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

2) «MSC Marc» – конечно-элементный программный пакет для решения задач в полной нелинейной постановке. Этот комплекс использовался непосредственно для решения задачи теплообмена излучением в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

3) «MSC SindaRad» – специализированный решатель теплового излучения в составе пакета Sinda. В диссертационной работе данный продукт использовался для расчета УКИ и его визуализации.

Процесс моделирования режимов ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» в программном комплексе «MSC Patran/Marc» можно разделить на следующие этапы:

1) создание 3D модели;

2) разбиение модели на конечно элементную сетку;

3) предание конечным элементам свойств реальных материалов;

4) задание граничных условий и нагрузок;

5) анализ (решение);

6) графическая визуализация решения.

При первых попытках смоделировать процесс капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» выяснилось, что это сложная задача. Сложность обусловливалась отсутствием литературы и примеров по моделированию и решению задач в данном программном комплексе схожих с нашей задачею. С этой позиции моделирование осуществлялось постепенно, с переходом от простых моделей, к более сложным (идентичным реальным).

Первым этапом в моделировании процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС является создание геометрической 3D модели ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД. В данной работе 3D моделирование проводилось в программном комплексе «Компас-3D V13» (рисунок 3.4). Расстояние между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря ТЭД для данного примера было задано 60 см.

Рисунок 3.4. Создание 3D модели ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД в программном комплексе «Компас-3D V13»:

Далее импортируем данную 3D модель в программный комплекс «MSCPatran» (рисунок 3.5) [152], предварительно выбрав в нем решатель тепловых задач «MSC Marc».

Следующим шагом является разбиение модели на конечно-элементную сетку (рисунок 3.6). С целью экономии времени при создании конечноэлементной сетки, в качестве типа конечного элемента был выбран тетраэдр, который используется при автоматическом разбиении. Чем больше количество элементов при разбиении сетки, тем точнее расчет.

Рисунок 3.6. Создание конечно-элементной сетки После этого, задаем параметры объектов (теплоёмкость, теплопроводность и плотность): ИК-излучателю придаем свойства керамики, а сегменту лобовой части - пропиточного лака марки ФЛ-98.

Большинство задач анализа заключаются в определении отклика созданной модели на некоторые воздействия, такие как сила, давление или тепловое излучение как в случае капсулирования изоляции. Эти воздействия называются нагрузками [109].

Следующим этапом является задание нагрузок, действующих на данную модель.

В самом первом и простом варианте модели в качестве нагрузки использовалось лишь температура нагрева ИК-излучателя (700 оС) и задание излучения между ИКизлучателем и сегментом лобовой части обмотки (рисунок 3.7).

Финальным этапом является анализ (расчет), созданной модели. В самом первом варианте моделирования в параметрах анализа был задан расчет в установившемся режиме, что соответствует непрерывному режиму ИКэнергоподвода.

1 – температура нагрева ИК-излучателя (700 оС), 2 – излучение Одним из важных параметров, который определяется при расчете, является УКИ моделей.

Программный комплекс «MSC Marc» при расчете УКИ использует следующие основные методы по их нахождению [151]:

1) метод прямой адаптивной интеграции;

2) метод Монте-Карло;

3) точечный метод полу-куба.

Суть метода прямой адаптивной интеграции заключается в вычислении интегралов между каждой парой элементарных площадок поверхностей Ai и Aj (рисунок 3.8) по формуле 3.5.

Количество излучаемого потока теплового излучения, передаваемого между двумя поверхностями, будет зависеть от того, какая часть излучения от каждой поверхности падает на другую поверхность. Как показано на рисунке 3.8, излучение, распространяющееся от поверхности Аi на поверхность Aj, будет равно где qij –поток теплового излучения между поверхностью Ai и Aj, Вт;

М – энергетическая светимость, Вт/мм2;

Аi, Aj – площади поверхностей, мм2;

r – расстояние между поверхностями, мм;

Fij – УКИ между поверхностями Аi и Aj.

Рисунок 3.8. Определение УКИ между двумя поверхностями Так как УКИ имеет исключительно геометрический характер, справедливо равенство Уравнение теплообмена излучением в данном случае имеет вид где G –поток теплового излучения в обратном направлении.

Для G может быть сформировано два независимых друг от друга выражения:

а) падающее излучение на поверхность должно быть равно излучению, испускаемому всеми другими поверхностями, которые облучают эту поверхность где N – число поверхностей, участвующих в вычислениях;

б) другое выражение для G где Eni – мощность излучения, Вт, i –коэффициент излучения, – коэффициент отражения.

Подставляя уравнение (3.67) в уравнение (3.64), после перестановки слагаемых получаем Подставляя данное уравнение в уравнение (3.65), получаем основное уравнение для задач теплового излучения диффузно-серого тела Для задач теплового излучения черного тела, то есть при i = 1, данное уравнение примет вид Из уравнения видно, что чистый тепловой поток излучения от черной поверхности представляет собой разницу между испущенным излучением и полученным, то есть отражение в данном случае отсутствует. Поток теплового излучения с поверхности A1 на A2, вычисляется как где ij – углы между нормалями ni, nj и осью r (рисунок 3.8).

В уравнении (3.71) первым слагаемым в скобках является проекция A1 нормали к соединительной линии, а второй член – телесный угол, под которым видна поверхность A2 от центра поверхности A1.

