущихся частей, характеризуется индивидуальным "вибрационным портретом".
Характерным признаком качественной конструкции является низкий уровень механических колебаний. По мере износа машины, деформации деталей, динамические свойства машины начинают изменяться. Нарушается центровка валов, детали изнашиваются, нарушается баланс роторов, увеличиваются зазоры. Взаимодействие элементов и узлов машины, их относительные перемещения порождают вибрации, которые существенно усиливаются при наличии дефектов. В свою очередь, вибрация ускоряет износ, причины и следствия усиливают друг друга, в результате чего приближается полный выход машины из строя.
Измерение интегральных вибрационных характеристик позволяет определить общее техническое состояние машины. В основу нормирования абсолютной вибрации заложены рекомендации международного стандарта ИСО 2372-74, в котором в качестве критерия используется среднеквадратическое значение (СКЗ) виброскорости в диапазоне частот от 10 Гц до 1кГц. Они основаны на допущении, что подобные по мощности, высоте оси вращения, частоте вращения, способам установки, условиям монтажа и эксплуатации машинные агрегаты имеют примерно одинаковые допустимые значения вибрации при достижении предельного состояния. Базовым нормативным документом по вибрации в настоящее время является ГОСТ ИСО 10816-1-97, введенным в действие на территории РФ в 1999г., в котором указано, что
18
при сосредоточении значительной части вибрационной энергии за пределами диапазона 10 - 1000 Гц дополнительному нормированию подвергается СКЗ виброперемещения (для частот менее 10 Гц) и СКЗ виброускорения (для частот более 1000 Гц). Причем в качестве критериев оценки используют не только абсолютное значение вибрации, но и их изменение в процессе эксплуатации. Нормы вибрации на машины конкретных типов разработаны в 26 частях базового стандарта ГОСТ ИСО 10816-1 -97, а также ГОСТ 25364-97.
Уровни допустимой вибрации для различных видов электрических машин определены международными и российскими нормами приемо-сдаточных испытаний: ГОСТ Р ИСО 7919-1-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на вращающихся валах. Общие требования [25]; ГОСТ Р ИСО 7919-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на вращающихся валах. Промышленные машинные комплексы [26]; ГОСТ Р ИСО 10816-4-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся валах. Часть 3 [27]; ГОСТ ИСО 10816-3-99. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях [29]. Стандартами обозначены границы зон вибрации (таблица 1.4).
Таблица 1.1.
Границы зон вибрационного состояния по ГОСТ ИСО 10816-3-99 (Машины номинальной мощностью от 15 до 300кВт; электрические машины с высотой оси
вращения вала оті60 до 315мм)
Класс опоры Граница зон С.к.з. перемещения, мкм С.к.з. скорости, мм/с
А/В 22 1,4
Жесткие В/С 45 2,8
СЮ 71 4,5
Податливые А/В 37 2,3
В/С 71 4,5
СЮ ИЗ 7,1
По смысловой нагрузке можно выделить следующие классы технического состояния машинных агрегатов:
отлично, хорошо; допустимо (Д); еще допустимо; требует принятия мер (ТИМ); недопустимо (НД).
Первый класс ТС используется при запуске машинного агрегата в эксплуатацию и соответствует оценке ТС новой или отремонтированной машины. Остальные классы ТС являются эксплуатационными и соответствуют допустимому, предаварийному и аварийному состоянию машины (класс «еще допустимо» является промежуточным и в некоторых случаях может отсутствовать).
19