Modern methods of control and diagnostics of the condition of the toothed semicrank of the transmission mechanism of the pulse current traction electric motor NB-520V

Full Text

Введение

Сложные условия эксплуатации подвижного состава на железных дорогах России обусловлена его эксплуатацией в различных климатических зонах, когда локомотивы подвержены комплексному воздействию тепловых, электрических, механических и климатических факторов. Тяговые электродвигатели (ТЭД) являются наиболее нагруженным оборудованием электроподвижного состава. Значительные перепады температур ускоряют старение изоляции, меняют характеристики смазочных материалов, нарушают монолитность коллектора. Низкие температуры увеличивают динамическое воздействие на ТЭД со стороны пути, что ведет к увеличению отказов. Совершенствование технологии ремонта ТЭД, сохранение и восстановление параметров, установленных техническими условиями, остается актуальной задачей. Передаточный механизм, торсионный вал и шлицевая муфта, расположенные во внутренней полости якоря тягового электродвигателя НБ-520В являются важными элементами ТЭД. Контроль их состояния критичен для обеспечения надежной работы двигателя [1, 2].

Актуальность применения современных методов контроля и диагностирования состояния передаточного механизма тягового электродвигателя НБ-520В для выявления дефектов в зубчатой полумуфте, например, трещин, отколов, износа зубьев, связана: во-первых, со сложностью эксплуатации ТЭД в российских условиях, приводящую к их повышенному износу и частым отказам, и, во-вторых, с важностью совершенствования ремонтных технологий и внедрения современных методов диагностики и необходимостью своевременного обнаружения неисправностей в критически важных узлах, таких как зубчатая полумуфта передаточного механизма ТЭД [3–5].

Диагностика состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя при техническом обслуживании и ремонте подвижного состава

В течение жизненного цикла ТЭД изменяются его параметры. Происходит старение и износ узлов и деталей. Ухудшение параметров ведет к увеличению неплановых ремонтов. Современной задачей ремонта ТЭД является не только восстановление работоспособности двигателя, но и прогнозирование его остаточного ресурса. Диагностирование до и после ремонта ТЭД позволяет выявить наиболее подверженные выходу из строя узлы и оценить их остаточный ресурс, производить ремонт по фактическому техническому состоянию двигателя.

При существующем технологическом процессе ремонта в локомотивных депо фокус делается на установлении факта отказа и его устранении, а не на предупреждении. Визуальная оценка состояния элементов, которая субъективна и зависит от квалификации исполнителя, не позволяет объективно оценить состояние электрического оборудования. Поэтому совершенствованный технологический процесс ремонта должен быть направлен на предотвращение будущих отказов, а не только на устранение текущей неисправности. Отсюда возникает необходимость объективных методов контроля и диагностики для оценки как состояния самого ТЭД, так и качества проводимых ремонтных работ [2].

Диагностика состояния зубчатой полумуфты включает изучение журналов повреждений и неисправностей, ремонта и технического состояния двигателя, настройку режима работы двигателя, способствующую проведению диагностических операций, измерение параметров технического состояния, а также оформление результатов диагностирования с выдачей рекомендаций о виде и объеме работ, необходимых для устранения обнаруженных дефектов. Диагностирование проводят как плановое (при производстве текущего ремонта), так и заявленное (при появлении косвенных признаков неисправностей перед неплановым ремонтом) [5–7].

При диагностике зубчатой полумуфты учитывают, что их дефекты проявляются в спектре вибрации, особенно на критических режимах работы ТЭД. Для точного определения источника вибрации измеряют вибрацию в нескольких точках агрегата, анализируют фазовые соотношения между опорами, проводят испытания на различных режимах работы и изучают изменение спектра при изменении нагрузки [7, 8].