УКИ в данном случае определяется как Подставляем уравнение (3.72) в (3.70) При расчете данным методом происходит разбиении площадей излучаемых поверхностей на фасетные поверхности. Чем сложнее геометрия (как в нашем случае с ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря ТЭД), тем больше фасетных поверхностей и, соответственно, сложнее расчеты (рисунок 3.9).

Формула по нахождению УКИ с учетом рисунка 3.9 имеет вид где dA1a и dA1б – соответственно площади элементарных площадок фасетной поверхностности, мм2;

dF12 – средний угловой коэффициент излучения поверхности 1 на поверхность 2 (рисунок 3.9);

dF1а2а, dF1а2а, dF1а2а, и dF1а2а – соответственно угловые коэффициенты излучения элементарных площадок фасетной поверхностной сетки 1 и 2.

Рисунок 3.9. Построение фасетных поверхностей Идея метода Монте-Карло заключается в задаче случайного испускания ИК-лучей от одной поверхности А1 к другой поверхности А2 [76, 151]. Доля лучей, которые попали на поверхность А2, складывается в форм-факторе между ними.

Метод Монте-Карло вычисляет N форм-факторов одновременно, обеспечивая линейное масштабирование. На самом деле, чем больше число поверхностей, тем быстрее форм-факторы вычисляются по сравнению с методом прямой адаптивной интеграции. Следовательно, в «MSC Marc» этот метод принят для расчетов УКИ по умолчанию.

Некоторые из особенностей расчета УКИ в «MSC Marc» с использованием метода Монте-Карло:

– нет необходимости указания блокирующих элементов геометрии модели.

Это происходит автоматически и полностью встраивается в алгоритм решения.

Это особенно полезно в трехмерном анализе (как в нашем случае), так как при сложной геометрии нецелесообразно предсказывать, что одни поверхности заслоняют другие.

– трудоёмкость расчета почти линейно пропорционально количеству элементов. Это означает, что при обширных задачах трудоёмкость существенно не возрастёт.

– сумма УКИ всегда равна 1.

– возможность моделирования эффекта экранирования (за счет двух поверхностей, скрытых друг от друга за другими поверхностями).

Для поверхностей, участвующих в вычислениях, должны соблюдаться следующие требования:

1) поверхность должна иметь возможность испускать ИК-лучи случайным образом. Направление луча должно быть задано в соответствии с косинусом угла между лучом и нормалью к поверхности, проведенной из начала луча, что обусловит рост выбросов ИК-лучей по нормали к поверхности. Источник ИК-луча должен быть случайным образом распределен по площади поверхности (рисунок 3.10);

2) учитывая происхождение, направление и длину луча, поверхность должна автоматически определять есть ли пересечение с данным лучом, и если есть, то рассчитывать его длину в точке пересечения.

Рисунок 3.10. Распределение ИК-лучей в методе Монте-Карло:

Определение УКИ в методе Монте-Карло предполагает рассмотрение нескольких свойств, таких как скорость распространения ИК-лучей, точность из попадания на поверхность, затенение, прозрачность, поглощение, неоднородное излучение, взаиморасположение поверхностей в пространстве. В связи с перечисленными выше свойствами подход Монте-Карло адаптирован в сочетание с алгоритмами трассировки ИК-лучей и бокс алгоритмом.

На рисунке 3.11 изображено образование тени 4, что по существу представляет собой вычисление падающего излучения путем трассировки ИК-луча 3 от источника излучения 1 до точки падения ИК-луча на облучаемую поверхность 5.

Эти ИК-лучи (теневые) не отражаются и не преломляются. Тени образуются, когда путь ИК-лучей от источника излучения до облучаемой поверхности частично или полностью преграждается другим объектом. Преломление и отражение излучения от самих источников не вычисляется.

Наконец, для вычисления УКИ нет необходимости проверять пересечения лучей, падающих от всех рассматриваемых объектов. Такой способ будет требовать чрезмерно больших вычислительных затрат и исключает возможность трехмерного анализа в моделях со сложной геометрией. С этой позиции используется более эффективный метод для быстрого вычисления пересечений.

Рисунок 3.11. Образование тени в процессе трассировки ИК-лучей:

1 – источник излучения, 2 – геометрическое препятствие; 3 – ИК-лучи;

Этот метод вычисления пересечений основан на разбиении объектов на простейшие геометрические фигуры. Вычисляемая информация необходима для исключения расчёта большинства пересечений. Данный метод требует, чтобы каждый разделяемый объект имел ограничительную рамку, которая полностью окружала бы его.

При этом создается бинарное дерево ограничивающих рамок. Таким образом, ограничительная рамка вычисляется для всех объектов, которые затем разделяются по координате наибольшего размера ограничивающей рамки. Далее этот список делят на две группы, каждая из которых имеет равное число объектов.

Процесс повторяется рекурсивно до тех пор, пока каждый набор не будет содержать не более чем максимально заданное число объектов. Процесс рекурсивного разбиения некой расчетной модели изображен на рисунках 3.12–3.13.

Рисунок 3.12. Исходный вид некой расчетной модели Пересечения луча определяют путём поиска в бинарном дереве ограничивающих окон, которые включают в себя определение того, попадает ли луч в ограничивающую все объекты рамку. Если пересечений с одной ограничительной рамкой не найдено, то рассматривается следующая рамка. В случае если пересечение существует, каждый объект в узле пересекается с лучом. В противном случае, ограничительные рамки обоих поддеревьев пересекаются, и в первую очередь проводится поиск в ближайшем поддереве. Процесс продолжается до тех пор, пока не будут рассмотрены все лучи.

