«СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ ДЕПОВСКОМ РЕМОНТЕ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИрГУПС (ИрИИТ)

На правах рукописи

ДУЛЬСКИЙ Евгений Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО

СОСТАВА ПРИ ДЕПОВСКОМ РЕМОНТЕ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович ИРКУТСК Оглавление стр.

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

СЕРИИ «ЕРМАК»

1.1 Анализ надежности тяговых двигателей электровозов серии «ЕРМАК»

1.2 Анализ основных факторов и возможных причин выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов по сети железных дорог Восточного полигона обращения

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

2 ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ИЗОЛЯЦИИ ЭМ ТПС

2.1 Методы, способы и средства сушки и капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС в процессе их технического обслуживания и ремонта .............. 2.2 Анализ процесса капсулирования изоляции ЭМ ТПС тепловым излучением

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИКЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б

ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА

КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Анализ пространственного распределения ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б в системе «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки».................. 3.2 Теоретическое обоснование использования метода конечных элементов при моделировании режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»

3.3 Моделирование режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» с использованием метода конечных элементов в программном комплексе «MSC Patran-Marc»

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИКЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б

ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК»

4.1 Методика экспериментальных исследований

4.2 Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо

4.3 Результаты лабораторных исследований

4.3.1 Результаты лабораторных исследований по сравнению эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток при ремонте ЭМ ТПС

4.3.2 Результаты лабораторных исследований по определению терморадиационных характеристик новых изоляционных материалов............... 4.3.3 Результаты лабораторных исследований по определению электрической прочности и твердости изоляции

4.4 Результаты исследований на опытно-производственной установке..... 4.4.1 Физическое моделирование осциллирующего режима ИКэнергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с изменением спектрального состава ИК-излучателей

4.4.2 Проверка сходимости результатов математического и физического моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИ В ПРОИЗВОДСТВО

И ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

5.1 Вариантное проектирование генераторов теплового излучения на установках по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС

5.2 Анализ технико-экономической эффективности от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции взамен конвективного

5.2.1 Расчет капитальных вложений на изготовление установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б.......... конвективного метода капсулирования терморадиационным методом................ капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б.......... ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Высокая надежность работы тягового подвижного состава (ТПС) железных дорог России является залогом успешного экономического развития страны в целом. С этой целью необходимо совершенствовать не только сам парк ТПС, но и технологии его обслуживания и ремонта. Особенно это касается электрических машин (ЭМ) ТПС, в первую очередь от которых зависит нормальное функционирование ТПС.

В последние годы согласно реформам, проводимым корпорацией ОАО «РЖД», происходит замена старых отечественных электровозов, эксплуатируемых на сети железных дорог Восточного полигона обращения, срок службы многих из которых уже давно истек (ВЛ60, ВЛ80с, т, к, р), на новые электровозы (ЭП1П, М, Э5К, 2ЭС5К, 3ЭС5К).

Претерпевает изменения и система технического обслуживания (ТО) и ремонта (ТР) ТПС. В 2014 году планируется передача функций ТО и ТР электровозов во вновь организованную компанию «Трансмашхолдинг – Сервис»

(ТМХ – Сервис). В связи с этим развитие новых технологий продления ресурса ЭМ ТПС является актуальной задачей.

На базе Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) сотрудниками кафедры «Электроподвижной состав» (ЭПС) создана проблемная лаборатория «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» [140]. В данной лаборатории представлены опытно-производственные установки по продлению ресурса и восстановлению изоляции обмоток ЭМ ТПС эффективным, по сравнению с применяющимся в настоящее время в депо, способом, а именно капсулированием изоляции обмоток инфракрасным (ИК) излучением (терморадиационным методом). В настоящее время в лаборатории идут исследования по выявлению рациональных режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря тягового электродвигателя (ТЭД) типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК». Данные исследования требовали проведение многократных экспериментальных испытаний на установке, что до недавнего времени являлось большой проблемой. Проблема обусловливалась наличием в лаборатории лишь одного экземпляра якоря ТЭД, изоляция которого могла быть повреждена в ходе многократных испытаний.

Благодаря современным программным комплексам инженерного анализа, основанным на численном методе конечных элементов, таким как «Patran-Marc»

корпорации «MSC-SoftWare», появилась возможность моделировать процесс капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС при различных режимах ИКэнергоподвода, что исключает необходимость проведения многократных натурных испытаний. В данном случае будет достаточно провести лишь несколько экспериментов по проверке результатов моделирования на сходимость и достоверность.

Общая характеристика работы

.

Актуальность исследования. На сегодняшний день рабочий парк новых грузовых электровозов серии «ЕРМАК» Э5К, 2ЭС5К и 3ЭС5К на сети железных дорог Восточного полигона обращения составляет уже порядка 500 единиц.

Несмотря на то, что данные электровозы является современными, в качестве тяговых на них используется коллекторный двигатель типа НБ-514Б, по сути дела не многим отличающийся от ТЭД НБ-514, который применялся на более старых сериях электровозов, таких как ВЛ85. Как показала практика, по количеству отказов среди прочего оборудования данный ТЭД занимал и до сих пор занимает первое место. Проблема надежности этих двигателей перешла и на электровозы серии «ЕРМАК». По данным статистики, отказы ТЭД электровозов этой серии составляют 27% от общего числа всего оборудования.

Главная причина отказов ЭМ на этих электровозах и ЭМ в целом – это низкий ресурс изоляции их обмоток. Так как изоляция является наиболее уязвимым элементом в конструкции машины, проблеме продления её ресурса и восстановления её физико-механических свойств уделяется большое внимание.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.22.07. – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследований, направленных на повышение надежности ТПС.

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности по п.2 – системы технического обслуживания, эксплуатации и технологии ремонта устройств электроснабжения и подвижного состава, развитие парков локомотивов и вагонов (глава 2, 4, 5).

Степень разработанности проблемы. Существенный вклад в изучение надежности ТПС железных дорог, систем технического диагностирования и ремонта внесли Ю.А. Бахвалов, В.И. Бервинов, И.В. Бирюков, И.Н. Богаенко, А.В.

Бородин, В.И. Бочаров, А.А. Воробьев, А.И. Володин, И.И. Галиев, З.Г. Гиоев, А.В. Горский, В.Г. Григоренко, А.А. Зарифьян, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаев, В.А. Камаев, В.И. Киселев, В.Г. Козубенко, В.А. Кучумов, А.Л. Курочка, А.А. Лисицин, В.Н. Лисунов, В.Б. Медель, М.Д. Находкин, В.А. Нехаев, В.А. Николаев, Е.С. Павлович, М.П. Пахомов, А.В. Плакс, В.В. Привалов, Н.А. Ротанов, А.Н. Савоськин, И.В. Скогорев, В.В. Стрекопытов, Т.А. Тибилов, В.П. Феоктистов, А.П. Хоменко, В.А. Четвергов, С.Г. Шантаренко, В.Г. Щербаков, В.П. Янов и другие исследователи.

Значительный вклад в решение вопросов надежности наиболее «слабых»

узлов ТЭД – изоляционных конструкций и коллекторно-щеточного узла ТЭД внесли В.Д. Авилов, А.Е. Алексеев, А.А. Бакланов, В.Г. Галкин, М.Д. Глущенко, А.Т. Головатый, И.П. Гордеев, А.В. Грищенко, Ю.А. Давыдов, Р.М. Девликамов, Г.Б. Дурандин, М.Г. Дурандин, С.В. Елисеев, А.П. Зеленченко, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, А.С. Космодамианский, В.А. Кручек, А.С. Курбасов, А.Б. Лебедев, Е.Ю. Логинова, А.С. Мазнев, Р.Я. Медлин, А.Т. Осяев, А.Д. Петрушин, В.М. Попов, Н.П. Семенов, А.С. Серебряков, В.П. Смирнов, Л.Н. Сорин, Н.О. Фролов, В.В. Харламов, О.И. Хомутов, В.А. Шевалин и многие другие.

Несмотря на это, анализ современных методов и средств по восстановлению изоляции ЭМ ТПС, применяемых в настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД», отразил низкую их эффективность и высокую энергоёмкость.

Технология капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов с открытыми головками секций серии НБ-514 инфракрасным (ИК) излучением, представленная в работах предшественников, показала свою эффективность с позиции улучшения качества ремонта, экономии энергии и времени на ремонт за счет физики самого процесса капсулирования ИК-излучением. Однако в этих работах не были решены задачи по моделированию рациональных режимов ИК-энергоподвода в данной технологии.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств совершенствования технологии восстановления изоляции ЭМ для обеспечения работоспособности ТЭД электровозов в эксплуатации. Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

1) предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;

2) разработать конечно-элементные математические модели для оценки работоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИКэнергоподвода при ремонте;

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в эксплуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;

5) усовершенствовать технологическое оборудование для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б.

Объект исследования – технология восстановления изоляции ЭМ ТПС.

Предмет исследования – рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы для решении задач, поставленных выше, использовались методы математической статистики, методы теории тепломассообмена излучением, численные методы конечно-элементного математического моделирования теплофизических процессов, методы теории планирования эксперимента, метод оценки технико-экономической эффективности использования результатов исследований в производстве и учебном процессе.

Решение вычислительных задач осуществлялось с использованием программы Microsoft Excel 2010®. Для создания виртуальных трехмерных моделей применен пакет программ «КОМПАС 3D v13» компании АСКОН. Моделирование и инженерный анализ проводились в программном комплексе «PatranMarc/Sinda» корпорации «MSC Software».

Экспериментальные исследования проводились в специализированной лаборатории кафедры ЭПС ИрГУПС «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС», а также в локомотиво-ремонтных депо ст. Нижнеудинск и ст. Вихоревка, и заключались в сравнении конвективного и терморадиационного метода капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС, физическом моделировании режимов ИК-энергоподвода и проверки сходимости результатов математического моделирования с экспериментально полученными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) получена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала для повышения эффективности процесса капсулирования и качества восстановления изоляции ТЭД;

2) разработаны конечно-элементные математические модели, имитирующие различные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ТЭД для обеспечения эффективных температурных режимов и оценки работоспособности изоляции обмоток;

3) предложен спектрально-осциллирующий способ капсулирования изоляции обмоток ТЭД, повышающий качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения (получено положительное решение на получение патента на изобретение по № заявки 2012157499/07).

