Тяговые двигатели. Условия и номинальные режимы работы.

Тяговые двигатели. Условия и номинальные режимы работы.

Тяговые двигатели, служащие для превращения электрической энергии в механическую, во время работы подвергаются воздействию динамических сил, возникающих при движении колес по неровностям пути, и вибрациям, которые особенно велики в зимних условиях, когда верхнее строение пути обладает повышенной жесткостью. Инерционные динамические ускорения достигают 3£ при рамном и 15§ при опорно-осевом подвешивании тягового двигателя. При опорно-осевом подвешивании и жесткой передаче динамические ускорения на поверхности якоря достигают 25§

Конструкция тягового двигателя, его подвешивание и передача должны обеспечивать наименьшее динамическое воздействие подвижного состава на путь и пути на двигатель, что особенно важно при высоких скоростях движения. Для этого в передаче желательно применять эластичные элементы, а массу самого двигателя максимально снижать. На пассажирских локомотивах и моторных вагонах, рассчитанных на движение с высокими скоростями, применяют рамное подвешивание двигателей.

При трогании электровоза с места ток тяговых двигателей может достигать двойного номинального, а при снижении нагрузки частота вращения — превышать более чем в 2 раза номинальное значение. Особенно высокая частота вращения возникает при боксовании колесных пар.

Механическая прочность якоря должна соответствовать частоте его вращения, превышающей наибольшую на 25% при параллельном и на 35% при последовательном соединении двигателей. В диапазоне нагрузок 75—125% номинальной не-

допустимо расхождение частот вращения отдельных двигателей при полном возбуждении более чем на 3%, а в случае предельно ослабленного — более чем на 4%. Поэтому магнитные материалы двигателей должны иметь стабильные характеристики, а узлы — высокую точность сборки.

Двигатели подвержены и атмосферным воздействиям, в них попадает влажный воздух и пыль. На зажимах двигателей возникают перенапряжения, вызванные атмосферными разрядами, а также резкими изменениями тока.

На э.п.с. двигатель расположен в пространстве, ограниченном габаритами приближения подвижного состава к пути, расстоянием между колесными центрами, зависящим от ширины колеи, между другими частями экипажа. Поэтому двигатель должен иметь наименьшие, согласующиеся с общей конструкцией экипажа габаритные размеры и быть доступным для обслуживания. Резкие изменения температуры от —50 до +40 °С и влажности воздуха способствуют отсы-рению изоляции и конденсации влаги на коллекторе, щеткодержателях и поверхности изоляции. Иногда это сопровождается обледенением, коллектор покрывается инеем, что затем вызывает сильное искрение при работе двигателя. Пыль, поднимающаяся с пути при движении, угольная пыль от истирающихся щеток, влажный воздух и снег приводят к загрязнению изоляции и снижению ее диэлектрической прочности.

Тяговые двигатели э.п.с. постоянного тока должны надежно работать при повышении напряжения на токоприемнике на 21% сверх номинального значения, а при наличии электрического торможения — на 27%, двигатели э.п.с. переменного тока — при повышении напряжения в контактной сети на 16% или понижении его на 24%. Необходимо, чтобы двигатели устойчиво работали при ослабленном

возбуждении и нестационарных процессах в их цепях. Поэтому к их изоляции предъявляют высокие требования в отношении электрической и механической прочности, теплостойкости и влагостойкости. Этим требованиям удовлетворяют изоляционные материалы классов нагре-востойкости В, И и Н. Изоляция обмоток относительно корпуса и между обмотками должна выдерживать в процессе испытаний при частоте 50 Гц, номинальном напряжении относительно корпуса свыше 750 В напряжение

итп = 2,25 ит + 2000 В,

где 1)т — номинальное напряжение на токоприемнике э.п с. постоянного тока, равное напряжению контактной сети £/с, или наибольшее напряжение, которое может быть подано на группу двигателей э.п.с. переменного тока.

