Шляхи підвищення надійності струмоприймачів електровозів

Вступ

 

Залізничний транспорт - одна з основної складової виробничої інфраструктури економіки України, тому постійно впроваджуються необхідні радикальні заходи для структурної перебудови залізничного транспорту. Вони об'єднані Програмою реструктуризації залізничного транспорту, що побудована на основі відповідної концепції, затвердженої Міністерством транспорту України.

Реструктуризація залізничного транспорту України розглядається, як зв'язана система реформ, що охоплює принципові перетворення в сферах : організаційних структур, майнових відношення, інвестиційний, модернізаційний, технологічний, фінансово-економічний, соціально-кадровий, законодавчий.

Основними цілями Програми реструктуризації є:

- створення орієнтованої на  споживача гнучкої й економічної  системи керування, сприйнятливої до технічного прогресу й придатної до збереження й зміцнення позиції залізничного транспорту України на внутрішньому й міжнародному транспортному ринках;

- збільшення доходів залізниць  за рахунок залучення додаткових  вантажопотоків збільшення обсягів і підвищення якості послуг;

- приведення основних фондів, трудових  і матеріальних ресурсів відповідно  до потреб економіки й населення  в перевезеннях, скорочення витрат  шляхом впровадження противитратного  механізму у всіх галузях держави, ліквідація неприбуткових  і низькорентабельних видів діяльності, виділення зі складу залізничного транспорту непрофільних підприємств, які не входять у сферу основної діяльності;

- модернізація рухомого складу  й інфраструктури залізничного  транспорту, його технологічне переоснащення, досягнення на цій основі високої економічної ефективності виробництва, сучасних рівнів споживчих стандартів, інтеграції залізниць у європейську транспортну систему;

-  удосконалення економічних  відносин залізничного транспорту зі споживачами його послуг, суміжними видами транспорту, державою, ремонтами, а також внутрігалузевих відносин на ринкових принципах.

 Виходячи із цього програмою  намічається істотне відновлення  парку вагонів і локомотивів  за рахунок розробки й створення вітчизняним транспортним машинобудуванням нового прогресивного рухомого складу, а також його закупівлі за кордоном.

Значну частину перевезень в мережі залізниць України здійснюють електровози постійного струму. Так на Львівській залізниці працюють у забезпеченні перевезень електровози постійного струму серії ВЛ11, ВЛ10, подвійного живлення ВЛ82, тощо. Експлуатацією, обслуговуванням і ремонтом цих електровозів зайнята велика кількість локомотивних бригад та ремонтного персоналу. Оскільки експлуатація даних локомотивів відбувається на протязі більше 30 років. То значну увагу необхідно приділяти технічному стану машин, вузлів та агрегатів локомотива, аби вони відповідали усім технічним нормам і вимогам.

Впровадження в експлуатацію нових приладів, пристроїв чи інших нововведень на електровозах серій ВЛ дозволить збільшити моторесурс, міжремонтні пробіги, зменшити незаплановані ремонти і технічне обслуговування, дозволять економити значну кількість матеріалів та коштів [1].

 

1  Шляхи підвищення надійності струмоприймачів електровозів

 

По мірі збільшення швидкостей руху поїздів зростають і вимоги до надійності роботи електричних апаратів, в особливості до струмоприймачів. Струмоприймачі електрорухомого складу працюють в більш важких, ніж інші апарати, умовах, так як вони додатково піддаються впливу із сторони контактної підвіски і сил від опору повітряного середовища. Вони піддаються впливу атмосферних явищ (дощ, сніг, вітер, ожеледь). Одночасно з цим на них діють бокові і повздовжні коливання, які передаються від кузова, а також аеродинамічні сили і вібрація.

Несправність струмоприймача негативно впливає на стан не лише електрорухомого складу, але і контактної мережі. Пошкодження контактної мережі через несправність струмоприймачів можуть викликати довгі перерви в русі поїздів і великі матеріальні затрати.

В багатьох випадках для підвищення надійності роботи струмоприймача, підсилюють слабкі місця конструкції полоза і каретки. З метою попередження появи тріщин у місцях їх найбільш ймовірної появи, приварюють накладки зі сталі СТ - 2, товщиною 1,5 мм.

Важливим заходом для підвищення надійності роботи струмоприймачів є заміна голкових підшипників № 942/20, які застосовуються в шарнірах піднімальних пружин, на втулки з антифрикційних матеріалів сплаву ІДАМ 9-1,5 і капрону. Сплав ІДАМ 9 - 1,5 - це сплав на цинковій основі, що володіє достатньою міцністю і добрими антифрикційними властивостями; він легко виливається і обробляється. Ця заміна суттєво знизить затрати на ремонт (втулка зі сплаву ІДАМ 9 - 1,5 і капрону в 5 - 6 раз дешевша голкового підшипника).