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 3 %.

Практическая ценность. Полученные математические модели позволяют выполнять оценку эффективности процесса капсулирования изоляции обмоток ТЭД и влияния технологических режимов на работоспособность изоляции в эксплуатации.

Разработанная технология капсулирования изоляции обмоток ТЭД и усовершенствованная установка, реализующая способ капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД НБ-514Б в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода, позволяют повышать качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИКэнергоподвода в процессе восстановления свойств изоляции ТЭД с учетом спектрального состава излучателей и оптических свойств пропиточных материалов;

2) конечно-элементные математические модели непрерывного и осциллирующего режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии «ЕРМАК»;

3) спектрально-осциллирующий режим ИК-энергоподвода в технологии восстановления изоляции обмоток ТЭД.

Реализация результатов работы. Результаты работы, полученные автором, применяются в проблемной лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС», используемой в научном и учебном процессе ФГБОУ ВПО «ИрГУПС» при подготовке инженеров по специальности 190303. – «Электрический транспорт железных дорог» в рамках дисциплин «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС».

Результаты исследований переданы в Восточно-Сибирскую дирекцию по ремонту ТПС, а также внедрены в локомотиво-ремонтное депо «Нижнеудинское».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПС «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации» (посвящённая 35-летию со дня образования ИрГУПС, Иркутск, 2010 г.); всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Электромеханического» факультета ИрГУПС «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (г. Иркутск, 2011-2012 гг.); научно-методической конференции «Проблемы и перспективы развития регионально-отраслевого университетского комплекса ИрГУПС» (г. Иркутск, 2013 г.); всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы – Неделя науки» (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2012-2013 гг.); всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ИрГУПС с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (г.

Иркутск, 2012-2013 гг.); 9-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии», посвященной 110-летию со дня рождения М.Ф. Карасева и 70летию со дня образования кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (г. Омск, 2013 г.); научных семинарах кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (г. Иркутск, 2010-2013 гг.); заседании кафедры «Электрической тяги» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (г. Иркутск, 2013 г.); расширенном заседании кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПС (г. Омск, г.); в молодёжном конкурсе инновационных проектов «Новое звено ОАО РЖД» (г.

Москва, 2012-2013 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано работ, в том числе 8 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и 1 в железнодорожном специализированном тематическом журнале; получены патент РФ №2494517 на изобретение.

Личный вклад соискателя. Автору принадлежит: формулировка цели и постановка задач исследований, выполнение работ по математическому моделированию, проектирование и создании лабораторных и опытно-производственных установок, а также выполнение значительной части экспериментальных исследований.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, заключения, приложения, библиографического списка из 155 наименований и содержит 190 страницу основного текста, 116 рисунков и 18 таблиц.

1 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ

1.1 Анализ надежности тяговых двигателей электровозов В процессе эксплуатации ТЭД подвержены постоянному воздействию механических, тепловых, климатических и электромагнитных факторов, причем на электровозе эти факторы оказывают комплексное воздействие [2, 18, 50, 51, 64, 89, 118, 135].

В настоящее время рабочий парк грузовых электровозов нового поколения серии «ЕРМАК» (Э5К, 2ЭС5К и 3ЭС5К) на сети железных дорог Восточного полигона обращения составляет уже 500 единиц, находящихся на обслуживании «ТрансМашХолдинг-Сервис» (ТМХ-Сервис).

Несмотря на то, что данные электровозы является современными, в качестве тяговых на них используются коллекторные двигатели типа НБ-514Б, применяемые и на более старых сериях электровозов, таких как ВЛ85. Как показала практика, по количеству отказов среди прочего оборудования, данный ТЭД занимал и занимает первое место (рисунки 1.1, 1.2) [20, 21, 35, 58, 60, 114, 131].

Проблема надежности этих двигателей перешла и на электровозы серии «ЕРМАК» [128].

За 12 месяцев 2012 года по электровозам серии 2ЭС5К, 3ЭС5К допущено 1371 случай захода локомотивов на неплановый ремонт, против 267 случаев за тот же период 2011 года (допущено увеличение количества заходов на неплановый ремонт в 5,2 раза). Общий простой в ремонте данной серии электровозов за 2012 год составил 20534 часа, против 6201 часа в 2011 году (увеличение количества часов в 3.3 раза). На 1 млн. км. пробега случаи непланового ремонта составили 71,4 в декабре 2012 года, против 12,97 случаев в декабре 2012 года (увеличение в 5,5 раза). На 1 млн. км. пробега случаи непланового ремонта составили 55,02 за 2012 год, против 10,58 случаев за 2011 год (увеличение в 5,2 раза).

Рисунок 1.1. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов серии ВЛ85 по сети ВСЖД за 2011 год Рисунок 1.2. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов По данным статистики, отказы ТЭД электровозов серии «ЕРМАК» за год составляли 17% от общего числа отказов всего оборудования электровозов (рисунок 1.3), а за 2012 год - 27% (рисунок 1.4).

Рисунок 1.3. Диаграмма отказов оборудования электровозов серии «ЕРМАК»

Рисунок 1.4. Диаграмма отказов оборудования электровозов серии «ЕРМАК»

С начала 2012 года в сравнении с 2011 годом количество заходов электровозов серии «ЕРМАК» на неплановый ремонт резко увеличилось (таблица 1.1). Самая частая причина неплановых ремонтов электровозов данных серий – отказ ТЭД типа НБ-514Б, что составляет порядка 30% от отказов всего оборудования.

Таблица 1.1 – Количество заходов электровозов серии «ЕРМАК» на неплановый ремонт за 2011–2012 гг.

В таблице 1.2 представлены сведения по отказам электровозов по сериям.

Таблица 1.2 – Распределение отказов по сериям электровозов за 2012 г.

Главная причина отказов ТЭД на электровозах и ЭМ в целом – это низкий ресурс изоляции их обмоток (таблица 1.3). Так как изоляция является наиболее уязвимым и в тоже время дорогим элементом в конструкции машины, проблеме продления её ресурса и восстановления её физико-механических свойств уделяется большое внимание [1, 39, 56, 58, 86, 91, 93, 135, 137, 138]. Из всех отказов ТЭД по причине выхода из строя изоляции примерно 30-40% приходится на лобовые части обмоток якоря ТЭД.

Таблица 1.3 – Распределения отказов элементов ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»

Продолжение таблицы 1. Повреждение перемычек между щёткодержателями МВЗ – межвитковое замыкание; МЯП – моторно-якорные подшипники;

ДП – дополнительные полюса; ГП – главный полюс; КО – компенсационная обмотка Восстановительные работы по восстановлению изоляции ТЭД типа НББ проводят в объеме деповского ремонта (ТР-3) в локомотиво-ремонтных депо через каждые 500 т. км пробега электровозов серии «ЕРМАК». На практике же это цифра значительно меньше и в среднем равна 350 т. км.

При эксплуатации электровозов на изоляционные конструкции тяговых ЭМ (ТЭМ) воздействует сложный комплекс внешних факторов [9, 46, 106, 127, 141, 143, 145, 147], который с течением времени приводит к постепенному изменению структуры и ухудшению диэлектрических свойств изоляции. В первую очередь, к таким факторам относятся:

– температурные воздействия (от –60 до +30 оС);

– вибрационные механические воздействия;

– влияние увлажнения изоляции;

– запыленность;

– воздействие внутренних перенапряжений;

– грозовые перенапряжения.

Действие перечисленных факторов вызывает объективное старение изоляционных конструкций. Принято считать, что в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены при восстановительных ремонтах изоляции. Однако, как правило, изменения свойств изоляционных материалов носят необратимый характер и завершаются пробоем изоляционной конструкции ЭМ ТПС [64].

Объективные процессы старения ограничивают срок службы, поэтому при разработке, изготовлении, в процессе ремонта и эксплуатации ЭМ ТПС должны быть предусмотрены меры, снижающие темпы старения до такого уровня, при котором обеспечивается срок ее службы.

Повышение надежности и продление ресурса ЭМ ТПС – проблема многогранная и требует комплексного решения. В этом направлении можно выделить следующие пути: совершенствование конструкции ЭМ; модернизация действующих ЭМ ТПС и систем их диагностики [111]; совершенствование устройств защиты от работы в аварийных режимах; внедрение новых методов и средств восстановления изоляции ЭМ ТПС при их ремонте и техническом обслуживании.

1.2 Анализ основных факторов и возможных причин выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов по сети железных дорог Наиболее пагубное воздействие на изоляцию оказывает влага и теплота [57, 87]. При поглощении изоляцией влаги снижаются её объемное и особенно поверхностное сопротивления, растет угол диэлектрических потерь и несколько повышается диэлектрическая проницаемость, снижается электрическая прочность вследствие перераспределения поля внутри изоляционного материала. При этом насыщенные влагой участки изоляции обладают очень большой диэлектрической проницаемостью, а в менее увлажненных участках резко возрастает напряженность электрического поля. Следствием этого являются пробои и межвитковые замыкания.

Наличие влаги в изоляции объясняется несколькими факторами. Главным из них является несовершенная система вентиляции ТЭД типа НБ-514Б (рисунок 1.5) [62], обусловленная тем, что обмотки лобовых частей его якоря оказываются в конце пути охлаждающего воздуха, который успевает нагреваться до того момента, как их достигнет [30, 82].

Рисунок 1.5. Образование конденсированной влаги при осуществлении При этом если ТЭД снаружи находится под воздействием низких температур, в области его задней прижимной шайбы начинает конденсироваться влага, которая при остановке машины приводит к переувлажнению лобовой части и проникновению воды в глубину паза проводников.