Непрерывный рост грузонапряженности на электрифицированных железных дорогах РФ требует повышения мощности тяговых двигателей. В ближайшей перспективе будут необходимы для грузового движения тяговые двигатели с часовой мощностью до 1000 кВт на ось, а для скоростных электровозов до 1200— 1300 кВт. При этом повышение мощности тяговых двигателей не должно сопровождаться увеличением нагрузки от колесной пары на рельсы, которая при существующих типах рельсов для грузовых электровозов в РФ ограничена значениями 230—250 кН (23—25 тс).

Как известно, мощность коллекторного тягового двигателя постоянного тока ограничена потенциальными условиями на коллекторе, диаметром и линейной нагрузкой якоря. Максимальный диаметр якоря ограничивается наибольшей частотой его вращения, повышение линейной нагрузки — теплостойкостью изоляционных материалов. Поэтому коллекторные тяговые двигатели мощностью свыше 900 кВт на ось не обеспечивают достаточно высокой эксплуатационной надежности. Двигатели со щетками и коллекторами подвержены также износу и аварийным явлениям в виде круговых огней и перебросов электрической дуги, эксплуатационные расходы на такие двигатели высокие.

Номинальные режимы работы тяговых двигателей. Тяговые двигатели электровозов и электропоездов постоянного тока характеризуют двумя номинальными напряжениями: на их зажимах (Уд и на токоприемнике локомотива UT. Стандартом установлены следующие номинальные напряжения на токоприемниках э.п.с. постоянного тока: 250, 550, 750, 1500 и 3000 В. Для э.п.с. отечественных дорог постоянного тока принято номинальное напряжение на токоприемниках ном — 3000 В, на зажимах тяговых двигателей с/д ном = 1500 и 750 В. Построить тяговые двигатели с (Уд ном = = 3000 В принципиально возможно, но это экономически не оправдано, так как при снижении напряжения на зажимах двигателя до оптимального значения уменьшаются его масса, расход изоляционных и конструктивных материалов

Номинальное напряжение на зажимах двигателей, применяемых на э.п.с. переменного тока, устанавливают для машин каждого типа на основании технико-экономических расчетов с учетом их мощности, надежности, технологических особенностей изготовления. Обычно для тяговых двигателей мощностью 800—1000 кВт устанавливают (Уд иом = 7504-1100 В.

Тяговые двигатели в условиях эксплуатации работают с переменной нагрузкой. Для сравнительной оценки их работы установлены два номинальных режима: продолжительный и часовой.

Продолжительной называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, с которой при нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люках и номинальном напряжении на зажимах двигатель может работать длительно, при этом превышение температуры его частей над температурой окружающего воздуха не больше установленного нормами. В этом режиме превышение температуры частей двигателя достигает установившегося значения практически через 3—6 ч, после чего все выделяющееся тепло отдается охлаждающему воздуху

Часовой называют наибольшую развиваемую на валу двигателя мощность, при

которой работа его в условиях нормально действующей вентиляции, закрытых коллекторных смотровых люков и нормальном напряжении на зажимах, начиная от холодного состояния в течение 1 ч, не сопровождается превышением температуры его узлов, большим установленного нормами. Допустимое превышение температуры частей машины над температурой окружающего воздуха до 40 °С, например, с изоляцией класса Н как в продолжительном, так и в часовом режиме соответствует для обмотки якоря 160, обмотки возбуждения 180, коллектора 105 °С. Для изоляции класса F оно равно соответственно 140, 155 и 95 °С. Двигатель считается холодным, если температура его частей отличается от температуры окружающего воздуха не более чем на ± 3 °С.

Соотношение продолжительной и часовой мощностей определяет эффективность вентиляции тягового двигателя. Часовой режим характеризует теплоемкость двигателей и используется для их сравнительной оценки и проведения контрольных испытаний.

Для большинства современных тяговых двигателей удельный расход воздуха (отношение полного расхода воздуха к потерям мощности в двигателе) равен 2,1—2,7 м3/мин на 1 кВт.