Для контроля и диагностирования состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В используют различные методы, которые включают визуальный осмотр, виброакустический метод, тепловизионный метод и ультразвуковую дефектоскопию. Визуальный метод – это первичный метод диагностики, который позволяет выявить грубые дефекты: видимые сколы и трещины на зубьях, значительный износ боковых поверхностей зубьев, изменение цвета (признаки перегрева или коррозии), деформации профиля зуба [6]. Виброакустический метод позволяет контролировать тепловой нагрев муфты в эксплуатации. При этом измеряется уровень вибрации и шума передачи с помощью специальных анализаторов [12–14]. Тепловизионный метод помогает выявить дефекты, в зубчатой полумуфте, которые могут вызывать ее повышенный нагрев. Ультразвуковая дефектоскопия проводится с помощью дефектоскопа, который позволяет исследовать поверхности муфты на наличие дефектов [3, 15, 16]. Эти методы помогают выявить дефекты в зубчатой муфте, определить вид и глубину дефекта, а также дать долгосрочный прогноз его развития. Использование неразрушающих методов контроля и вибрационной диагностики для определения дефектов в механической части двигателя позволяет повысить надежность работы двигателя в условиях эксплуатации, т. к. позволяет выявлять неисправности на ранних стадиях [6–11, 16, 17].

Определение неисправностей зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя

Опыт эксплуатации тяговых электродвигателей НБ-520В указывает на то, что в межремонтный период от СР/КР до ТР-3 или от ТР-3 до ТР-3 возникают случаи выхода из строя передаточного механизма в части разрушения зубчатой полумуфты и зубчатого венца. В основном это происходит из-за низкого уровня или отсутствия смазки в камере передаточного механизма. Способом контроля за состоянием зубчатой полумуфты является проверка уровня смазки в камере передаточного механизма каждые 100 тысяч км пробега локомотива (каждый 4-й цикл ТР-1). Данного мероприятия недостаточно для того, чтобы установить контроль за состоянием детали в межремонтный период (25 тысяч км) и исключить выход ее из строя при нахождении электровоза на линии, т. к. возможны случаи непроведения замера уровня смазки в камере даже в установленный ремонтной документацией пробег в 100 тысяч км, а также заправки большого количества смазки в камеру передаточного механизма без установления причин снижения ее уровня в межремонтный период.

На электровозах серии ЭП1 установлены тяговые электродвигатели пульсирующего тока НБ-520В, которые имеют опорно-рамный тип подвешивания. Вал якоря состоит из трех стальных втулок, которые образуют полость для размещения передаточного механизма, состоящего из резинокордной муфты (с коллекторной стороны), торсионного вала, зубчатой полумуфты и втулки с зубчатым венцом (с противоположной стороны коллектора) (Рис. 1). Передаточный механизм обеспечивает передачу вращения и усилий от вала якоря к тяговому редуктору и далее к колесной паре электровоза. Согласно требованию действующих руководств по ремонту и техническому обслуживанию электровоза ЭП1 данный узел обслуживается каждый 4-й текущий ремонт в объеме ТР-1 (каждые 100 тысяч км пробега локомотива).

 

Рис. 1. Схема передаточного механизма тягового электродвигателя НБ-520В

Fig. 1. Diagram of the transmission mechanism of the NB-520V traction motor

 

Обслуживание производится следующим образом: без демонтажа тягового электродвигателя с рамы тележки при нахождении электровоза на ремонтной позиции через крышку для заправки масляной камеры передаточного механизма с помощью специального щупа проверяется уровень смазки ОС-Л в камере передаточного механизма (Рис. 2). Руководством по проведению ТО и ТР до момента ремонта в объеме ТР-3 (600 тыс. км пробега локомотива) не предусмотрено дополнительных мероприятий, направленных на повышение надежности работы данного узла.