Заміна незадовільно працюючих фарфорових опорних ізоляторів постійного струму на ізолятори з склопластику АГ - 4В є також важливим заходом підвищення надійності. Матеріал АГ - 4В представляє собою прес - матеріал на основі модифікованих фенолформальдегідних смол і скловолокна, який володіє високими характеристиками міцності і електроізоляційними властивостями.

Зменшенню тертя в шарнірних з'єднаннях, так само як і в циліндрах пневматичних приводів, сприяють своєчасне додавання і заміна мастила [ 5 ].

Основні ймовірні відмови, способи їх усунення та технічні вимоги струмоприймачів зведені в таблицю 1.1.

Задача забезпечення надійного і економічного струмознімання на високошвидкісних магістралях висуває підвищені вимоги до струмоприймачів електрорухомого складу. В їх числі мала приведена маса рухомих частин, зменшення рівня аеродинамічного лобового опору, можливість оперативного введення в роботу резервного струмоприймача, наявність системи регулювання натискання і пристроїв захисту від впливу зовнішнього середовища.

 

Таблиця 1.1- Відмови, способи їх усунення та технічні вимоги

Ймовірні відмови	Способи усунення несправностей	Технічні вимоги
1	2	3
1 Деформація верхніх і нижніх рам.	Деформовані елементи виправити, перевірити по шаблону.	Товщина стінок муфт -1 мм, довжина-90 -120 мм. На циліндричних конусних трубах допускаються вм'ятини до 3 мм глибиною на довжині 150 мм, не більше ніж в двох місцях при відсутності згину труби.
2 Тріщини, пропали, вм'ятини, розриви верхніх та нижніх рам.	Рами замінити. Як вийняток дозволяється зрощування труб з встановленням муфти і пропайкою латунню або міддю.	Дозволяється відновлення елементів рам, якщо вказані пошкодження не перевищують 3 мм. Число з'єднань муфтами-не більше одного на трубу і не більше двох на раму.

 

Продовження таблиці 1.1

3 Злам, деформація каркасу полоза, зношення контактних пластин.		Зламаний полоз замінити. Дозволяється заварювання надривів, тріщин і пропалів електрозваркою (постійним струмом) або газовою зваркою. Деформований полоз виправити на правці по шаблону. Зношені пластини замінити. Каркаси полоза з товщиною стінок менше 13 мм замінюють.	Вгнутість профіля каркаса полоза на довжині 1 м прямолінійної частини не повинна перевищувати 2 мм, а відстань між кінцями його ухилів відрізняється від креслярських розмірів більш ніж на ± 15 мм. Товщина контактних пластин - 5-6 мм.3азор між пластинами в місці дотику(стику)повинен бути не більше 1 мм.
4 Руйнування зварювальних швів.		Дефектні шви вирубати, зварювати по новому.
5 Тріщини в каретках, зношення вісей, валиків і втулок тяг і основи.	Знайдені тріщини розробляють і заварюють газовою зваркою. Зношені вісі, валики і втулки замінюють.		Найменша товщина стінки втулки-1мм. Найбільший сумарний аксіальний зазор в любому шарнірі рами-3 мм, хід каретки 48-52 мм. Зазор між валиком і отвором в силу-мінових деталях -0,05-0,18 мм.
6 Пропали, тріщини в буртах поліетиленового рукава.	Рукав замінити. Дефектний бурт відрізати і знову сформувати. Відремонтований рукав випробувати.		Довжина рукава після відновлення бурта може бути зменшена порівняно з креслярським розміром не більше ніж на 50 мм. Випробовують на щільність повітрям тиском 700 кПа і на діелектричну міцність змінним струмом частотою 50Гцна протязі 1хв напругою 9,5 кВ.

 

 

2  Використання нових матеріалів при ремонті струмоприймачів

 

2.1 Загальні відомості

 

Однією з актуальних проблем для електрифікованих ліній продовжує залишатися підвищення надійності і збільшення ресурсу роботи струмознімаючого вузла, призначеного для передачі електроенергії від контактного проводу на електрорухомий склад.

В різних країнах застосовувались і застосовуються струмознімаючі елементи, що використовуються в полозах струмоприймачів, з наступних матеріалів: мідь і її сплави, алюмінієві сплави, сталь низьковуглецева, графітизована, порошкові матеріали на залізній і мідній основах, вуглецеві і металовуглецеві композиції. Це свідчить про складність і невирішеність до сьогоднішнього часу проблеми вибору оптимального матеріалу для струмознімаючого елемента.