Повышение теплопроводности изоляционных материалов, совершенствование конструкции и технологии изготовления обмоток, рациональное конструктивное выполнение воздухопроводов и распределение воздушных потоков в двигателе позволяют уменьшить размеры двигателя, что уменьшает разницу между значениями часового и продолжительного тока.

На отечественных электровозах дорог постоянного тока тяговые двигатели имеют мощность 400—750 кВт на одну колесную пару. У тяговых двигателей электровозов переменного тока мощность на одну колесную пару составляет 700—835 кВт; планируется ее увеличение до 900—1100 кВт. Увеличить мощность на ось на электровозах переменного тока возможно, потому что их тяговые двигатели соединены, как правило, параллельно, а это позволяет реализовать более высокий коэффициент сцеп-

ления и снижает опасность разносного боксования. Для пассажирских электровозов применяют тяговые двигатели мощностью 400—850 кВт.

Моторные вагоны электропоездов имеют тяговые двигатели мощностью 165— 240 кВт.

Испытание тяговых электродвигателей.

Современные тяговые двигатели ТЛ-2К, НБ-508А электровозов постоянного, НБ-418К6, НБ-507 электровозов однофазно-постоянного тока, ЭД-107, ЭД-П8 тепловозов имеют различные параметры, массу, габаритные размеры, отдельные детали их несколько отличаются одна от другой, но по конструктивной схеме, форме исполнения и компоновке электровозные двигатели очень схож, так же как в тепловозные тяговые двигатели.

Тяговые двигатели электровозов постоянного и пульсирующего тока представляют собой шестиполюсные машины с круглыми цельнолитыми корпусами, компенсированные, с поворотной траверсов. Номинальные напряжения лежат в пределах 950–1500 В, часовой ток 450–880 А, мощность 650–790 кВт, масса, составляет 4100–400 кг. Тепловозные двигатели – это четырехполюсные машины, в поперечном сечении квадратные со слегка срезанными углами, некомпенсированные, без поворотных траверс; номинальное напряжение их 450–500 В, мощность 300–350 кВт, ток 470–525 А, масса 3500–3750 кг.

Как видим, электровозные тяговые двигатели имеют номинальное напряжение в 2–3 раза больше, чем тепловозные. Повышенное номинальное напряжение электровозных двигателей приводит к необходимости увеличивать толщину корпусной изоляции обмоток, а также к уменьшению заполнения паза якоря, ухудшению отвода тепла от меди якорной обмотки, что снижает в определенной мере эффективность вентиляции.

Заданная минимальная величина коллекторного деления в совокупности с числом коллекторных пластин определяет минимально возможный диаметр коллектора, от которого зависят диаметр якоря и размеры двигателя в целом. Требование выдержать величину в норме оказывается причиной того, что электровозные двигатели в коммутационной отношении являются более напряженными, чем тепловозные.

Тепловозные двигатели, имея меньшую массу, при одинаковых ускорениях, действующих в эксплуатации, испытывают большие ускорения, чем электровозные. К тому же у тепловозных двигателей, работающих при значительно больше загрязненном охлаждающем воздухе, загрязнение щеточного аппарата намного больше, чем у электровозных. Различия в конструкции электровозных и тепловозных двигателей и в условиях их работы требуют Проведения испытаний как тех, так и других двигателей. Эти различия не позволяют обобщить результаты стендовых испытаний двигателей одного из типов и распространить их на двигатели как электровозов, так и тепловозов. Поэтому в качестве объектов испытаний были выбраны тяговые двигатели наиболее распространенных типов: ТЛ-2К, НБ-418К6, НБ-508А и ЭД-107.

Сложные условия эксплуатации, ограниченные массогабаритные показатели, повышенные требовании к надежности приводят к тому, что современные тяговые двигатели эпс представляют собой машины предельного исполнения, у которых должно быть обеспечено полное использование, конструктивных, технологических и иных возможностей при условии необходимой надежности. Заданный уровень надежности двигателей, подлежащих серийному выпуску, применительно к специфическим условиям ид эксплуатации невозможно достигнуть без испытаний на надежность головных образцов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным по температуре, влажности, запыленности и т. п. В зависимости от поставленных целей различают испытания тяговых двигателей на виброустойчивость и на вибропрочность.