Рисунок 3.13. Процесс рекурсивного разбиения модели Наиболее быстрым и точным в расчетах УКИ является точечный метод полу-куба. Данный метод является модификацией метода сферы единичного радиуса, предложенного Нуссельтом [154]. Рассмотрим сначала его.

Если над элементарной площадкой dA1 (рисунок 3.14) построить полу-сферу единичного радиуса [41], то УКИ между dA1 и некоторой поверхностью А2, согласно уравнению (3.5), будет равен Рисунок 3.14. Геометрическая схема для определения УКИ методом сферы единичного радиуса Заметим, что d1 – проекция dА2 на поверхность полусферы, так как где r – радиус единичной полусферы. С учетом этого, УКИ рассчитывается как Однако dAS cos1 – проекция dAs на основание полусферы. Следовательно, интегрирование cos1 dAS дает проекцию Аb поверхности AS на основании полусферы, или Главный недостаток данного метода – большие затруднения при проецировании поверхности А2 на полусферу. С этой целью, а также для увеличения скорости расчета УКИ, в методе полу-куба сфера заменяется на куб (рисунок 3.15), для участков граней 1 которого заранее определены УКИ.

Рисунок 3.15. Геометрическая схема для определения УКИ методом 1 – участок грани полу-куба; 2 – участок грани полу-куба, участвующий в расчете УКИ При проецировании поверхности А2 на поверхность куба, находится сумма всех УКИ участков граней полу-куба 2, на которых попадает проекция поверхности А2, хотя при этом для сложной геометрии теряется качество расчета. Сумма этих УКИ дает угловой коэффициент всей поверхности.

Чтобы сохранить точность, нужно выбрать подходящую размерность коробки полу-куба, и поскольку пространство теперь является смещённым, равномерно распределенная точечная сетка приведет к погрешностям. Чтобы преодолеть эту проблему, используется метод полу-плоскости с неравномерно распределенными точками, вес каждой из которых одинаков (рисунок 3.16).

Основной алгоритм программы расчета УКИ по данному методу выглядит следующим образом:

а) считывание файла, созданного программой при анализе, содержащего геометрию модели.

б) излучения поверхности, охватывает контролируемый пользователем угол (для осесимметричной геометрии).

в) в 3D происходит разбиение четырехугольных поверхностей на треугольные;

г) создание карты неоднородных точек и соотношение их с определенным весом;

д) преобразование координат в локальной системе;

е) цикл по приемной поверхности, линии в 2-D, треугольники в 3-D.

ж) в 2-D происходит проецирование линий на линии, а в 3-D – треугольников на плоскости.

з) определение точек (количество и расположение).

и) суммирование веса точек.

к) расчет УКИ этой поверхности.

Когда присутствуют плоскости симметрии, принимающие поверхности удваиваются для каждой из них. Для циклической симметрии принимающие поверхности удваиваются в n раз.

При расчете этот метод не гарантирует симметричной матрицы теплообмена излучением, потому что все составляющие данной матрицы рассчитываются отдельно и независимо друг от друга на основе вышеописанного алгоритма. Существует возможность сделать матрицу симметричной. Для больших моделей это может занять много времени. Метод основан на итерационном усреднении и нормализации столбцов матрицы, и для больших задач требуется большого объема памяти ПК или места на диске.

Метод полу-куба используется и при расчете УКИ в специализированном решателе «MSC SindaRad» [153]. Этот решатель позволяет не только рассчитывать УКИ, но и визуализировать результаты расчетов (рисунок 3.17).

Рисунок 3.17. Визуализация расчета УКИ в системе «ИК-излучатель – сегмент лобовой части обмотке в решатели «MSC SindaRad»:

а – Крупная конечно-элементная сетка, б – мелкая конечно-элементная сетка С этой позиции, а также в связи с относительной простотой 3D моделей (ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря), данный метод использовался и в работе в процессе моделирования режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

После определения УКИ в «MSC Marc» рассчитываются неизвестные температурные поля (в нашем случае это температура нагрева сегмента лобовой части ИКизлучателем). Далее результаты передаются в «Patran»и визуализируются на экране (рисунок 3.18). Размерность температурных шкал представленных на всех дальнейших рисунках с конечно-элементными моделями – оС.

Рисунок 3.18. Визуализация расчета температурных полей при моделировании Из рисунка видно, что температура нагрева верхней части сегмента лобовой части в установившемся режиме достигает 400 оС, хотя на практике при непрерывном ИК-энергоподводе она равна примерно 300 оС. Такие расхождения очевидны, так как в первой модели было не учтено много факторов, таких как поглощение тепла медной обмоткой, свободная конвекция, излучение сегментов лобовых частей между собой. В дальнейшем каждая новая составленная модель учитывала новый фактор.

Следующий этап – моделирование осциллирующего режима ИКэнергоподвода, который является неустановившимся переходным процессом при анализе в «MSC Marc».

Осциллирующий режим ИК-энергоподвода был смоделирован заданием значений температуры нагрева ИК-излучателя по функции от времени согласно рисунку 3.19.

Рисунок 3.19. Задание температуры нагрева ИК-излучателя при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода На рисунке 3.20 представлен график зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части обмотки от времени процесса капсулирования.

Рисунок 3. 20. График зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части от времени при осциллирующем режиме ИК-энергоподвода Следующий этап моделирования заключался в исследовании зависимости температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря от его расстояния до ИК-излучателя. Моделирование проводилось для трех расстояний: 20 см, 30 см и 40 см. (рисунки 3.21 – 3.23).

