332 / 457
Механики XXI веку. № 15 2016 г.
332
частот от 10 Гц до 110 Гц. Так как отказы моторных подшипников НВА-55 значительны, предполагается,
что фактором, способствующим этому, являются циклические знакопеременные нагрузки от пульсаций элек-
тромагнитного момента, вызывающие усталостное разрушение металла. Предлагается использовать для
питания вспомогательных асинхронных машин электровозов системы частотно-регулируемого электропри-
вода с автономным инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием. При этом обеспечива-
ется симметрия и стабилизация трехфазной системы напряжений, что позволяет получить знакопостоян-
ный электромагнитный момент двигателя с малыми пульсациями, смещенными в область более высоких час-
тот.
Известна проблема отказов трехфазных вспомогательных асинхронных электрических машин
(АЭМ) электровозов переменного тока из-за неисправностей подшипниковых узлов. По данным ста-
тистики ОАО «РЖД» за 2010 год для АЭМ типа АНЭ-225 (электровоз ВЛ85) доля отказов из-за не-
исправностей подшипниковых узлов составила 37 % от общего количества неисправностей, для
АЭМ типа АЭ 92-4 (электровозы ВЛ80) – 28 %, а для АЭМ типа НВА-55 (электровозы семейств «Ер-
мак» и ЭП1) – 33 %. Более объемные данные по этому вопросу (за период 2006 – 2011 гг.) для АЭМ
типа НВА-55 электровозов семейства «Ермак» приведены в [1]: для 1-го мотор-вентилятора (МВ) –
2,4 %; для 2-го МВ – 1,43 %; для 3-го МВ – 4,55 %; для мотор-компрессора – 6,78 %; для пускового
двигателя, не несущего на валу механической нагрузки и выполняющего функцию электромеханиче-
ского расщепителя фаз (РФ) – 72,73 %. Отмечено бриннелирование дорожек качения. Таким образом,
проблема актуальна и заслуживает изучения причин, факторов, вызывающих неисправности под-
шипниковых узлов.
Кроме неисправностей подшипниковых узлов для указанных АЭМ большое количество отка-
зов связано с пробоем обмоток статора и выплавлениями литых короткозамкнутых обмоток ротора,
что связано с тепловыми процессами в АЭМ. Эти вопросы применительно к НВА-55 освещены в [2].
Их исследование проведено при помощи компьютерного моделирования на специально разработан-
ной модели асинхронного вспомогательного электропривода. Схема вспомогательного электропри-
вода электровозов «Ермак» и описание принципа его работы опубликованы, например, в [3]. Подра-
зумевается, что в практике эксплуатации на борту электровозов вспомогательные АЭМ питаются не-
стабилизированным трёхфазным напряжением с коэффициентом несимметрии напряжений по обрат-
ной последовательности [4] до 16 % [5, 6], суммарный коэффициент гармонических составляющих
напряжения [4] до 26 % [5]. Наглядное представление о несимметрии напряжений питания АЭМ
НВА-55 электровоза «Ермак» дают данные табл. 1. Результаты исследований спектра напряжений и
токов АЭМ на электровозах переменного тока опубликованы в [7]. Пример опытных осциллограмм
напряжений и токов, измеренных на электровозе «Ермак» специалистами ОАО «ВЭлНИИ» (г. Ново-
черкасск), дан на рис. 1, где сверху показаны три графика фазных токов, а ниже – еще три графика
линейных (междуфазных напряжений) в системе питания вспомогательных АЭМ (установившийся
режим работы, подключены 1-й МВ, 2-й МВ и мотор-компрессор, напряжение в контактной сети 27
кВ, на осциллограммах приняты масштабы: тока 100 А/деление, напряжения 500 В/деление, времени
(горизонтальная ось) 0,004 с/деление).
Таблица 1
Измеренные и расчётные характеристики питающих напряжений АЭМ НВА-55 на электровозе
2ЭС5К № 031 семейства «Ермак» [5]
Измеренные значения [5]
Расчётные значения
Действующие значения ос-
новной гармоники фазных
напряжений, В
Фазные углы основной гармо-
ники фазных напряжений, гра-
дусов
Действующие значения ос-
новной гармоники линейных
напряжений, В
1ф
U
2ф
U
3ф
U
1ф
ф2
ф3
12
U
23
U
31
U
112
187
202
0
115
250
255
359
262
Тем не менее, как ранние исследования [2], так и рассматриваемые в этой статье, проведены в
предположении синусоидальности питающих напряжений АЭМ, так как, по мнению автора, высшие
временные гармоники токов и напряжений в данном случае лишь усугубляют основной вредный
фактор – несимметрию системы нестабилизированных напряжений питания.
Компьютерная модель электромеханической системы [2] позволяет получать информацию не
только об электрических, тепловых, но и механических координатах АЭМ: частоте вращения ротора
n
, моменте статических сопротивлений на валу
c
M
и электромагнитном моменте, развиваемом