Испытания на виброустойчивость проводят с целью проверки работоспособности тягового двигателя и сохранения их параметров в заданных пределах при действии вибраций согласно ГОСТ 2582–81: при опорно-осевом подвешивании 15 в вертикальном направлении и 15g в одном из горизонтальных направлений при результирующем ускорении не менее 20; на подрессоренных частях тележки, в кузове З.

Для этого во время сборки двигателя на заводе-изготовителе закладывают в его обмотки специальные датчики – термопары (рис. 2.1) и производят замеры параметров в соответствии с требованиями контрольных измерений.

Рис. 1. Схема установки термопар на тяговом двигателе НБ-418К6

Испытуемый тяговый двигатель, закрепленный на вибростенде, соединяют с однотипным тяговым; двигателем, укрепленным на неподвижном основании, который играет роль нагрузочного генератора

Испытания на виброустойчивость производят, изменяя амплитуду вертикальных ускорений от 0 до 20, действующих на узел моторно-осевых подшипников при токовых нагрузках в диапазоне от 0,4 до 1,5 номинального значения.

Общая программа испытаний может быть широкой и предусматривать оценку влияния внешних вибраций на интенсивность искрения щеток; равномерности распределения токовой нагрузки по одноименным щеткодержателям; токорасдределения по токоведущим канатикам щеток одного щеткодержателя; стабильности механического контакта узла щетка–коллектор; потенциальных условий на коллекторе; характера распределения магнитного поля в воздушном зазоре; стабильности электромеханических характеристик; нагрева обмоток, тягового двигателя; температуры отдельных точек тягового двигателя; динамических напряжений, возникающих в узлах тягового двигателя; раскрытия стыка соединений главный) полюс – остов, дополнительный полюс – остов. Помимо этого, определяют частоты собственных колебаний элементов тягового двигателя и вероятность возникновения резонансных, явлений катушек, их выводов и соединений, элементов щеткодержателя.

Испытания на вибропрочность выполняют для того, чтобы оценить способность тягового двигателя противостоять длительному воздействию внешних вибраций.

Согласно ГОСТ 2582–81 продолжительность вибропрочностных испытаний на стенде должна соответствовать 50 млн. циклов вибраций с результирующим ускорением не менее 20. Предусматривают этапы различного теплового нагружения двигателя при одновременном действии вибрационной нагрузки. В процессе испытаний эти этапы последовательно повторяют.

Каждый этап включает в себя охлаждение испытуемого двигателя в камере холода до температуры –50 °С, после чего двигатель, работающий с номинальной частотой вращения на холостом ходу, подвергается воздействию вибраций с результирующим ускорением не менее 20. Продолжительность этапа испытаний 106 циклов. Затем производится нагрев испытуемого двигателя в течение 1 ч при принудительной вентиляции до предельной температуры, т. е. допустимой для изоляции данного класса; эту температуру поддерживают неизменной в течение 6 ч. Затем тяговый двигатель должен работать в длительном режиме с изменяющейся токовой нагрузкой, соответствующей статистическим характеристикам теплового режима испытуемого двигателя в эксплуатации, при результирующих ускорениях не, менее 20.

После каждых двух таких этапов испытаний двигатель подвергают воздействию вибраций при его максимальной конструкционной частоте вращения в течение 0,5·106 циклов. По окончании каждого этапа производят осмотр двигателями регистрацию его контролируемых параметров.

Вибропрочностные испытания целесообразно совмещать с климатическими, программа которых предусматривает проверку двигателей на холодо- и теплоустойчивость, воздействие быстрого изменения температуры, влагоустойчивость, воздействие инея с последующим оттаиванием.