Образование конденсированной влаги возникает также при постановке электровоза в теплое депо с непрогретыми заранее ТЭД в периоды низких температур окружающей среды и при эксплуатации ТПС на участках и перегонах, имеющих протяженные искусственные сооружения (например – Северо–Муйский тоннель).

При анализе конструкции ЭМ ТПС была выдвинута гипотеза о том, что влага проникает в изоляцию через открытые лобовые части обмоток, будь это якорь или статор. Активная часть обмотки укладывается в пазы и удерживается от радиального смещения клиньями из (стекло-) текстолита, в этих местах изоляция наиболее защищена от проникновения влаги [3, 119]. В лобовых же частях обмоток проводники не имеют подобной защиты (рисунок 1.6–1.7).

Рисунок 1.6. Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции Именно в этом месте вода проникает в паз, вызывая впоследствии МВЗ и пробои изоляции.

В работе С.А. Бабичева было показано, что по статистике лобовая часть статора электрической машины отказывает в 36% случаях [5].

Помимо этого, в месте выхода секции из паза сердечника, в области лобовой части, напряженность электрического поля увеличивается [11].

Рисунок 1.7. Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции обмоток статора асинхронных вспомогательных машин (АВМ) ТПС:

На рисунке 1.8 показана эпюра напряженности электрического поля в области лобовой части обмотки ЭМ ТПС.

В этой зоне возникают направленные вдоль поверхности разряды. С повышением напряжения такие разряды могут проскакивать на большую длину, вплоть до полного перекрытия лобовой части. Начальное напряжение обеих стадий (кВ) описывается общей формулой Теплера, полученной эмпирическим путем Суд – удельная поверхностная емкость изоляции [Ф/см2].

где Рисунок 1.8. Эпюра напряженности электрического поля в области лобовой части обмотки якоря ТЭД (а) и статора АВМ (б) электровоза Такие тлеющие разряды возникают при напряжении в 3-4 раза меньшем рабочего и могут повреждать изоляцию при длительной эксплуатации, а также возможны повреждения резиновых уплотнений.

Краевые разряды устраняются с помощью изменения конструкции изоляции лобовой части обмотки - на ее поверхность наносится полупроводящее покрытие высокого сопротивления [12].

Кроме того, изоляция обмоток может сильно повреждаться при вибрационных нагрузках, оказываемых на ЭМ ТПС.

Вибрацию ЭМ ТПС вызывают силы механического и электрического происхождения [148]. Эти силы делятся на действующие при изменении нагрузки, в аварийных условиях и в стабильном состоянии. Помимо этого, они делятся на силы, действующие на сердечник остова ТЭД (статора), на лобовую часть в целом и на отдельный стержень (катушку) в пазу. В местах выхода стержней или катушек из пазов в районе лобовой части вибрация оказывает наиболее пагубное воздействие на состояние изоляции, вызывая её дальнейшее старение. На основании питающей частоты, лобовая часть может колебаться в двух критических диапазонах, частота сети, обычно, производится механическими силами и двойная частота сети, производимая электромагнитными силами от токоведущих фазных проводников.

Механическая вибрация является результатом вращения якоря ТЭД (ротора АВМ): несбалансированный или смещенный якорь ТЭД (ротор АВМ), поврежденные подшипники и электрические проблемы якоря ТЭД (ротора АВМ), такие как короткое замыкание обмотки или, для АВМ, сломанные стержни в короткозамкнутых роторах [155].

Вибрацию электрического происхождения вызывают электромагнитные силы между обмотками якоря ТЭД (статора АВМ), создаваемые токами, протекающими через них. В нормальном режиме работы эти силы являются относительно низкими и приходятся на структуру поддержки лобовой части обмотки. Во время крупных стрессовых событий, таких как короткое замыкание, ток может вырасти в 10 раз от номинального значения и в результате воздействие сил на лобовую часть может быть в 100 раз выше, чем при нормальных условиях эксплуатации.

В доказательство слабой защищенности лобовых частей можно привести опыт локомотиво-ремонтного депо ст. Нижнеудинск.

В 1999–2001 годах в локомотивном депо ст. Нижнеудинск ВСЖД была введена технология дополнительной пропитки и сушки изоляции лобовой части обмотки якоря с противоколлекторной стороны (рисунок 1.9). Необходимость этой технологии была обусловлена резким увеличением пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514 электровозов серии ВЛ85 за этот период.

На рисунке 1.10 приведен характер изменения потока пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514 на период «до» внедрения технологии дополнительной пропитки и сушки задней лобовой части якорной обмотки и «после» её внедрения.

Рисунок 1.10. Характер изменения потока пробоев изоляции Видны два явно выраженных периода кривой отказов: до (сплошная линия) и после (пунктирная линия) внедрения технологии дополнительной пропитки и сушки изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД НБ-514.

1.3 Постановка задач диссертационной работы Проведенный анализ надежности ТЭД типа НБ-514Б по электровозам серии «ЕРМАК» показал их высокую уязвимость в плане защищенности изоляционных конструкций от воздействий внешних факторов (в основном влаги). Это свидетельствует о неудовлетворительном качестве современных методов и средств по восстановлению изоляции в условиях деповского ремонта, применяемых в настоящее время на сети ОАО «РЖД», что приводит к снижению показателя межремонтного пробега до восстановительных работ в объеме деповского ремонта (ТРдля ТЭД типа НБ-514Б в среднем на 150 т. км. С этой позиции необходимо совершенствовать технологию восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС на основе капсулирования изоляции их обмоток ИК-излучением в рациональных режимах ИК-энергоподвода. Основываясь на выше изложенном, сформулируем задачи, решение которых осуществим в ходе выполнения настоящей диссертационной работы:

1) предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;

2) разработать конечно-элементные математические модели для оценки работоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИКэнергоподвода при ремонте;

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в эксплуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;

5) усовершенствовать технологическое оборудование для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б.

2 ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ИЗОЛЯЦИИ ЭМ ТПС

2.1 Методы, способы и средства сушки и капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС в процессе их технического обслуживания и ремонта В процессе деповского ремонта структуру и физико-механические свойства изоляции обмоток ЭМ ТПС восстанавливают пропиткой в электроизоляционном материале (ЭИМ) (лаке, компаунде) с последующей её сушкой [136].

Упреждающая пропитка, производственный цикл которой включает в себя операции предварительной сушки изоляции для удаления из нее влаги, собственно пропитки, т.е. заполнения пор и пустот в материале и промежутков в изоляции ЭИМ; сушки/капсулирования изоляции после пропитки в ЭИМ для удаления растворителей и полимеризации твердой основы ЭИМ, восстанавливает физикомеханические свойства изоляции, продлевая ресурс ЭМ ТПС [6, 133]. Цель пропитки, сушки и капсулирования изоляции – повышение диэлектрической и механической прочности, химо- и влагостойкости, теплопроводности, т.е. всего того комплекса свойств, которые определяют качество изоляции и, следовательно, надежность и долговечность эксплуатации обмоток ЭМ ТПС.

Процесс термообработки изоляции может быть разбит на следующие этапы:

– нагрев изоляции до заданной температуры, значение которой определяется назначением термообработки (сушка до пропитки и капсулирование после);

– удаление из объема изоляции низкомолекулярных соединений (влага – в случае предварительной сушки; растворители – в основном при капсулировании изоляции, пропитанной ЭИМ);

– полимеризация пропиточного состава (лаковой основы или связующего компаундов) при капсулировании.

Температурные условия термообработки обычно жестко определены изготовителем пропитывающего состава, а длительность его является функцией технологических свойств материалов, образующих систему изоляции, их массы, конструктивных характеристик обрабатываемого узла, давления, а также метода подвода тепла к изоляции. Эти же факторы, дополненные показателем влажности, определяют длительность режимов предварительной сушки перед пропиткой.

Метод нагрева является практически единственным параметром, неограниченным регламентирующими рамками, и его обоснованный выбор может существенно повлиять на интенсивность и эффективность рассматриваемого технологического процесса.

Существуют следующие методы сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС [6, 66, 67, 72]:

– конвективный;

– индукционный;

– токовый нагрев;

– терморадиационный (ИК–излучением).

Во всех этих методах предусматривается процесс нагрева – передачи тепловой энергии от одного тела к другому.

При ремонте ЭМ ТПС наиболее широко используются конвективный метод сушки изоляции обмоток [72, 73], с использованием электрических печей, которые будут рассмотрены подробнее далее.

Теплоносителем в данном случае является нагретый воздух, и передача тепла к изоляции обмоток происходит путем свободной и вынужденной конвекции.

Тепловая энергия, поступая с внешней поверхности изоляции, создает условия для первоочередного удаления низкомолекулярных соединений из приповерхностных слоев. Возникающий градиент концентрации обусловливает направленную к поверхности концентрационную диффузию [25, 26]. Но из-за высокого температурного градиента значительной оказывается роль имеющей противоположное направление термодиффузии [97]. Это определяет большую длительность процесса сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС конвективным методом, а также вероятное возникновение дефектов, особенно при обработке пропитанной в лаках изоляции так, как содержание растворителя в лаке может доходить до 90%.

Причина возможного дефектообразования заключается в том, что необходимые для полимеризации температурные условия создаются, прежде всего, на поверхности 2 пропитанной изоляции (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Дефектообразование при использовании конвективного метода 1 – лаковая пленка; 2 –пропиточный материал (лак, компаунд.); 3 – пропитанный изоляционный материал; 4 – проводник обмотки; 5 – пары растворителя;

Образовавшаяся лаковая пленка 1 препятствует выходу паров растворителя 5. В результате, после того как пары растворителя все-таки вырвутся на свободу, могут сформироваться полости, являющиеся зонами возникновения частичных разрядов, или произойти локальные разрушения поверхностного лакового слоя с образованием полостей (микротрещин) 6, через которые в процессе эксплуатации ЭМ ТПС могут возникнуть пробои и межвитковые замыкания (данная гипотеза будет подтверждена в ходе выполнения экспериментальной части данной диссертационной работы в главе 4).

Все это ведет к снижению функциональных свойств изоляции и на этапе изготовления требует дополнительной интенсификации процесса удаления низкомолекулярных соединений, например, путем вакуумирования.