Рисунок 3.21. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода (расстояние между ИК-излучателем Рисунок 3.22. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода (расстояние между ИК-излучателем Рисунок 3.23. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода (расстоянии между ИК-излучателем Из рисунков видно, что изменение расстояния между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря существенно снижает температуру нагрева этого сегмента.

Далее был смоделирован осциллирующий режим ИК-энергоподвода при нагреве сегмента лобовой части обмотки якоря от двух ИК-излучателей (как на реальной установке, рисунок 3.24).

Рисунок 3.24. Задание температуры нагрева двух ИК-излучателей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода Визуализация решения по данному этапу моделирования представлена на рисунке 3.25.

Рисунок 3.25. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве от двух излучателей (на 4 с.) Следующим шагом было включение в модель еще нескольких сегментов для учета их взаимоизлучения (рисунок 3.26).

Рисунок 3.26. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве двух излучателей и трех Рисунок 3.27. ИК-излучатель и сегменты лобовой части обмотки расчетного времени целесообразно остановиться на рассмотрении трех сегментов так, как при расчете 6 сегментов вместо 3 время, затрачиваемое на расчет, увеличивается почти вдвое.

Рисунок 3.28. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве излучателем шести При этом стоит отметить, что так, как система является не замкнутой (отсутствует возможность отражения ИК-излучения от других элементов кроме самих сегментов), замена 6 сегментов на 3 не повлияет на результат расчета.

Последним этапом было моделирование осциллирующего режима с учетом свободной конвекции и поглощения тепла медной обмотки якоря ТЭД.

Для этого, во-первых, помимо излучения в качестве нагрузки задавалась свободная конвекция сегментов лобовой части обмотки якоря. Во-вторых, сегмент лобовой части в 3D геометрии был представлен как совокупность двух контактируемых тел (рисунок 3.29), каждому из которых были заданы соответствующие свойства (1 телу свойства лака с изоляцией, а второму – меди).

Между данными телами задавался термо-контакт, который и учитывал поглощение части тепла медной обмоткой. Помимо этого, температура нагрева ИК-излучателя задавалась согласно реальной кривой нагрева излучателя типа ECS-2 (рис.3.30), а также с учетом скважности осцилляции равной 2,4.

Рисунок 3.29. 3D модель сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД:

Визуализация результатов моделирования, учитывающего все вышеизложенные факторы, представлена на рисунке 3.31.

График зависимости температуры нагрева верхней точки лобовой части обмотки якоря ТЭД (на рисунке 3.31 выделена желтым) от времени процесса капсулирования при осциллирующем ИК-энергоподводе, учитывающий нагрев и самого ИК-излучателя, представлен на рисунке 3.32.

Рисунок 3.30. Задание температуры нагрева ИК-излучателя при осциллирующем Рисунок 3.31. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии Рисунок 3.32. График зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД от времени процесса капсулирования Сходимость полученных конечно-элементных моделей с реальными (физическими) будет рассмотрена в главе 4.

Таким образом, меняя в исходной модели различные значения параметров процесса капсулирования, о которых говорилось в данном разделе (температура нагрева ИК-излучателя, их количество, угол их поворота относительно сегментов лобовой части обмотки, расстояние от ИК-излучателя до сегмента лобовой части обмотки, осцилляцию режима ИК-энергоподвода, тип пропитывающего состава, тип изоляции и т.д.), можно избежать трудоёмких и времязатратных экспериментов при проектировании и изготовлении установок по капсулированию изоляции обмоток различных ЭМ ТПС.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Анализируя пространственное распределение ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б в системе «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки» была получена математическая модель осциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции ЭМ ТПС с учетом спектрального состава ИК-излучателей.

2. Выбор МКЭ в качестве математического моделирования обусловлен его эффективностью и универсальностью при решении задач, описывающих тепловые процессы, возникающие при капсулировании изоляции обмоток ЭМ ТПС ИКизлучением, а также учитывающий взаимное расположение ИК-излучателя и сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД.

3. При изменении параметров процесса капсулирования в полученных математических конечно-элементных моделях можно избежать трудоёмких и времязатратным экспериментов при проектировании и изготовлении установок по капсулированию изоляции обмоток различных ЭМ ТПС.

4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА

В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ

ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ

4.1 Методика экспериментальных исследований Для проведения экспериментальных исследований по ресурсосберегающим методам управления ИК-энергоподводом в процессах капсулирования изоляции, по установившейся в лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» традиции [78, 79, 117, 125], нами была продолжена методика поэтапного проведения эксперимента.

Первый этап – проведение предварительных исследований в деповских условиях на штатных установках, для сушки пропитанных лаком или компаундом элементов ЭМ ТПС с целью изучения энергозатрат на процесс и определения качества восстановления изоляции. На этом этапе тщательно проверялись теоретические предпосылки, выдвинутые научной гипотезой. Эти исследования проводились до получения необходимых результатов. Полученные результаты реализовались в технических проектах и технических условиях на разработку моделей лабораторного типа.