 

Рис. 2. Проведение замеров уровня смазки в камере передаточного механизма с помощью специального щупа

Fig. 2. Measuring the lubricant level in the transmission chamber using a special dipstick

 

Зубчатая полумуфта находится в противоположной стороне от коллектора и в межремонтный период доступ к ней имеется только через крышку масляной камеры передаточного механизма. Открытый доступ к данной детали открывается при проведении текущего ремонта в объеме ТР-3 в условиях сервисного локомотивного депо, среднего ремонта или капитального ремонта (далее – СР/КР) в условиях локомотиворемонтных заводов, где тяговый электродвигатель демонтируется с электровоза и разбирается. Однако в ходе эксплуатации в межремонтный период от КР/СР до ТР-3 или от ТР-3 до ТР-3 (600 тысяч км пробега локомотива) может произойти разрушение зубчатой полумуфты передаточного механизма. Основной причиной данной неисправности является отсутствие контроля за уровнем смазки в камере передаточного механизма. Эксплуатация тягового электродвигателя НБ-520В с уровнем смазки в камере передаточного механизма ниже допустимого значения приводит к отсутствию масляной пленки на поверхности зубьев венца и полумуфты, что влечет за собой прямой контакт «металл-металл» зубьев венца и полумуфты, что приводит к их износу с последующим разрушением. Разрушение зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В возможно определить, как при выполнении ремонта тягового двигателя, так и при его эксплуатации (Рис. 3). Данная неисправность может привести к отказу на линии и заклиниванию колесной пары.

 

Рис. 3. Разрушение зубчатой полумуфты и зубчатого венца передаточного механизма

Fig. 3. Failure of the gear half-coupling and gear ring of the transmission mechanism

 

При выполнении ремонта ТЭД в ходе вибрационного диагностирования с подключением обмоток тягового электродвигателя к внешнему источнику питания для приведения его во вращение фиксируется повышенный уровень шума при работе тягового электродвигателя, вращение колесной пары происходит урывками или не происходит вовсе, при этом якорь тягового электродвигателя вращается. После выполненного вибрационного диагностирования фиксируется повышение температуры зубчатой полумуфты передаточного механизма из-за недостаточного уровня смазки, а также наличие следов смазки на крышке для заправки масляной камеры передаточного механизма (Рис. 4).

 

Рис. 4. Следы смазки на крышке масляной камеры передаточного механизма

Fig. 4. Grease traces on the transmission gear oil chamber cover

 

В ходе эксплуатации тягового двигателя при следовании локомотива в режиме рекуперативного торможения часто проявляется разрушение зубчатой полумуфты, которое сопровождается толчком и вибрацией. Данную неисправность возможно зафиксировать также при следовании локомотива в режиме «Тяга». При переходе из одного режима в другой на дисплейном модуле МСУД-Н «Токи и Скорость» (Рис. 5, 6) фиксируется значительное снижение тока якоря неисправного тягового электродвигателя относительно остальных в любой момент времени, при этом значение тока не поднимается выше отметки в 300 А, что указывает на отсутствие передачи вращающего момента от вала якоря к зубчатой полумуфте. Это свидетельствует о том, что на 3-м тяговом электродвигателе произошло разрушение зубчатой полумуфты (Рис. 3). Эксплуатация электровоза с тяговым электродвигателем, на котором зафиксировано подозрение на разрушение элементов передаточного механизма, не допустима.

 

Рис. 5. Раскладка «Токи и Скорость» в 14:00

Fig. 5. Current and speed plot at 14:00

 

Рис. 6. Раскладка «Токи и Скорость» в 15:00

Fig. 6. Current and speed plot at 15:00

 

Применение современных методов контроля и диагностирования состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В

Одной из причин разрушения зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В является недостаточное количество смазки в камере передаточного механизма, которое может наблюдаться в следствие ухода смазки через уплотнения крышки для заправки масляной камеры или через уплотнения внутри камеры, несоответствие уровня смазки при выпуске локомотива с ТР-3 или СР/КР, а также использование смазки непредусмотренной конструкторской документацией. Согласно требованию действующих нормативных документов замер уровня смазки в камере передаточного механизма производится каждые 100 тысяч километров пробега локомотива. При достижении пробега в 600 тысяч километров тяговые электродвигатели демонтируются с электровоза. В межремонтный период должно быть произведено не менее 6 замеров уровня смазки.