Помимо этого, конвективный метод сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС, особенно это касается крупногабаритных узлов (якорь, остов), характеризуется значительными затратами времени на этапе нагрева до заданной температуры (25-30 % от общей длительности процесса) и неравномерностью в ее распределении между отдельными частями обмоток.

Технология сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС с использованием вакуума как самостоятельная не используется [6]. Применяют её как вспомогательную зачастую с конвективным методом (поочередно), что обеспечивает понижение температуры и скорости нагрева изоляции без снижения интенсивности процесса сушки и влагоотдачи.

Индукционный метод заключается в нагревании обмоточных изделий индукционными токами, образующимися в них под влиянием пульсирующего магнитного поля, в котором находятся нагреваемые узлы ЭМ ТПС [6, 72].

Количество тепла, образующееся в перемагничиваемой стали, находится в прямой зависимости от магнитной индукции и частоты тока, и чем они больше, тем выше температура нагреваемых узлов ЭМ. Источником высокочастотной энергии могут быть промышленные генераторы ТВЧ. Индукционный метод сушки токами нормальной частоты не требует специального оборудования: в качестве источника электромагнитных колебаний применяется переменный ток от сети Гц, питающей индукторы, которые охватывают подвергаемые нагреву узлы ЭМ ТПС. Процесс сушки изоляции при индукционном нагреве протекает изнутри вовне, что создает благоприятные условия для удаления растворителя и высыхания лаковой пленки. Высохшее покрытие не имеет ни вздутий, ни пор. Однако конструкция индуктора должна соответствовать конфигурации и размерам изделий, что ограничивает распространение индукционного метода.

Суть токового метода сушки – пропускание электрического тока пониженного напряжения через пропитанную в ЭИМ обмотку ЭМ ТПС, вызывающего её дальнейший необходимый нагрев (сушка изоляции) [74].

Для токового метода сушки изоляции обмоток может применяться как постоянный, так и переменный ток промышленной частоты 50 Гц; в обоих случаях эффект будет одинаковым. На практике наибольшее распространение для токового нагрева получил переменный ток, при котором тепло генерируется:

а) в материале проводов, где тепло выделяется за счет активных потерь;

б) в стали узлов ЭМ, где тепло выделяется добавочными потерями за счет потоков рассеяния;

в) за счет диэлектрических потерь в изолирующем материале в начальной стадии процесса сушки изоляции.

При постоянном токе тепло генерируется только в материале проводов. Величины тока и напряжения выбираются в зависимости от конструкций обмоток и узла, условий сушки и т. д.

Токовый метод сушки обмоток ЭМ ТПС может производиться как на однофазном, так и на трехфазном токе. При применении однофазной системы требуется последовательное или параллельное соединение обмоток всех трех фаз узлов машин, что не всегда возможно при трехфазном токе, так как не все начала и концы обмоток выводятся на доску зажимов.

Основным условием для определения режимов токового нагрева является определение тока, при котором будет форсирован набор температуры окружающей средой до максимальной температуры сушки.

Наиболее эффективный по сравнению с другими методами является терморадиационный метод сушки (ИК-излучением), который имеет плотность теплового потока в разы больше других [71, 104, 105, 139]. При токовом методе происходят большие тепловые потери, связанные с нагревом меди обмотки проводников.

Такие же потери присутствуют и при конвективном и индукционном методах, но уже в большем количестве, так как здесь происходит нагрев всех частей ЭМ ТПС.

В случае терморадиационного метода сушки имеет место лишь селективный нагрев изоляции без дополнительных тепловых и энергетических потерь. При терморадиационном методе сушки изоляции обмоток используется принципиально иной вид нагрева, основывающийся на поглощении изоляционными материалами энергии субинфра- и инфракрасного излучения [6, 68, 72]. Преобразование энергии излучения в тепловую происходит в некотором слое изоляции, глубина которого определяется длиной волны и оптическими свойствами изоляционных материалов. Тепловые лучи (ИК–лучи) [102], в основном коротко- и средневолновые с длиной волны 0,8-5,0 мкм, проходят расстояние от источника излучения до облучаемой поверхности почти без потерь (в зависимости от коэффициентов отражения и поглощения ЭИМ), а основные диффузионные процессы имеют оптимальное направление (рисунок 2.2) [148].

Рисунок 2.2. Распространение ИК-лучей по глубине слоя пропитанной изоляции:

1 – электроизоляционный пропиточный материал (лак, компаунд.);

2 – пропитанный изоляционный материал; 3 – проводник обмотки;

Нагретые основным потоком ИК–лучей металлические части обмотки 3, в свою очередь, нагревают лакокрасочный материал 2 снизу, способствуя передаче тепла от нижних слоев изоляции к верхним и ускоряя удаление растворителя 4, тем самым значительно сокращая процесс сушки.

Эффективность метода сушки ИК–излучением в значительной степени обусловливается свойствами лакового покрытия — его отражательной способностью, зависящей от цвета и природы лака, а также свойствами основного материала изделия. Покрытия из прозрачных материалов при высоком коэффициенте отражения обладают низкими коэффициентами поглощения, и попытки нагревания ИК– излучением таких изделий не могут сопровождаться успехом. Для эффективного использования ИК–излучения и достижения высоких температур необходимо создать покрытия, обладающие высокой поглощательной способностью ИК части спектра [30].

В настоящее время на сети ОАО «РЖД» в процессе деповского ремонта сушку увлажненной и капсулирование пропитанной изоляции обмоток ЭМ ТПС осуществляют в электрических конвективных сушильных печах [37, 98, 130].

Наиболее распространёнными являются печи типа СДО – «печь сопротивления с выдвижным поддоном с окисленной воздушной средой». Корпус электропечи СДО представляет собой теплоизолированную камеру, выполненную из профильного и листового проката. Теплоизоляция выполняется плитами из минеральной ваты.

Для сушки и капсулирования изоляции обмоток ТЭМ электровозов переменного тока применяют печи, мощностью 80 кВт (рисунок 2.3), а для электровозов постоянного тока – мощностью 40 к Вт (рисунок 2.4).

Такая разница в мощностях обусловливается отличием геометрии конструктивных элементов обмоток ТЭМ электровозов переменного (однофазнопостоянного) тока и электровозов постоянного тока.

Рисунок 2.3. Конвективная электрическая печь типа СДО для сушки ТЭМ 1 – ТЭНы; 2 – привода вентилятора; 3 – привод дверцы печи Рисунок 2.4. Конвективная электрическая печь типа СДО для сушки ТЭМ Геометрия обмоток ТЭМ электровозов переменного тока конструктивно значительно сложнее, чем у электровозов переменного тока. К примеру, на рисунке 2. слева изображен остов ТЭД электровоза переменного тока ВЛ85, а справа – электровоза постоянного тока ЭП2К. Видно, что конструкция обмоток магнитной системы остовов явно отличается. Следовательно, так как остов ТЭД электровоза ВЛ85 имеет более сложную конструкцию, на осуществление его сушки необходимо затратить больше мощности.

Рисунок 2.5. Остова ТЭД электровозов переменного (слева) и постоянного Проанализируем данную технологию сушки изоляции обмоток ТЭМ электровозов на примере Нижнеудинского локомотиво–ремонтного депо ВСЖД.

Деповской ремонт в Нижнеудинском локомотиво–ремонтном депо ВСЖД с использованием печи СДО предусматривает несколько технологических операций по сушке изоляции обмоток ЭМ перед пропиткой в ЭИМ и её капсулированием после пропитки. В зависимости от состояния сопротивления изоляции процесс сушки и капсулирования для одной и той же машины может повторяться несколько раз. В некоторых случаях общее время, затраченное на процесс сушки/капсулирования изоляции, может достигать до 48 часов.

В печи использован конвективный метод сушки/капсулирования посредством нагрева воздуха в рабочем пространстве печи ТЭНами 1 (рисунок 2.3), расположенными по периметру боковых стенок печи, и распределением нагретого воздуха по всей рабочей камере, вентилятором 2.

В таблице 2.1 представлены технические данные печи СДО.

Таблица 2.1 – Основные технические данные электропечи СДО Номинальное напряжение питающей сети, В 380/ Номинальная частота тока питающей сети, Гц Напряжение на трубчатом нагревателе (ТЭНе), В Размеры рабочего пространства, мм В процессе ремонта в печи производят сушку/капсулирование изоляции обмоток якорей и остовов ТЭД типа НБ-514 электровозов серии ВЛ85, также её используют для сушки изоляции статоров асинхронных вспомогательных машин типа АНЭ225 тех же серий электровозов.

Температура нагрева изоляции обмоток ЭМ ТПС в данной печи в процессе сушки или капсулировании должна быть не менее 130–140 оС. Время сушки изоляции до пропитки в ЭИМ отсчитывается при достижении данной температуры и должно быть не менее 10 часов, и столько же в процессе капсулирования после пропитки. При открывании двери сушильной печи, оно увеличивается на 30 минут после каждого открытия. Поэтому прерывать процесс сушки/капсулирования не рекомендуется. По технологии после сушки/капсулировании проверяется сопротивление изоляции обмотки при температуре 130 оС, которая должна быть не менее 3 Мом. Такая проверка производится как минимум 2 раза. При меньшем значении сопротивления изоляции сушку или процесс капсулирования продолжают до получения установившегося сопротивления изоляции не ниже 3 МОм.

Из-за большого объёма ремонтных работ печь находится во включенном состоянии двадцать четыре часа в сутки. При установленной мощности печи 80 кВт расход электроэнергии в сутки на работу одной печи (а их в депо четыре), с учетом всех её вспомогательных приводов: привода вентилятора 2 (рисунок 2.3), который также работает двадцать четыре часа; привода дверцы печи 3, осуществляющего её автоматическое закрытие и открытие, работающий примерно час в сутки – составляет около 2 МВтч.

Помимо выше сказанного в процессе эксплуатации печи возникают значительные непроизводственные потери теплоты, о которых более подробно будет описано в главе 4.