Второй этап – проведение экспериментальных исследований на моделях лабораторного типа, то есть на уменьшенных натурных образцах. Результаты исследований ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом в процессах капсулирования изоляции на этих установках в динамике вносили необходимые коррективы в окончательные технические условия и технические проекты и послужили исходными данными при разработке и изготовлении экспериментальных ИК-установок производственного типа. К данным лабораторным экспериментальным исследованиям относятся:

– сравнение эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС;

– определение терморадиационных характеристик изоляционных материалов;

– определение электрической прочности и твёрдости изоляционных материалов;

Третий этап – проведение экспериментальных исследований на специальных установках производственного типа. На этом этапе уточнялись оптимальные режимы процессов термообработки элементов реальной ЭМ ТПС и наиболее энергосберегающие схемы управления ИК-энергоподводом, определялись пути интенсификации технологических процессов восстановления изоляции путем использования высококачественных генераторов теплового излучения, проверялись основные технико-экономические показатели различных методов и средств управления ИК-энергоподводом. К данным исследованиям относились:

– физическое моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода с изменением спектрального состава ИК-излучателей на опытно-производственной установке по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС;

– проверка сходимости результатов математического компьютерного моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с физическим моделированием на опытно-производственной установке.

4.2 Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СДО Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо В рамках диссертационной работы были проведены исследования эффективности работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо с целью определения эффективности их работы. Исследования проводились с использованием переносного пирометра типа «ADA TemPro 1200» и переносного тепловизора марки «Irisys 4010», с помощью которых осуществлялся энергоаудит данных печей.

пирометра «ADA TemPro 1200» представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Основные технические данные пирометра «ADA TemPro 1200»

Температурное разрешение, °С Коэффициент теплового излучения 0.10…1.00 с шагом 0. Сохранение измеренного значения на дисплее есть Условия эксплуатации: температура, °С/ влаж- 0…40°С / 10-95% при Продолжение таблицы 4. последующей обработки полученных данных на персональном комРисунок 4.2. Переносной тепловизор пьютере. Тепловизор «Irisys 4010» в марки «Irisys 4010» основном применяется для проведения энергоаудита, что является немаловажным в нашем случае исследования работы печи типа СДО1.

Основные направления применения данного тепловизора:

1) обнаружение мест утечек тепла стен и других конструкций;

2) определение недостатков систем вентиляции и кондиционирования;

3) проверка работоспособность отопительных систем и выявление мест утечек тепла кровли;

4) оценка герметичности теплоизолированных конструкций (к примеру сушильных камер печей, как в нашем случае).

Основные технические данные тепловизора «Irisys 4010» представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Основные технические данные тепловизора «Irisys 4010»

Количество точек измерения (одновременно) В процессе анализа режимов работы конвективных печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо (ТЧР-22) было выявлено, что в процессе эксплуатации в печах возникают значительные непроизводственные тепловые потери [35]. Эти потери связаны, во-первых, с главным недостатком конвективного метода капсулирования используемого в данной печи – нагрева воздуха в её рабочем пространстве, который в свою очередь и осуществляет процесс капсулирования, нагревая изоляцию обмоток ЭМ ТПС. Большая часть электрической энергия затрачивается на нагрев воздуха до необходимой температуры (140 оС) и в дальнейшем на её поддержание. Нагретый воздух, в свою очередь, омывая обмотки ЭМ ТПС, нагревает изоляцию. Используя в данном случае не конвективный, а терморадиационный метод нагрева изоляции обмоток, из этапов нагрева изоляции можно исключить нагрев воздуха, так как перенос тепла в этом случае осуществляется с помощью ИК-излучения напрямую от излучателя на изоляцию обмотки, тем самым значительно сокращая теплопотери.

Во-вторых, при работе печи происходит теплозатратный нагрев её внешних стенок, происходящий из-за нагрева воздухом не только обмоток изоляции ЭМ ТПС, но и всей рабочей камеры печи; а также из-за негерметизации процесса капсулирования, вызванного не плотным закрытием дверцы печи (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3. Негерметичность рабочей камеры печи Негерметичность рабочей камеры печи, как выяснилось при исследовании, возникла в результате стекания ЭИМ (лака, компаунда) с поверхности пропитанных частей ЭМ ТПС (якорь, остов, статор) в основание тележки печи через отверстия, предназначенные для установки якорей ТЭД и дальнейшего капсулирования изоляции их обмоток (рисунок 4.4). Особенно это касается капсулирования изоляции обмоток крупногабаритных ЭМ ТПС, таких как якорь и остов ТЭД, на пропитку которых затрачивается большое количество пропиточного материала.

Рисунок 4.4. Проникновение пропиточного материала в основание печи Стальной пакет якоря или остова, пропитка которого является бессмысленной и материало-затратной (указывалось подробнее в пункте 2.1), плохо держит пропиточный материал, который впоследствии и стекал с него в основание печи, что не было предусмотрено при проектировании и изготовлении печей.

Далее, при однократной выкатке тележки пропиточный материал попадал на её колеса и затвердевал при проведении процесса капсулировании, заклинивая механизм выкатки (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5. Попадание пропиточного материала на колеса тележки печи Из-за этого работникам цеха приходилось отпирать дверцу печи кран-балкой, в результате чего и появился зазор от неплотного прилегания дверцы печи к её рабочей камере (рисунок 4.3), повлекший за собой нагрев внешних стенок печи и вызвавший этим большие тепловые и электрические потери мощности (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6. Непроизводственные тепловые потери при эксплуатации сушильной В-третьих, при конвективном методе капсулирования, помимо технологически необходимого нагрева пропитанной изоляции обмоток ЭМ ТПС с целью её капсулирования, происходит непроизводственный нагрев тех частей ЭМ, которые в нем не нуждаются. К примеру, при капсулировании изоляции обмоток магнитной системы остова ТЭД, помимо технологически необходимого нагрева пропитанной изоляции, происходит нагрев железа остова (рисунок 4.7). Этот нагрев несёт в себе значительные тепловые и электрические потери мощности.