Контроль за состоянием деталей зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя может производиться путем увеличения количества проверок уровня смазки в камере передаточного механизма. При этом необходимо производить замер уровня смазки каждые 50 тысяч км пробега локомотива (каждый второй цикл ТР-1) вместо 100 тысяч км пробега локомотива, тогда общее количество замеров в межремонтный период составит 12, а не 6.

Достоинствами данного метода контроля состояния деталей зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя являются:

• Более частые проверки уровня смазки в камере передаточного механизма позволяют не допустить длительного «масляного голодания», своевременно определить низкий уровень смазки в камере.
• Возможность вовремя определить причину, по которой количество смазки снижается, и, следовательно, своевременно произвести замену тягового электродвигателя.
• Недостатками частых проверок уровня смазки в камере передаточного механизма являются:
• Время на выполнение данного технического процесса не заложено в цикл ТР-1, оно заложено в цикл каждого 4-го цикла ТР-1 или ТР-2;
• Место для проведения замера уровня смазки ограничено, т. к. для выполнения этой операции слесарю по ремонту подвижного состава необходимо расположиться между рамой тележки и крышкой подшипника замеряемого тягового электродвигателя, после чего выкрутить два болта и снять крышку (Рис. 7).
• Фиктивный характер проводимых замеров из-за недобросовестности персонала.

 

Рис. 7. Место для проведения замера уровня смазки передаточного механизма тягового электродвигателя НБ-520В

Fig. 7. Location for measuring the lubricant level in the NB-520V traction motor transmission mechanism

 

Тепловизионный контроль за состоянием зубчатой полумуфты передаточного механизма в камере передаточного механизма производится каждый текущий ремонт ТР-1 после выполненного вибрационного диагностирования с подключением обмоток тягового электродвигателя к внешнему источнику питания через зазор между торсионным валом и стенкой втулок. С помощью тепловизора с управляемым зондом камерой (эндоскоп) (Рис. 8) из канавы производится снятие термограммы зубчатой полумуфты, находящейся в зоне видимости, после отключения проверяемого тягового электродвигателя от внешнего источника питания - через 10 минут после полной его остановки (прекращения вращения вала якоря). При этом требуется придать кабелю камеры зонда тепловизора форму, необходимую для размещения ее в зазоре между стенкой втулки якоря и торсионным валом передаточного механизма (Рис. 9). После снятия термограммы с видимой части зубчатой полумуфты передаточного механизма необходимо полученные результаты замеров сравнить с эталонными значениями, полученными в результате расчета эталонного значения температуры зубчатой полумуфты при уровне смазки в камере передаточного механизма. При выявлении расхождений в сторону повышения температуры производится замер уровня смазки в камере передаточного механизма данного тягового электродвигателя, а также проверяется состояние уплотнительных элементов.

 

Рис. 8. Тепловизор с управляемой камерой зондом (эндоскоп)

Fig. 8. Thermal imager with a camera-controlled probe (endoscope)

 

Рис. 9. Снятие термограммы с зубчатой полумуфты

Fig. 9. Thermogram acquisition from the gear half-coupling

 

Для применения данного метода необходимо произвести следующие расчеты. На отремонтированном тяговом электродвигателе, который не находился в эксплуатации, уровень смазки у которого в камере передаточного механизма находится в пределах нормы (ближе к отметке «MAX» на специальном щупе) после его работы от внешнего источника питания в течение 20–30 минут с помощью тепловизора произвести снятие термограммы с видимой части зубчатой полумуфты и зафиксировать полученное значение t_тэд1. Произвести аналогичные действия с 5-ти другими тяговыми электродвигателями, обозначив их t_тэд2–t_тэд6 соответственно, при этом полученные значения не должны отличаться друг от друга в пределах ±1–3 ℃. Рассчитать эталонное значение температуры зубчатой полумуфты при уровне смазки в камере передаточного механизма по формуле:

$tэ=\frac{tтэд1+tтэд2+tтэд3+tтэд4+tтэд5+tтэд6}{6}$,

где t_тэд1, …, t_тэд6 – значения температуры зубчатой полумуфты 1–6 тяговых электродвигателей при уровне смазки в камере передаточного механизма в пределах нормы.

К достоинствам данного современного средства контроля и диагностирования относятся:

• Процесс снятие термограммы возможно производить параллельно с проведением вибрационного диагностирования, осуществляя контроль за фактическим состоянием детали в ходе проведения каждого текущего ремонта в объеме ТР-1.
• Значения полученные в результате замеров возможно сохранять для отслеживания состояния зубчатой полумуфты от ТР-1 до ТР-1.
• Возможно использовать обычную камеру (эндоскоп) с высоким разрешением для осуществления контроля за уходом смазки внутренние уплотнения.

Недостатками тепловизионного контроля за состоянием зубчатой полумуфты передаточного механизма являются:

• Для безостановочного выполнения процесса необходимо произвести закупку как минимум 2 приборов. Стоимость одного телповизора FE-4516 с корпусом камеры зонда не более 22 мм составляет 365 тысяч рублей.
• Для использования данного метода необходимо провести сбор информации как минимум в течение 1 года с последующим ее анализом.
• Освоение современного средства контроля и диагностирования требует дополнительного обучения рабочего персонала.

Кроме того, контроль температуры зубчатой полумуфты возможно осуществить с помощью инфракрасного датчика температуры IRT/.01-500А (Рис. 10) или его аналога. Устанавливать данный датчик необходимо в крышку для заправки масляной камеры передаточного механизма напротив измеряемого объекта – зубчатой полумуфты (Рис. 11).

 

Рис. 10. Датчик температуры инфракрасный IRT/.01-500А

Fig. 10. Infrared temperature sensor IRT/.01-500A

 

Рис.11. Схема контроля температуры зубчатой полумуфты передаточного механизма ТЭД НБ-520В с использованием инфракрасного датчика температуры IRT/.01-500А

Fig. 11. Temperature monitoring diagram for the NB-520V traction motor transmission gear half-coupling using an IRT/.01-500A infrared temperature sensor

 

На основании полученных данных можно своевременно определить низкий уровень смазки в камере передаточного механизма и пополнять его даже между циклами ТР-1, а также произвести замену неисправного тягового электродвигателя до момента выхода его из строя на линии. Таким образом, с помощью постоянного контроля температуры зубчатой полумуфты передаточного механизма можно отслеживать динамику изменения состояния узла в течение эксплуатации, прогнозируя остаточный ресурс деталей.

Недостатками контроля температуры зубчатой полумуфты передаточного механизма являются:

• Сложность в реализации данного технического решения: в крышке масляной камеры отсутствует отверстие для установки инфракрасного датчика температуры. В силу того, что крышка масляной камеры вращается, то подключение датчика в крышку масляной камеры непосредственно через провода к МСУД-Н невозможно. Поэтому в данном случае возможно использование скользящего контакта, исполненного в виде контактных колец и щеток, для чего необходимо пересмотреть конструкцию тягового электродвигателя и технологию его электрического монтажа. Однако подобные изменения конструкции должны быть согласованы с разработчиками конструкторской документации и заводом изготовителем.
• Необходимость обслуживания дополнительных узлов: датчик с определенной периодичностью подлежит замене, а скользящий контакт подлежит регулярной проверке. При этом для проверки уровня смазки в камере передаточного механизма необходимо будет снимать пластиковую крышку.
• Высокая стоимость данного решения. Например, стоимость одного датчика IRT/.01-500А обходится около 16 тыс. руб, а на электровоз ЭП1 их необходимо установить в количестве 6 шт.