Также стоит отметить неэффективность самой технологии пропитки изоляции обмоток ТЭМ электровозов, которая выражается в больших затратах ЭИМ. Пропитку проводят в специализированных установках с помощью ультразвука [37]. В итоге получается, что пропитывается не только изоляция обмотки, но и все другие части ЭМ ТПС, которые не нуждаются в этом. В случае пропитки крупногабаритных узлов ЭМ ТПС, таких как якорь и остов ТЭД, возникают большие затраты ЭИМ.

В рамках патентного поиска были проанализированы некоторые способы и устройства сушки и капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

«Способ сушки обмоток электрических машин» [63], суть которого заключается во временном покрытии обмотки ЭМ пористым материалом, пропитанным насыщенным раствором солей, при этом между наружной поверхностью обмотки и пористым материалом помещают мембрану, пропускающую воду и не пропускающую ионы раствора солей, затем подают постоянное напряжение от внешнего источника, причем положительный полюс источника напряжения подключают к проводникам обмотки, а отрицательный – к пористому материалу.

На рисунке 2.6 изображена схема процесса сушки обмотки. Обмотка, состоящая из изоляции 1 и проводников 2, покрыта мембраной 3 и пористым материалом 4, при этом к проводникам 2 подключен положительный полюс 5 внешнего источника постоянного 25 напряжения (на схеме не приведен), а отрицательный полюс – к пористому материалу 4.

«Электротехнический способ пропитки и сушки изоляции обмоток ЭМ (ЭМ)» заключается в пропускании электрического тока через обмотку [22], параллельно которой подключают набор конденсаторов и осуществляют одновременную пропитку и сушку обмотки, пропуская через нее переменный электрический ток промышленной частоты в режиме резонанса токов. Между витками обмотки при этом возникают пондеромоторные силы, приводящие к поперечной микровибрации витков, обеспечивающей эффективное заполнение воздушных и водных образований пропиточным составом между витками обмотки. Повышенная величина тока в обмотках при резонансе токов (в 3-8 раз выше по сравнению с номинальным током катушек в рабочем режиме ЭМ) эффективно и равномерно по всему объему нагревает обмотку ЭМ в соответствии с технологией температурного и временного режима обработки катушек индуктивности для каждого типоразмера.

«Установка для сушки изоляции обмоток ЭМ» [59], изображенная на рисунке 2.7, использует для сушки изоляции нагретый воздух.

Установка для сушки изоляции действует следующим образом. В камеру сушки изоляции 1 (рисунок 2.7) помещается ТЭМ 5. Включается кнопка питания 16, ток подается в электродвигатель 8 вентилятора 7, и по силовым проводам включаются нагревательные элементы 11. Из вентилятора 7 воздух поступает в камеру для нагрева воздуха 9, нагревается до нужной температуры, затем через патрубок 10 поступает в камеру сушки изоляции 1 и осуществляет сушку изоляции ТЭМ 5 и выходит через патрубок 4. ТЭМ 5 оснащена датчиком измерения сопротивления изоляции 6. Вся установка управляется с панели управления 12, на которой имеются «Термодат» 13.

Рисунок 2.7. Установка для сушки изоляции обмоток ЭМ «Устройство для сушки обмоток ЭМ» позволяет произвести сушку изоляции ЭМ без демонтажа [126], использовать для нагрева воздуха газ, что значительно дешевле по сравнению с использованием электрической энергии, и обеспечить своевременное отключение системы нагрева и подачи воздуха в корпус ЭМ.

Сущность устройства поясняется рисунком 2.8.

Устройство состоит из корпуса ТЭМ 1(рисунок 2.8) с вентиляционными каналами 6, системы нагрева и подачи воздуха, системы контроля за изменением сопротивления в обмотке ТЭМ 1. Система нагрева и подачи воздуха состоит из камеры для нагрева воздуха, газовой горелки 12, газового баллона 20, электрического пьезозажигателя 13, предохранительного термостата 14, решетки 10, гибкой трубы 9 с насадкой 5, вентилятором 15 с электродвигателем 16. На выходе из корпуса ТЭМ 1 устанавливается патрубок 8 с угольным фильтром 7. Система контроля за измерением сопротивления в обмотке ТЭМ 1 включает датчики сопротивления 2, датчики температуры 4, установленные на насадке 5 гибкой трубы 9, силовые провода 17 и блок управления 19 с жидкокристаллическим дисплеем и кнопкой пуска 18. В блоке управления установлен прибор, отключающий подачу газа и подачу воздуха в корпус ТЭМ 1. «Система нагрева и подачи воздуха » и «система контроля за изменением сопротивления в обмотке 3» монтируются на тележке 22 со стояночным тормозом 23.

«Трехцикловой амплитудно-широтно-прерывный способ сушки изоляции ЭМ и аппаратов локомотивов» включает принудительную продувку их воздушным потоком до нагрева и после нагрева [113], тепловой нагрев, контроль за рабочей температурой и состоянием изоляции, сушку при этом осуществляют тремя циклами. В первом цикле Тц1 (рисунок 2.9) поверхностные слои изоляции сушат воздушным потоком, нагретым до предельно допустимой температуре для данного класса изоляции. Для класса изоляции В – 130°С, для F – 155°С, для Н – 180°С.

Эта температура устанавливается в конце рабочего периода первого цикла и регулируется в осциллирующем режиме до конца рабочего периода третьего цикла Тц3.

Рисунок 2.9. Трехцикловой амплитудно-широтно-прерывный способ сушки Представленные способы и устройства используют токовый и конвективный методы сушки и капсулирования изоляции.

Нами был предложен «Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых ЭМ» (рисунок 2.10) [134].

Способ осуществляется путем нанесения компаунда методом окунания изоляции лобовой части обмотки 1 (рисунок 2.10) ТЭМ при помощи периодического погружения сегмента изоляции лобовой части вращающейся тяговой электрической машины в емкость с компаундом 3.

Одновременно пропитанная компаундом изоляция лобовой части обмотки вращающейся ТЭМ нагревается при помощи ИК-излучателей 4, расположенных в ИК-облучателе 5 по периметру средней окружности лобовой обмотки ТЭМ. Применение данного способа позволяет повысить качества капсулирования изоляции лобовой части обмоток ТЭМ, сокращение энергозатрат и времени на технологический процесс.

Различные реализации и совершенствования данного способа будут описаны в следующем разделе данной главы.

Рисунок 2.10. Схема локального способа герметизации компаундом изоляции Из выше сказанного можно сделать вывод, что современные методы и средства восстановления изоляции ЭМ ТПС, применяющиеся на сети ОАО «РЖД» являются малоэффективными, энерго-, материало- и времязатратными.

2.2 Анализ процесса капсулирования изоляции ЭМ ТПС тепловым С целью повышения надёжности и продления ресурса ЭМ ТПС кафедрой «Электроподвижной состав» Иркутского государственного университета путей сообщения совместно со специалистами ВСЖД – филиал ОАО «РЖД» была предложена теория, технология и техника капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей с открытыми головками секций ТЭД тепловым (ИК) излучением, впервые представленная в работе Е.М. Лыткиной [79]. В данной работе предлагался новый ресурсосберегающий локальный метод и средства капсулирования в осциллирующем режиме пропиточными ЭИМ изоляции лобовых частей обмоток ТЭД с открытыми головками секций с использованием управляемого электромагнитного излучения ИК диапазона, с целью обеспечения высокой термо- и влагостойкости, стабильной теплопроводности и повышения срока службы изоляции.

Конструктивная схема для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря при осциллирующем ИКэнергоподводе [77], предлагаемая в работе, показана на рисунок 2.11.

Рисунок 2.11. Конструктивная схема для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря при осциллирующем ИКэнергоподводе:

1 – якорь; 2 – передвижной сменный распылитель-облучатель; 3 – шкаф управления; 4 – клиноременная передача; 5 – муфта; 6 – опорные резиновые ролики; 7 – задняя букса; 8 – асинхронный трехфазный двигатель В данной схеме, в отличие от локального способа герметизации [134], якорь на установке располагался лобовой частью обмотки вверх, с целью учета гравитационной силы и защиты ИК-излучателей от попадания на них пропиточного материала. По предложенной схеме установка состоит из двух основных узлов. Первым узлом является станина с пристроенным частотнорегулируемым асинхронным электродвигателем с редуктором. Она предназначена для размещения, фиксации и обеспечения плавного вращательного движения якоря 1 в широком диапазоне скоростей c установленной мощностью 2,2 кВт.

Второй узел – это передвижной сменный распылитель-облучатель 2. Он состоит из девяти импульсных керамических преобразователей излучения с установленной мощностью 4,5 кВт и девяти автоматических пневматических распылителей высокого давления. Размещение и фиксация якоря на станине осуществляются при помощи приводно-опорного и опорных резиновых роликов и задней буксы 7.

Частотно-регулируемый привод предназначен для придания плавного вращательного движения якорю ТЭД в широком диапазоне скоростей. Он состоит: из магнитного пускателя и преобразователя частоты (они расположены в шкафу управления 3); асинхронного трехфазного короткозамкнутого двигателя 8;

клиноременной передачи 4. Резиновые ролики соединены с асинхронным двигателем с помощью муфты 5.

В работе было показано, что в результате применения локального нагрева ИК-излучением в пропитанной ЭИМ изоляции лобовой части обмотки якоря происходит капсулирование, значительно повышаются надежность и защита ТЭД от действия внешних факторов.

На базе локомотиво-ремонтного депо Нижнеудинск была реализована опытно-производственная установка по капсулированию изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД [132] (рисунок 2.12).

В отличие от предложенной конструктивной схемы реальный прототип не имел автоматических пневматических распылителей ЭИМ [69, 70].

Рисунок 2.12. Опытно-производственная установка для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД при 1 – якорь; 2 – передвижной сменный облучатель; 3 – шкаф управления;

4 – клиноременная передача; 5 – муфта; 6 – опорные резиновые ролики; 7 – задняя Эксперименты на данной установке проводились на якорях ТЭД типа НБэлектровозов серии ВЛ85, успешно эксплуатируемых на Восточно-Сибирской дороге без дальнейших отказов, связанных с их изоляцией. В настоящее время эта установка, прошедшая модернизацию, находится в лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» ФГБОУ ВПО ИрГУПС, и более подробно о ней будет рассказано в 4 главе.