Выбор последовательности проведения испытаний приобретает первостепенное значение. Опыт показывает, что климатические испытания лучше проводить после испытаний на, виброустойчивость и вибропрочность, так как появление трещин и зазоров под влиянием возникающих механических нагрузок способствует увеличению разрушающего действия климатических факторов. При раздельных испытаниях степень разрушающего действия климатических факторов зависит от того, в какой последовательности проводятся климатические испытания.

Возможны такие последовательности проведения климатических испытаний: Т-В-Х, Т-Х-В, В-Т-Х, В-Х-Т, Х-В-Т, Х-Т-В, где Т – испытания на теплоустойчивость, В – на влагоустойчивость, X – на холодоустойчивость. Условия испытаний будут наиболее тяжелыми при последовательности Т-В-Х, так как работоспособность тягового двигателя при воздействии климатических факторов определяется главным образом устойчивостью его изоляции. Под действием высокой температуры (режим Т) изоляция приобретает повышенную способность поглощать влагу, затем в процессе испытаний на влагоустойчивость (режим В) она поглощает влагу, а при низкой температуре (режим X) влага, расширяясь, разрушает изоляцию.

Оценка надежности тяговых двигателей по результатам стендовых испытаний. Испытания тяговых двигателей на вибропрочность позволяют определить, выдержит, ли тяговый двигатель при заданных условиях работы 50 млн. циклов вибраций. Для обеспечения надежности тяговых двигателей в условиях эксплуатации важно не только ответить на этот вопрос, но и определить законы изменения параметров тяговых двигателей в ходе испытаний на вибропрочность.

Составленная должным образом программа испытаний на вибропрочность, позволяющая исследовать изменения параметров двигателей под действием основных влияющих факторов по мере увеличения продолжительности испытаний, должна предусматривать как определение показателей надежности тяговых двигателей, так и прогнозирование их изменений на перспективу. Таким образом, по назначению подобные испытания можно рассматривать как специальные, направленные на изучение физики отказов тяговых двигателей с целью дальнейшего повышения их работоспособности и надежности в целом. Такие испытания двигателей НБ-418К6, ТЛ-2К, НБ-508А, ЭД-107 выполнены впервые.

В процессе разработки программы испытаний было учтено, что надежность тягового двигателя в целом определяется надежностью его узлов, которая зависит, с одной стороны, от конструкции тягового двигателя и качества его изготовления, а с другой от условий эксплуатации, системы технического обслуживания и ремонта.

При испытаниях головных образцов тяговых двигателей на надежность невозможно без дополнительных исследований учесть влияние их ремонтопригодности и качества выполнения ремонта на показатели надежности. Поэтому в процессе испытаний выполняют планово-предупре­дительные ремонты в соответствии с правилами эксплуатации, а также оценивают влияние качества ремонта тяговых двигателей, его организации и контроля, системы технического обслуживания на показатели их надежности.

При разработке программы испытаний уровень надежности Н тяговых двигателей рассматривался согласно существующим воззрениям как функция операторов и:

, (2.1)

где – структурный оператор данного узла тягового двигателя (– параметр, характеризующий конструктивные особенности этого узла; – число его элементов; – время работы); – функциональный оператор, характеризующий зависимость надежности данного узла от воздействия комплекса случайных факторов (– температура -го узла; – ускорение элементов этого узла; – напряжение; – запыленность охлаждающего воздуха; – нагрузка).

Наиболее распространенными причинами отказов; тяговых двигателей являются, как показывает опыт эксплуатации, нарушение электрической прочности обмоток, сильное искрение и круговой огонь на коллекторе, а также механические повреждения некоторых узлов, в первую очередь таких, как межкатушечные соединения. Так как тяговый двигатель не должен иметь отказов вообще или, иными словами, должен работать безотказно, то его структурную схему рассматривали в виде последовательного соединения с точки зрения надежности трех составляющих систем: изоляционной, коммутационной и механической.

Исследование показателей надежности и их изменений в каждой из этих систем было проведено при одновременном действии комплекса нагрузок, наиболее характерных для условий работы тяговых двигателей в эксплуатации: вибраций, токовых нагрузок, перенапряжений, нагрева и т. п.

Дата добавления: 2015-08-29