Рисунок 4.7. Непроизводственные тепловые потери при сушки/капсулировании В случае использования терморадиационного метода капсулирования пропитанной изоляции обмоток ЭМ ТПС можно обеспечить селективность (выборность) процесса капсулирования, располагая ИК-излучатели лишь там, где необходим нагрев.

Выше сказанное добавляет еще больше отрицательных доводов об использовании конвективного метода при ремонте ЭМ ТПС к тем, что были сказаны в пункте 2.1 данной работы.

В итоге можно сделать вывод о том, что данная технология капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС конвективным методом является энергозатратной и уступает терморадиационному методу по многим показателям.

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 Эффективность терморадиационного метода капсулирования изоляции обмоток ЭМ ЭПС в сравнении c конвективным неоднократно доказывалась во многих работах, но сделано это было на уровне рабочей гипотезы и теоритических исследований [79].

Суть данных экспериментальных исследований – физическое подтверждение эффективности ИК-излучения в сравнении с конвекцией при капсулировании изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Первый этап эксперимента заключался в осуществлении процесса капсулирования образцов изоляционной ленты типа ЛЭС–0,2–20 (изоляционная лента из стеклянных крученых комплексных нитей [42, 88]), пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, конвективным и терморадиационным методами для дальнейшего их сравнения.

Данные пропиточные материалы применяются в настоящее время при деповском и заводском ремонте ТЭД типа НБ-514 в Нижнеудинском локомотиворемонтном депо и на Улан-Удэнском локомотиво-ремонтном заводе.

Капсулирование конвективным методом осуществлялось в печи типа СДО «Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо», а терморадиационным – на лабораторном стенде по физическому моделированию процесса капсулирования изоляции, находящегося в лаборатории кафедры ЭПС ИрГУПС «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС». Данный стенд был разработан в ходе выполнения диссертационной работы [80]. Общий вид стенда представлен на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8. Общий вид стенда по физическому моделированию процесса 1 – ИК-облучатель; 2 – панель измерений; 3 – прибор для определения терморадиационных свойств изоляции (TermoRad-1); 4 – пирометр (ADA);

5 – выдвижные панели с ИК-излучателями различных типов Основная часть оборудования и пускозащитная аппаратура стенда смонтированы на стеллаже 2 (рисунок 4.8). В верхней части стенда предусмотрена вытяжная вентиляция, предназначенная для удаления паров растворителей пропитанной изоляции.

В нижней части стенда находятся выдвижные панели 5 с ИК-излучателями различных типов (керамические, галогеновые и кварцевые) и мощности (250, и 1000 Вт). ИК-излучатели монтируются к закрепленному на стенде ИКоблучателю 1 при помощи специальной крепежной скобы.

Расстояние от ИК-излучателя до медной подложки регулируется при помощи подвижной алюминиевой рамы и варьируется в диапазоне от 0 см до 45 см.

На рисунке 4.9 представлен график зависимости температуры нагрева подложки от расстояния до ИК-излучателя на примере нагрева медной подложки керамическим средневолновым ИК-излучателем [28].

Рисунок 4.9. График зависимости температуры нагрева медной подложки от расстояния до ИК-излучателя Особенностью данного стенда является возможность изменения плотности излучения при помощи регулятора мощности типа NF245. График зависимости температуры нагрева медной подложки от изменения подводимой к керамическому ИК-излучателю мощности представлен на рисунке 4.10.

Данный стенд позволяет проводить следующие экспериментальные исследования:

– изучение спектральных и терморадиационных характеристик ИКизлучателей;

– физическое моделирование процесса сушки увлажненной изоляции при непрерывном ИК-энергоподводе;

– физическое моделирование процесса полимеризации пропитанной изоляции при непрерывном ИК-энергоподводе.

Рисунок 4.10. График зависимости температуры нагрева медной подложки от Следующим этапом экспериментальных исследований является сравнение под микроскопом «Olympus GX 41» (рисунок 4.11) микроструктуры закапсулированной при конвективном и терморадиационном методах изоляционной ленты, с целью оценки эффективности использования данных методов в процессе ремонта ЭМ ТПС.

Основные технические данные микроскопа «Olympus GX 41» представлены в таблице 4.3 [45].

Таблица 4.3 – Основные технические данные микроскопа «Olympus GX 41»

UIS (Universal Infinity-corrected) – скорректированОптическая система Осветитель Галогенный осветитель 6В 30Вт отраженного света Наблюдательный тубус Револьверная головка Фиксированная четырехгнездная Предметный столик Методы наблюдения Светлое поле, простая поляризация На рисунке 4.12, а представлено десятикратное увеличение ленты ЛЭС, пропитанной в лаке ФЛ-98 и закапсулированной конвективным способом в печи СДО1 Нижнеудинского локомотиворемонтного депо (ТЧР-22).

Рисунок 4.12. Десятикратное увеличение закапсулированной конвективным (а) и терморадиационным (б) методами ленты ЛЭС в лаке ФЛ-98:

Из рисунка видно, что при капсулировании конвективным методом на поверхности полимерной пленки образуются полости (микротрещины) 1, о природе возникновения которых говорилось ранее в главе 2.1 данной работы. При капсулировании терморадиационным методом (рисунок 4.12, б) данные полости отсутствуют, что подтверждает теорию об эффективности терморадиационного метода в сравнении с конвективным, выдвинутую ранее.