Главным недостатком данной установки является возможность капсулирования изоляции лишь лобовых частей обмоток якорей ТЭД.

На основании данной установки были предложены новые технические решения по использованию ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции элементов ТЭМ электровозов и изготовлены несколько реальных прототипов, о которых подробнее далее.

С целью осуществления капсулирования изоляции активной и лобовой части обмоток якоря ТЭД электровоза было предложено устройство для реализации селективного (выборочного) способа капсулирования [81], представленное на рисунок 2.13.

Отличие данного устройства от предыдущей установки заключается в возможности капсулирования изоляции не только лобовой, но и активной части обмотки якоря ТЭД.

Рисунок 2.13. Устройство для реализации селективного способа капсулирования изоляции активной и лобовой части обмоток якоря ТЭД ИК-излучением:

1 – якорь ТЭД; 2 – ИК-излучатели активной части якоря; 3 – ИК-излучатели Селективность обеспечивается ИК–нагревом только изоляции обмоток и отсутствием бесполезного нагрева остальных частей ТЭД, как при конвективном методе капсулирования изоляции. Нагрев осуществляется двумя группами ИКизлучателей: активной 2 и лобовой 3 частей (рисунок 2.13).

Мелкие массовые элементы ЭМ ТПС или другого электрического оборудования электровоза (пальцы щеткодержателей, различные катушки аппаратов защиты и т.д.), которые необходимо пропитывать в ЭИМ, также возможно сушить/капсулировать энергией ИК-излучения. Ярким примеров этого является способ капсулирования пальцев щеткодержателей ТЭД ИК-излучением, устройство для реализации которого представлено на рисунке 2.14.

Рисунок 2.14. Устройство для капсулирования пальцев щеткодержателей ТЭД 1 – ИК-излучатель; 2 – палец щеткодержателя ТЭД Данная установка обеспечивает поочередный и равномерный нагрев ИКизлучением группы пальцев щеткодержателей ТЭД с целью их капсулирования.

Что касается капсулирования изоляции геометрически сложных элементов ЭМ ТПС, таких как обмотки магнитной системы остова ТЭД, целесообразно осуществлять процесс капсулирования комбинированным: ИК–конвективно– вакуумным способом [35, 142]. При применении комбинированного способа процесс капсулирования будет протекать значительно интенсивнее. Это объясняется тем, что такой режим обеспечивает одновременную комбинацию трех способов тепло- и массообмена: инфракрасного, конвективного и вакуумного, каждый из которых дополняет друг друга. Главной задачей при этом является установление оптимальных соотношений мощностей, подводимых к каждому из данных способов.

ИК–излучение обеспечивает интенсивность теплопередачи. Воздушный поток равномерно распределяет температуру нагрева по всей толщине слоя изоляции обмоток. Ударное действие потока воздуха обусловливает интенсивный отрыв частиц влаги от твердой фазы и вынос их за пределы зоны нагрева. Это в свою очередь является источником непрерывных возмущений в ламинарном слое, то есть турбулизации, а также уменьшает поглощение потока излучения слоем водяных паров у поверхности изоляции и в промежуточной зоне. И наконец, при такой схеме работы элемента вентиляции в зоне обработки изоляции будет создаваться отрицательное давление, сопутствующее понижению температуры и скорости нагрева изоляции без снижения интенсивности ИК-энергоподвода и влагоотдачи (вакуумный метод).

На рисунке 2.15, а представлен один из вариантов технической реализации установки ИК-конвективно-вакуумного способа капсулирования изоляции обмоток магнитной системы остова ТЭД.

Остов 1 кран-балкой помещается на платформу 3, установленную на резиновые ролики 4. После в платформу монтируется стойка 2 с инфракрасными излучателями. Стойка состоит из 12 инфракрасных излучателей мощностью Вт, форма и расположение которых выбрана с учетом геометрических особенностей обмотки остова ТЭД. Верхняя и нижняя группы излучателей имеют изогнутый в поперечном сечении вид с целью более плотного распределения ИК лучевого потока по поверхности обмоток остова. Излучатели центральной части стойки имеют плоскую форму.

Далее платформа через ведущий ролик и редуктор 5 приводится во вращение двигателем 6 мощностью 1 кВт. Подается питание на излучатели, впоследствии нагревающие обмотку остова ТЭД. Двигатель 7, также мощностью 1 кВт, и вентилятор 8 производят отсос воздуха из остова, тем самым осуществляя конвекцию, а создаваемое вентилятором разряжение воздуха в верхней части остова, обеспечивает ещё более эффективный процесс капсулирования. Схема движения воздуха при осуществлении конвекции в установке представлена на рисунке 2.15, б.

Рисунок 2.15. Устройство для реализации ИК-конвективно-вакуумного способа капсулирования изоляции обмоток магнитной системы остова ТЭД (а) и схема 1 – остов ТЭД; 2 – стойка с инфракрасными излучателями; 3 – основание;

4 – приводно-опорный и опорные резиновые ролики; 5 – редуктор; 6 – привод Технологию капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС тепловым излучением можно использовать и при ремонте АВМ ТПС.

В процессе ремонта АВМ ТПС проводят сушку и последующее капсулирование изоляции обмоток статора, которые конструктивно схожи с якорными обмотками, имея лобовую и активную части.Сушку и капсулирование изоляции обмоток статоров АВМ производят в конвективных печах типа СДО, недостатки которых были описаны ранее.

С целью капсулирования изоляции лобовых частей обмоток статоров АВМ ТПС была предложена установка [131], конструктивная схема которой представлена на рисунке 2.16.

По конструкции данная установка очень схожа с установкой, представленной ранее на рисунке 2.11.

Рисунок 2.16. Конструктивная схема установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора АВМ ТПС 1 – статор; 2 – передвижной сменный распылитель-облучатель; 3 – панель управления; 4 – клиноременная передача; 5 – муфта; 6 – опорные резиновые ролики; 7 – асинхронный трехфазный двигатель На основании данной конструктивной схемы в лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» сотрудниками кафедры ЭПС ФГБОУ ВПО ИрГУПС был создан опытно-производственный образец данной установки (рисунок 2.17) [83].

Установка состоит из двух основных частей: станины 1 (рисунок 2.17) и генератора теплового излучения 2.

Рисунок 2.17. Опытно-производственная установка для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора АВМ ТПС:

1 – станина; 2 – генератор теплового излучения; 3 – пульт управления частотнорегулируемым электроприводом; 4 – статор АВМ типа НВА-55 электровоза;

В станину встроен частотно–регулируемый асинхронный привод, осуществляющий необходимую осцилляцию процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмотки статора АВМ.

Генератор теплового излучения состоит из регулируемых облучателей (рисунок 2.18), регулирование которых осуществляется изменением угла наклона рефлекторов и длины крепления облучателя l согласно геометрическим особенностям обмотки конкретной АВМ ТПС.

Это обеспечивает возможность осуществления процесса капсулирования изоляции обмоток статоров АВМ различных серий. К примеру, на рисунке 2. слева изображен процесс капсулирования изоляции обмотки статора АВМ типа НВА-55 электровоза серии «ЕРМАК», а справа – статора АВМ типа МАК- электропоезда, причем видно, что геометрические размеры этих статоров сильно отличаются друг от друга.

Рисунок 2.18. Генератор теплового излучения установки для капсулирования В данной работе внимание будет уделено восстановлению изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» и соответствующей установки. Однако было необходимо упомянуть выше описанные конструктивные схемы и установки для иллюстрации различных вариантов возможности применения технологии капсулирования изоляции обмоток тепловым излучением при ремонте ЭМ ТПС.

капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС в процессе их ремонта на другой, хоть и более эффективный, как в нашем случае с конвективным и терморадиационным методами, невозможна. В связи с этим предлагается применять дополнительную пропитку лобовой части обмотки якоря ТЭД и последующее её капсулирование тепловым излучением после основных ремонтно-восстановительных операций, проводимых с использованием конвективных печей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Терморадиационный метод сушки и капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС является наиболее эффективным, менее энерго- и времязатратным, т.к.

имеет плотность теплового потока в разы больше в сравнении с другими методами.

2. Современные методы и средства восстановления изоляции ЭМ ТПС, применяющиеся на сети ОАО «РЖД» являются малоэффективными, энерго-, материало- и времязатратными.

3. Технологию капсулирования изоляции обмоток тепловым излучением возможно применять для любых типов ЭМ ТПС при их деповском ремонте.

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИКЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б

ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА

КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1 Анализ пространственного распределения ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б в системе «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки»

Использование ИК–нагрева в осциллирующем режиме энергоподвода с определением оптимальной скважности периода работы излучателей позволяет наиболее эффективно применять технологию капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС при их ремонте. Несмотря на большой объём работы, выполненной в этом направлении [79], не были решены задачи по выявлению рациональных режимов ИК–энергоподвода, а также влиянию спектрального состава ИКизлучателей.

Изоляция является капиллярно–пористым коллоидным телом, обладающим значительной рассеивающей способностью и характеризующаяся селективными (избирательными по длине волны) оптическими свойствами [27, 44, 75], поэтому учет спектрального состава ИК-излучателей является актуальной задачей.

С этой позиции необходимо проанализировать пространственное распределение ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД электровоза в системе «ИК-излучатель – сегмент лобовой части обмотки» (рисунок 3.1) [34].

Поток теплового излучения, испускающийся каждой элементарной площадкой dА1 поверхности ИК-излучателя, и облучающий элементарную площадку dА лобовой части обмотки якоря ТЭД согласно закону Ламберта [10, 55, 84, 150] находится по формуле 3. где M1 – энергетическая светимость от ИК-излучателя на сегмент лобовой части обмотки якоря, Вт/мм2;

d – телесный угол (рисунок 3.2) равный r – ось телесного угла d (расстояние между источником и приемником ИКизлучения), мм;

1, 2 – углы между нормалями n1, n2 и осью r.