Такий матеріал повинен перш за все забезпечувати надійне струмознімання, не викликаючи інтенсивного зношення контактного проводу. Для цього необхідно, щоб він володів рядом інколи суперечливих, несумісних властивостей: мав високі механічні і антифрикційні характеристики, низький питомий і перехідний електроопір, високу електроізоляційну стійкість. Він повинен гарантувати роботу сильноточного контакту в важких кліматичних умовах і, крім цього, бути не дефіцитним і дешевим.

В даний час на нашому електрорухомому складі застосовуються два основні типи струмознімаючих матеріалів. їх застосування зумовлене родом електричного струму, потужністю електрорухомого складу, кліматичними умовами [ 6 ]. Це, як правило, металеві композиційні матеріали на основі міді або заліза і композиційні на основі вуглецю, а саме коксу. Причому металеві матеріали можуть містити приблизно до 20 % графіту, а вуглецеві - до 50 % металевих складових, головним чином міді.

Вуглецеві матеріали (в основному на основі коксу, рідше - графіту) володіють високим питомим електричним опором (ПЕО) - від 15 до 35 мкОм•м. ПЕО металевих струмознімаючих матеріалів суттєво нижчі: від 0,15 до 0,5 мкОм•м. Вуглецево - мідні матеріали мають проміжні значення ПЕО від 1 до 10 мкОм•м в залежності від вмісту металу.

Значення ПЕО є визначаючим в області застосування струмознімаючих матеріалів. Матеріали на основі металу застосовуються в контактних вставках потужних електровозів постійного струму. Контактні вставки з вуглецю застосовуються для струмознімання електропоїздів і електровозів змінного струму.

До переваг вставок на основі металу можна віднести їх низький ПЕО, високі міцнісні властивості, відносно високу власну зносостійкість, особливо в режимі інтенсивного струмознімання.

До основних недоліків цих вставок відносяться : їх висока щільність (від 5,5 до 7,5 г/см3), що приводить до збільшення маси струмоприймача і погіршення його динамічних характеристик; болтове кріплення до струмоприймача; висока вартість; порівняно висока інтенсивність зношення контактного проводу. Для зниження ймовірності схвачування таких вставок з контактним проводом в контакті використовується сухе графітове мастило, що ускладнює обслуговування струмоприймача і сприяє збільшенню контактного опору.

До переваг вставок на основі вуглецю можна віднести: їх низьку щільність (до 1,8 г/см3); низьку інтенсивність зношування контактного проводу; безболтове кріплення; низьку вартість.

До основних недоліків цих вставок відносяться: високий ПЕО; низька пластичність ; відносно низька зносостійкість, особливо при інтенсивному струмозніманні.

Перелічені переваги і недоліки показують, що області застосування цих вставок розмежовані. Застосування вставок на основі металу і вуглецю на одній ділянці може привести при перевищені певної величини знімаємого струму до значного зростання інтенсивності зношення контактного проводу і вуглецевих вставок; інтенсивність зношення вставок на основі металу при цьому значно знизиться. Цей ефект відомий в електротехніці.

Феноменологічне пояснення такої поведінки ковзаючих електричних контактів полягають в тому, що згідно теорії самоорганізації кожний струмознімаючий матеріал утворює характерні для нього вторинні структури. При цьому інтенсивно зношуються "чужі" вторинні структури. При змішаній експлуатації двох струмознімаючих матеріалів контактна пара постійно працює в подібному перехідному режимі "припрацювання".

Механізм такої "несумісності" пов'язаний з тим, що при експлуатації лише вугільних вставок поверхневий шар контактного проводу рекристалізується на глибину до 1 мм, а при експлуатації лише металокераміки він інтенсивно нагартовується. Твердість рекристалізованого шару в 2 рази менше твердості контактного проводу. Металокераміка в парі з таким м'яким шаром працює як абразив, інтенсивно зношуючи його, і в меншій степені зношується сама. Вуглець вугільної вставки, проходячи після кераміки по міді, інтенсивно механічно переноситься на неї. Це пов'язано з тим, що при нормальній роботі вугільних вставок в вторинних структурах міститься до 80 % вуглецю, причому перенесеного вуглецю, як правило, не менше 50 %.

Для створення універсальних вставок, що задовільно працюють при любих експлуатаційних і кліматичних умовах пішли по шляху використання металовуглецевих матеріалів. Такі вставки повинні об’єднувати в собі високі самозмащуючі властивості вуглецю і провідні властивості металу. Тому в якості металевої складової використовуються мідь і її сплави. В якості вуглецевої основи в більшості випадків застосовують кокс. Це пов'язано з тим, що кокс володіє суттєво більш високими механічними властивостями, зокрема твердістю, ніж графіт.