Аналогичные результаты видны на рисунках 4.13–4.14.

При капсулировании в конвективных печах ленты ЛЭС, пропитанной в компаундах ПК-21 и ПК-11, её поверхность, по сравнению с капсулированием ИК-излучением, также имеет дефективные полости (рисунки 4.13–4.14).

Рисунок 4.13. Десятикратное увеличение закапсулированной конвективным (а) и терморадиационным (б) методами ленты ЛЭС в компаунде ПК-11:

Рисунок 4.14. Десятикратное увеличение закапсулированной конвективным (а) и терморадиационным (б) методами ленты ЛЭС в компаунде ПК-21:

4.3.2 Результаты лабораторных исследований по определению терморадиационных характеристик новых изоляционных материалов Методика по определению терморадиационных характеристик пропитанной изоляции, разработанная сотрудниками кафедры ЭПС, впервые была представлена в работе Лыткиной [43, 78, 79]. В отличие от экспериментов, представленных в ней, в данной работе исследования будут проводиться для новых изоляционных и пропиточных материалов, применяемых в настоящее время на локомотиворемонтном заводе «Улан-Удэнский ЛВРЗ» при ремонте ТЭД типа НБ–514.

Эксперименты проводились для покровной изоляционной ленты ЛЭС–0,1–20, применяемой при изготовлении якорей ТЭД типа НБ–514 (Б). В качестве пропиточного материала использовались лак ФЛ-98 и компаунды марки Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21.

Исследования были выполнены в специализированной лаборатории кафедры ЭПС «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» на лабораторном стенде по физическому моделированию процесса капсулирования [81], о котором рассказывалось ранее (п. 4.3.1).

Образцы изоляционной ленты располагались на медной подложке на расстоянии 60 мм до ИК-излучателя, что соответствует расстоянию от сегментов лобовой части обмотки якоря до ИК-излучателей на опытно-производственной установке (рисунок 4.15). Процесс капсулирования осуществлялся при непрерывном ИКэнергоподводе и полной мощности работы излучателя.

На начальных этапах выполнении данного эксперимента было замечено, что по завершению процесса капсулирования изоляционной ленты она приклеивалась к медной подложке. Данное явление доказывает, что ИК-излучение, проникая через пропитанную изоляцию, нагревает и саму подложку, тем самым обеспечивая процесс полимеризации пропиточного материала снизу вверх, формируя при этом дополнительный микрослой из пропиточного состава на поверхности проводника обмотки.

Рисунок 4.15. Моделирование непрерывного ИК-энергоподвода на лабораторном 1 – ИК-облучатель, 2 – образцы изоляционной ленты, 3 – медная подложка Ранее [76], было доказана неэффективность использования в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС длинноволнового ИК-излучателя. С вязи с этим в экспериментальных исследованиях использовались два вида ИКизлучателей: средне- и коротковолновые.

В качестве средневолнового использовался керамический импульсный ИКизлучатель типа ECS-2 (рисунок 4.16), зарекомендовавший себя с положительной стороны с позиции надежности, повторения геометрии лобовой части обмотки якоря и импульсного принципа работы. Основные технические характеристики излучателя ECS-2 приведены в таблице 4.4 [48].

Таблица 4.4 – Основные технические характеристики средневолнового керамического импульсного излучателя типа ECS- Температура теплоотдающей поверхности (при tокр.= + 20 °С) Время разогрева поверхности до рабочей температуры 11 мин.

В качестве коротковолнового излучателя (рисунок 4.17) использовалась галогенная лампа типа J118 мощностью 0,5 кВт с напряжением питающей сети 220В и длиной 117 мм [53]. Данный ИК-излучатель является источником некогерентных коротковолновых волн.

Для определения терморадиационных характеристик использовался аналоговый прибор TermoRad-1 (рисунок 4.18).

Показания n микроамперметра прибора и плотность потока проникающего излучения связаны следующей зависимостью где К – постоянная прибора (при пользовании данной методики можно принять К=1);

Ix – плотность потока проникающего излучения.

Если коэффициент поглощения ИК-излучения А по высоте испытуемого образца не изменяется, то интенсивность проникающего излучения сквозь толщину изоляции l по закону Бугера определяется как где Io – интенсивность потока на поверхности испытуемого образца, т.е. при l = 0;

А – коэффициент поглощения излучения.

Выполнив измерения в момент облучения испытуемого образца, можно определить коэффициент поглощения [79, 103] где n1 – показания первого микроамперметра;

n2 – показания второго микроамперметра;

l – толщина слоя изоляции, м.

Коэффициент пропускания определяется по формуле Коэффициент отражения ИК-излучателей в установке присутствует измерительная панель (рисунок 4.19).

подводимого к облучателю напряжения и потребляемого им тока. Расчёт мощности производился по Рисунок 4.19. типа «ADA TemPro 1200» (рисунок 4.1).

Измерительная панель Исследования терморадиационных характеристенда по физическому стик пропитанной в ЭИМ изоляции заключались в моделированию процесса определении коэффициента пропускания сквозь нее капсулирования изоляции различного диапазона ИК-излучения [52].

Коэффициент пропускания коротковолнового ИК-излучения для изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98, определялся по следующей формуле где n1 = 120 мА и n2 = 80 мА – показания первого и второго миллиамперметра прибора TermoRad 1.