Рисунок 3.1. Система «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки»

Рисунок 3.2. Пространственное распределение ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД С учетом формулы 3.2 закон Ламберта примет вид Вторая часть данного выражения есть взаимная поверхность излучения, показывающая эффективную часть элементарной площадки поверхности dА1 ИКизлучателя, которая излучает только на элементарную площадку поверхности dА сегмента лобовой части обмотки Зная взаимную поверхность излучения, можно определить долю излучения, ушедшую с элементарной площадки поверхности dА1 на элементарную площадку поверхности dА2, что представляет собой угловой коэффициент излучения (УКИ) Определение УКИ является трудоёмким времезатратным процессом. Основные методы по расчету УКИ будут представлены в пункте 3.3 данной главы.

Для УКИ справедливо равенство Согласно закону Стефана – Больцмана, энергетическая светимость ИКизлучателя равна где 1 – коэффициент излучения ИК-излучателя [25];

– постоянная Стефана – Больцмана (5,66 10 8 Вт/мм 2 К 4 ) ;

T1 – абсолютная температура нагрева ИК-излучателя, К.

Таким образом, формула 3.3 с учетом 3.5 и 3.6 примет вид Обратный поток теплового излучения (от лобовой части к ИК-излучателю) можно определить как где 2 – коэффициент излучения сегмента лобовой части;

T2 – абсолютная температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД, К.

Результирующий поток теплового излучения между поверхностью ИКизлучения и сегментом лобовой части обмотки якоря ТЭД определяется как По закону смещения Вина–Голицина известно, что температура нагрева ИК-излучателя и длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения при данной температуре, находятся в зависимости где max – максимальная длина волны ИК-излучателя, мм.

Также стоит отметить, что согласно закону Бугера ИК-излучение при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону [146] где М0 – энергетическая светимость ИК-излучения на входе в поглощающий слой вещества толщиной l, Вт/мм2;

k – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны электромагнитного излучения.

Известно, что капиллярно-пористые коллоидные тела, такие как пропитанная в ЭИМ изоляция обмоток ЭМ ТПС, при капсулировании ИК-излучением имеют значительные градиенты содержания смолы и растворителей (до 90% при пропитке лаками) и интенсивно прогреваются [72].

Быстрое повышение температуры пропитанной изоляции после критической точки приводит к длительному воздействию высокой температуры на изоляцию, что вызывает ухудшение её технологических свойств.

Значительный температурный градиент, направленный противоположно градиенту содержания смолы и растворителя, замедляет перемещение растворителя из внутренних слоев пропитанной изоляции к поверхности, что также отрицательно влияет на качество процесса капсулирования.

Отсюда возникает необходимость в прерывистом (осциллирующем) режиме ИК-энергоподвода, т.е. в сочетании нагрева пропитанной изоляции ИКизлучением с охлаждением её воздухом. В период облучения изоляция нагревается со значительным испарением растворителя в поверхностных слоях, а в период паузы она охлаждается в результате испарения растворителя за счет аккумулированной теплоты. Так как испарение происходит в основном в поверхностных слоях изоляции, то в период паузы температура на её поверхности резко падает и температурный градиент меняет свое направление (температура внутри пропитанной изоляции больше, чем на её поверхности). Тогда температурный градиент будет не замедлять, а ускорять подвод растворителя к поверхности изоляции, поэтому содержание растворителя в центре изоляции в период паузы уменьшается.

Следовательно, в период облучения к поверхности изоляции подводится теплота, необходимая для испарения растворителя, а в период паузы растворитель перемещается из центральных слоев к поверхностным. В этом случае нагрев изоляции незначительный (температурный градиент мал), и термодиффузия не препятствует перемещению растворителя.

Осциллирующий режим ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС характеризуется периодом осцилляции ОСЦ, частотой повторения fП=1/T, скважностью q периода работы ИК-излучателей [72] где Н – продолжительность периода облучения (нагрева сегмента лобовой части обмотки ИК-излучателем), мин.

где П – продолжительность периода паузы (охлаждения сегмента лобовой части обмотки), мин.

Скважность q периода работы ИК-излучателей на опытно-производственной установке задается изменением расстояния между ИК-излучателями, а также изменением их количества на генераторе теплового излучения.

Ещё одним важным параметром при задании осциллирующего режима является время цикла, то есть полное время, затрачиваемое на процесс капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС где NИК – количество ИК-излучателей, установленных на генераторе теплового излучения, Nоб – количество оборотов якоря ТЭД на установке за Ц, мин.

Также следует отметить и показатель цикличности где NОСЦ – количество периодов осцилляции;

Ц – полное время цикла, в нашем случае процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Задание оптимальной скважности периода работы ИК-излучателей определяется величиной коэффициента диффузии растворителя пропитанной изоляции где Dо – константа, связанная с диффузионными свойствами полимеров;

Е – энергия активации процесса диффузии, Дж/моль;

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/мольК);

Т – температура нагрева пропитанной изоляции обмотки, К.

Чем меньше коэффициент диффузии растворителя, тем должен быть больше период паузы.

На величину коэффициента D заметное влияние оказывает температура, что обусловлено прежде всего изменениями, которые претерпевает энергия связи растворителя со смолянистой основой пропитанной изоляции.

В работе предшественников был проанализирован осциллирующий ИКэнергоподвод применительно к технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС [79] и получена формула по выявлению эффективной скважности периода работы излучателей где Тосц – установившееся значение температуры нагрева лобовой части обмотки якоря ТЭД при осциллирующем режиме ИК-энергоподводе (рисунок 3.3);

Тнепрерыв – установившееся значение температуры нагрева лобовой части обмотки якоря ТЭД при непрерывном режиме ИК-энергоподводе;

ТН – постоянная времени нагрева пропитанной изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД.

Рисунок 3.3. График осциллирующего режима ИК-энергоподвода в технологии Спектральный состав излучения и пропиточный материал играют важную роль в отношении электрической прочности и цементирующей способности изоляции [8]. С этой позиции при определении эффективной скважности периода работы ИК-излучателей в осциллирующем режиме ИК-энергоподвода необходимо учитывать и спектральный состав излучателей.

При непрерывном ИК-энергоподводе максимальная температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД согласно 3.10 определяется как В данном случае можно написать, что Т2 = Tнепрерыв.

Подставляя 3.19 в 3.18 получим следующее выражение для определения температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД при осциллирующем ИК-энергоподводе Зависимость температуры нагрева ИК-излучателя от максимума его длины волны представлена законом Вина–Голицына (3.11). С учетом этого, а также с учетом формулы скважности 3.13 выражение 3.20 примет окончательный вид Выражение 3.21 представляет собой математическую модель спектральноосциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции ЭМ ТПС, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала, тем самым повышая эффективность процесса капсулирования и, соответственно, качество восстановления изоляции. Согласно данному выражению можно определить температуру нагрева пропитанной изоляции сегмента лобовой части обмотки ЭМ ТПС в зависимости от выбранной скважности осцилляции, типа пропиточного состава и типа ИКизлучателя (в зависимости от длины волны).

3.2 Теоретическое обоснование использования метода конечных элементов при моделировании режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов Экспериментальные исследования процесса капсулирования пропитанной лаком или компаундом изоляции на лабораторных и производственных установках с генераторами теплового излучения указали на возможность выбора математической модели полученной на основании анализа дифференциального уравнения энергетического баланса, при составлении которого делается целый ряд допущений. Такой подход был сделан в диссертационных работах Лебедева П.Д. и Худоногова А.М., намного позднее Лыткиной Е.М. [67, 139, 79].

Применительно к решению задачи использования теплового излучения для восстановления изоляции ЭМ ТПС в осциллирующих режимах ИК-энергоподвода использование этих математических моделей связано с риском значительных расхождений между результатами теоретических и экспериментальных исследований. В настоящей работе продолжены работы по математическому моделированию процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС, а именно рациональных режимов ИК-энергоподвода, но с использованием другого более эффективного метода конечных элементов (МКЭ), учитывающего особенности теплообмена ИК-излучением, а также взаимное расположение ИК-излучателя и сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД.

Разнообразные физические процессы, одним из которых является и процесс капсулирование изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б, можно описывать с помощью дифференциальных уравнений различного порядка с начальными и граничными условиями, называемыми условиями энергетического сопряжения исследуемого объекта с внешней средой [7, 94, 107].

Среди численных методов решения этих дифференциальных уравнений МКЭ является наиболее эффективным и универсальным [19, 40, 107]. Метод привлекает, прежде всего, способностью решения задач сложного трехкомпонентного теплообмена при капсулировании изоляции обмоток ЭМ ТПС: терморадиационного, конвективного и кондуктивного (термоконтакт), а также учетом взаимного расположения ИК-излучателя и сегмента лобовой части (УКИ).

Главным преимуществом метода является возможность разбиения на конечные элементы области любой формы – от простых до более сложных. Таким образом, появляется возможность расчета температурных полей соответствующих реальным, при капсулировании изоляции обмоток ЭМ ТПС на опытнопроизводственных установках с учетом их конструктивных особенностей [144].

Основными этапами применения МКЭ являются [90, 107, 119]:

1) дискретизация задачи, т.е. представление области определения в виде совокупности конечных элементов, взаимосвязанных в узловых точках. При этом границы внешних элементов аппроксимируют в совокупности границу области в целом;

2) получение матриц и векторов нагрузки элементов;

3) формирование глобальных матриц и глобального вектора нагрузки для всей области определения;

4) решение системы уравнений для узловых значений;

5) расчет любой другой функции, зависящей от узловых неизвестных.

Первый этап конечно-элементной процедуры состоит в разбиении области, занятой телом, на элементы.