В процессе работы передаточного механизма зубчатая полумуфта и зубчатый венец находятся в зацеплении, где между зубьев возникают силы трения. Смазка ОС-Л предназначена для снижения трения между зубьями за счет обволакивания этих зубьев масляной пленкой. Но смазка не может гарантировать 100% защиту от трения. Поэтому в процессе работы передаточного механизма будет возникать абразив в виде металлических частиц, а в случае снижения уровня смазки до минимальной отметки или меньше, таких частиц будет больше. Для снижения количества механических примесей в масляной камере передаточного механизма предлагается использовать специальный щуп из проволоки, на конце которого будут установлены 2 неодимовых магнита с зенковкой под винт (Рис. 12). Щуп опускается через крышку масляной камеры передаточного механизма, после чего достается оттуда с частицами металла. Перед повторным использованием щуп необходимо очистить от металлической стружки, а после окончания работ – отмыть от смазки.

 

Рис. 12. Специальный щуп с неодимовыми магнитами слева и справа

Fig. 12. Special probe with neodymium magnets on both sides

 

Данный метод для изъятия из масляной камеры передаточного механизма механических примесей позволит снизить количество металлических частиц в камере, увеличить рабочий ресурс передаточного механизма, снизить вероятность падания этих частиц между зубьев зубчатой полумуфты и зубчатого венца. При этом единственным недостатком является необходимость отчищать магниты от смазки и металлических частиц при каждом использовании.

Заключение

Применение рассмотренных методов контроля и диагностирования состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В основывается на необходимости освоения современного диагностирования в виде тепловизорного контроля и его использования для отслеживания состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя НБ-520В. Своевременное пополнение смазки в камере передаточного механизма и удаления оттуда металлических частиц увеличит ресурс зубчатой полумуфты и зубчатого венца. Главным достоинством данных методов является возможность своевременно определять предотказное состояние детали.

Произведенный анализ методов контроля и диагностирования состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма ТЭД позволяет обосновать необходимость комплексного подхода к диагностике и ремонту тяговых электродвигателей (ТЭД), сосредотачиваясь на зубчатой полумуфте. В этом случае важна этапность диагностирования. Диагностирование зубчатой полумуфты на этапе входного контроля критически важно для определения остаточного ресурса ТЭД. На завершающем этапе контроля необходимо комплексно оценивать качество произведенного ремонта.

Предложенные современные методы контроля позволяют более достоверно оценивать параметры ТЭД по сравнению с текущим визуальным контролем, учитывают взаимосвязь между системой ремонта, надежностью узлов и характеристиками диагностических средств [18]. Оценка качества ремонта должна быть неотъемлемой частью диагностического процесса. Однако заключение о величине остаточного ресурса должно формироваться на основе комплексной оценки качества произведенного ремонта. Создание более эффективной системы контроля технического состояния зубчатой полумуфты передаточного механизма тягового электродвигателя пульсирующего тока НБ-520В электровозов серии ЭП1 дает возможность не только выявлять проблемы, но и гарантирует качество проведенного ремонта, а также позволяет точно прогнозировать дальнейшую работоспособность ТЭД. При этом необходима интеграция диагностических процедур в полный цикл ремонта ТЭД, от входного контроля до оценки результатов после ремонта, чтобы обеспечить максимальную надежность и прогнозируемость работы оборудования.

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Elena L. Ryzhova

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: elena-astanovskaja@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-7984-2558
SPIN-code: 1880-3372

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Vladislav Y. Osipov

Saratov – Passenger Operational Locomotive Depot

Author for correspondence.
Email: osipov.power@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0009-4566-3274
SPIN-code: 9408-0251

leading technologist

Russian Federation, Saratov

References

Supplementary files