Дискретизация области включает в себя: выбор формы элементов, задание их размеров и тем самым их количества, нумерацию элементов и узлов. При этом элементы, аппроксимирующие область в целом, могут быть разными как по форме (например, треугольными и четырехугольными), так и по размерам. Наличие геометрически однотипных элементов, но с разным количеством узлов, в принципе, допустимо, но в практике использования МКЭ не встречается, так как их описание требует использования существенно разных вычислительных процедур, – проще многоузловой элемент представить набором элементов с меньшим числом узлов. Это приведет к некоторому увеличению числа элементов, но зато процедура их математического описания будет единообразной, что упрощает ее машинную реализацию.

Размерность элемента определяется, очевидно, размерностью аппроксимируемой их совокупностью области определения задачи. Для соответствия элемента физической модели исследуемого объекта одномерный элемент может иметь поперечное сечение, площадь которого необязательно постоянна по длине элемента, а двумерный элемент – единичную толщину.

Элементы одной и той же формы и размерности могут быть линейными, так называемые симплекс-элементы, и нелинейными – квадратичными, кубическими и т.д.

Далее непосредственно рассмотрим МКЭ применительно к решению дифференциальных уравнений, описывающих процесс капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС тепловым излучением.

Область V сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД дискретизирована на Е элементов произвольной формы с произвольным r количеством узлов. При этом заданы мощности объемных и поверхностных источников тепла (ИК-излучатель), а также теплофизические свойства материала сегмента, коэффициенты конвективного и терморадиационного (излучения) теплообмена со средой заданной температуры.

Общее стационарное квазигармоническое уравнение [107, 108, 110], описывающее поведение неизвестной физической величины (в нашем случае температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря), может быть записано как где Т (x, y, z) – температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б, находящегося под ИК-излучателем, К;

kxx, kyy, kzz – коэффициенты анизотропной теплопроводности излучателя, пропиточного материала, проводника обмотки якоря, Вт/ммК;

Q – объёмный источник тепла (ИК-излучатель), Вт/мм3.

Физические условия данной задачи и исследуемой области требуют определенных граничных условий где ТИК – температура нагрева ИК-излучателя, К на S2, где lx, ly, lz – направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности;

q – удельный поток теплового излучения, Вт/мм2;

a – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/мм2 оС;

Т – температура окружающей среды (воздуха в лаборатории), К;

QR,i – внешняя е и внутренняя i составляющие терморадиационной компоe ненты теплообмена излучением, Вт/мм2.

Объединение S1 и S2 образует полную границу.

В задачах теплопроводности граничные условия подразделяют на:

1) первого рода (известна температура каждой точки поверхности в каждый момент времени) Данная функция при этом может быть задана константой.

2) второго рода (известен тепловой поток в каждой точке поверхности в каждый момент времени) 3) третьего рода (известны коэффициенты теплоотдачи) где аК, аР – конвективная и терморадиационная составляющие.

4) четвертого рода (контактные) (происходит теплообмен на границе раздела двух сред).

На основании МКЭ решение уравнения 3.22 с граничными условиями 3.23 и 3.24 эквивалентно отысканию минимума функционала Минимизация функционала 3.28 осуществляется на множестве узловых значений {T}.

В процессе решения вводятся две матрицы g – матрица дифференцирования;

где D – матрица, описывающая свойства теплопроводности материалов (излучателя, пропиточного материала и проводника обмотки якоря).

С учетом этого, 3.28 перепишется как Так как функции от Т не являются непрерывными во всей области, вместо них вводится в рассмотрение функции Т, определенные на отдельных элементах, что дает где Е – общее число элементов.

Последнее соотношение можно записать как где Минимизация требует выполнения соотношения Частные производные /{T} не могут быть определены, пока интегралы в 3.32 не будут выражены через узловые значения {T}.

Запишем выражение для {ge} где B – матрица, содержащая информацию, связанную с производными от функций формы (базисных функций) где Исходя из этого, вклад отдельного элемента e/{T} в общую сумму в /{T} равен где В матричном виде данное выражение можно записать как где Первый и второй члены выражения 3.41 называются объемная kV и поe верхностная k S части сокращенной (учитывающей только узлы, принадлежащие элементу) матрицы теплопроводности, а выражения 3.42 – сокращенные объемe e ный fV и поверхностный f S вектора тепловой нагрузки.

Окончательная система уравнений получается после подстановки выражения 3.39 в 3. где Данное выражение является решением уравнения 3.22 в стационарной постановке.

При введении в задачу зависимости от времени с целью определения температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря на определенной минуте процесса капсулирования в правой части дифференциального уравнения 3.22 появится отличная от нуля временная производная и уравнение становится нестационарным где где С – объёмная изобарическая теплоемкость излучателя, пропиточного материала и проводника обмотки якоря, Дж/кгК;

– удельная плотность материалов, кг/мм3.

При решении данное уравнение должно быть дополнено следующими начальными условиями В итоге, согласно МКЭ, решение 3.44 будет выглядеть как где [С] – глобальная матрица теплоемкости сe – матрица теплоемкости, определяемая интегралом где Физический смысл данной матрицы – уменьшение изменения определяемой температуры. Этим матрица характеризует инерционные свойства элемента и объекта (сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД) в целом.

В процессе капсулирования нагрев сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД осуществляется ИК-излучением, с этой позиции далее более подробно рассмотрим терморадиационную компоненту уравнения 3.24.

При решении задач теплообмена излучением с использованием МКЭ неизвестным искомым параметром является поле температур на поверхности лобовой части обмотки якоря.

Граничными условиями в данном случае являются температура поверхности ИК-излучателя, начальная температура тел (излучателя и обмотки) и самоизлучение от одной поверхности излучателя на поверхность сегментов лобовой части обмотки и с внешней средой.

Теплообмен излучением с окружающей средой внешних элементов в диффузно-сером приближении можно описать выражением [107] – постоянная Стефана-Больцмана (5,67-10-8 Вт/мм2К4);

где ie – коэффициент излучения ИК-излучателя;

TSi – среднеповерхностная температура ИК-излучателя, К;

T –температура окружающей среды, К;

e – номер внешней «терморадиационной» поверхности элемента.

Терморадиационный теплообмен между поверхностью ИК-излучателя (1) и сегментом лобовой части (2) (внутренний теплообмен) описывается более сложной формулой, основанной на зональном методе расчета лучистого теплообмена в замкнутой системе изотермических поверхностей in – коэффициент излучения ИК-излучателя;

где im – коэффициент излучения сегмента лобовой части (пропиточного материала);

Fnm – средний угловой коэффициент излучения между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки;

Tn,m – соответственно температуры нагрева ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД, К.

Так как элемент имеет несколько поверхностей, то одни из них могут участвовать во внешнем (е), а другие – во внутреннем (i) терморадиационном теплообмене.

Поэтому поверхностная часть вектора нагрузки для одного и того же элемента будет иметь в общем случае две терморадиационные компоненты – внешнюю Здесь индексы при S классифицируют поверхности терморадиационного элемента по их принадлежности к внешней и внутренней границе элемента соответственно. Вектор-столбцы базисных функций будут содержать только те из них, которые принадлежат узлам поверхности. После индексации по строкам обе компоненты вносятся в глобальный вектор нагрузки на k-м шаге.

Согласно изложенному способу учета терморадиационной компоненты сложного теплообмена, неизвестные узловые значения температур в четвертой степени не появляются в системе определяющих уравнений, и она остается линейной.

При необходимости повышения точности результатов расчета необходимо:

а) в формулах 3.52-3.53 заменить среднеповерхностные температуры TS(k-1) на найденные на k -м шаге температуры TS(k);

б) полученные новые значения внешней и внутренней компонент терморадиационного теплообмена включить в глобальный вектор нагрузки;

в) заново решить систему уравнений. Эту процедуру уточнения результатов на k -м шаге можно повторять до тех пор, пока их различие не станет меньше наперед заданной величины Т.

Включать терморадиационную компоненту теплообмена в матрицу теплопроводности нельзя в принципе, так как последняя умножается на вектор-столбец температур в первой степени, а терморадиационная компонента даст векторстолбец температур в четвертой степени. Это означает, что в определяющей системе уравнений должен появиться нелинейный терморадиационный член, и в записи для элемента она будет иметь вид re – терморадиационная матрица.

где Формирование этой матрицы зависит от представления температуры, входящей в граничное условие и четвертой степени, в виде полинома:

б) нелинейного где е – номер «терморадиационной» внешней поверхности элемента.

В первом случае терморадиационная матрица r и вектор нагрузки f элемента будут описываться формулой По описанным выше правилам из терморадиационных матриц элементов формируется глобальная терморадиационная матрица, а терморадиационный вектор нагрузки непосредственно включается в глобальный вектор F.

При использовании нелинейного полинома (3.59) процедура получения расчетных формул для терморадиационной матрицы осложняется, но переход при интегрировании к L–координатам существенно облегчает задачу. Однако, в этом случае не удается получить числовую терморадиационную матрицу, ее члены содержат отношение температур в узлах элемента (в первой и во второй степени).

Поэтому решение системы уравнений (3.56) приходится искать на каждом k–м шаге методом последовательного приближения. Если при этом учесть, что сама система уравнений нелинейная, и для ее решения вместо метода Гаусса нужно переходить к более сложному методу, например, Ньютона-Рафсона, то становится оправданным учет терморадиационной компоненты теплообмена описанным выше способом, не требующим введения терморадиационной матрицы и перехода к нелинейной системе уравнений. Аргументом в пользу изложенного способа является и многократно возрастающая сложность учета внутренней компоненты терморадиационного теплообмена при попытке введения в рассмотрение терморадиационной матрицы.

3.3 Моделирование режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» с использованием метода конечных элементов в программном комплексе «MSC Patran-Marc»

Конечно-элементное моделирование является основным методом при выполнении инженерного анализа моделей с использованием компьютера [109].

Корпорация «MSC SoftWare» является лидирующей в разработке программного обеспечения и предоставления услуг для инженерного анализа [151].

Для моделирования технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» использовались такие программные комплексы как:

1) «MSC Patran» – пре- и постпроцессор для конечно-элементного анализа, полнофункциональный программный комплекс для подготовки расчетных моделей, анализа и визуализации результатов расчета. Данный продукт использовался для подготовки модели (процесса капсулирования) к проведению анализа [152].