Тарировочная кривая по определению температуры нагрева сверху изоляционного материала (1) и на медной подложке (2) в зависимости от показания миллиамперметра приведена на рисунке 4.20.

Дальнейшие расчеты велись аналогичным образом, результаты сведены в таблицу 4.5.

Как видно из данных исследований коэффициент пропускания средневолнового импульсного керамического ИК-излучателя на 10-15% выше, чем у коротковолнового галогенового ИК-излучателя. Это объясняется особенностью импульсной работы керамического излучателя в узком спектре ИК-излучения, в отличие от некогерентного галогенового излучателя.

Рисунок 4.20. Зависимость температуры нагрева поверхности изоляции в зависимости от показаний миллиамперметра прибора Таблица 4.5 – Определение терморадиационных свойств изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98, Эпласт 155, ПК-21, ПК- Пропиточный материал Эпласт В результате можно сделать вывод, что наибольший коэффициент пропускания – 0,739 – имеет образец ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанный в лаке ФЛ-98 при обучении средневолновым ИК-излучателем.

4.3.3 Результаты лабораторных исследований по определению электрической Классическая методика по определению электрической прочности и твёрдости изоляции представлена в работах [17, 76, 79, 92].

Проверке на электрическую прочность и твёрдость подвергались образцы изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, закапсулированные конвективным и терморадиационным методами в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21.

Для определения электрической прочности образцов изоляции использовали аппарат АИИ-70 (рисунок 4.21) [4].

Аппарат АИИ-70 служит для измерения напряжения пробоя (Uпр), при переменном напряжении частотой 50 Гц. Он позволяет производить кратковременные испытания переменным напряжением до 50 кВ при длительности не более минуты с интервалом 5 минут. Пробой образца производится в специальном разряднике – сосуде (рисунок 4.22) ёмкостью 300-500 см2, в стенки которого вмонтированы латунные электроды, имеющие шарообразную поверхность с целью создания точечного контакта.

ним относятся, например, возникающие при пробоях различные траектории разряда. Поэтому напряжение пробоя является случайной величиной, подчиняющейся статистическим закономерностям. В связи с этим для одной пробы изоляции должно быть проведено несколько пробоев, в результате которых получают выборку пробивных Рисунок 4.21. Аппарат АИИнапряжений Uпр.

Рисунок 4.22. Сосуд с шарообразными электродами:

Для оценки математического ожидания по полученной выборке определяют среднее арифметическое значение пробивного напряжения пр по формуле [13, 14, 38, 61] где прi – значение i-го пробивного напряжения, кВ;

Вычисление среднего значения напряженности Епр производится по формуле Для оценки дисперсии пробивных напряжений определяют эмпирическую дисперсию или среднее квадратическое отклонение (СКО) отдельных пробивных напряжений от среднего арифметического значения пробивного напряжения Относительное значение среднего квадратического отклонения называется стандартом распределения или коэффициентом вариации С помощью коэффициента вариации оценивается относительное рассеяние результатов измерений.

Результаты исследований по определению электрической прочности изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20 представлены в таблицах 4.6–4.7.

Таблица 4.6 – Пробивное напряжение испытуемого образца изоляции типа ЛЭС-0,1-20 закапсулированного конвективным методом Пробивное напряжение Uпрi, кВ Среднее арифметическое значение пробивного напряжения пр, кВ Среднее значение пробивной напряженности Епр, кВ/мм Среднеквадратическое Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения пр в зависимости от типа изоляции и пропиточного материала представлена на рисунке 4.23.

Таблица 4.7 – Пробивное напряжение изоляционной ленты типа ЛЭС–0,1–20 закапсулированной терморадиационным методом Тип пропитывающего материала Пробивное напряжение Uпрi, кВ Среднее арифметическое значение пробивного напряжения пр, кВ Среднее значение пробивной напряженности Епр, кВ/мм Среднеквадратическое отклонение Коэффициент вариации v, % Рисунок 4.23. Результаты экспериментальных исследований по определению электрической прочности закапсулированной изоляции Результаты данных исследований показывают явное преимущество терморадиационного метода капсулирования над конвективным по показателям величины пробивного напряжения. Причиной пониженных показателей пробивного напряжения при использовании конвективного метода капсулирования является наличие полостей (рисунки 4.12 – 4.14), через которые и происходит электрический пробой.

ее твердость. Для определения твердости закапсулированной изоляции в работе использовался твердомер лакокрасочных покрытий Константа-ТК [99, Рисунок 4.24. Твердомер Основные технические данные твердомера Константа-ТК приведены в таблице 4.8 [100].

Таблица 4.8 – Основные технические данные твердомера Константа-ТК В ходе выполнения исследований карандаш варьируемого типа твердости перемещался под углом 45° по изоляционной ленты типа ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, с фиксированным нажимом 9,81 Н.

При повреждении поверхности изоляции карандашом его твёрдость принималась за измеренное значение твердости изоляционной ленты. В работе применялось 8 типов карандашей с твердостью 4Т, 3Т, 2Т, Т, ТМ, М, 2М и 3М. Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.25.

Рисунок 4.25. Твёрдость закапсулированной при разных методах энергоподвода По результатам исследований можно сделать вывод, что наибольшую твёрдость равную 6 баллов имеет образец закапсулированной изоляционной ленты, пропитанный в компаунде Эпласт 155.

4.4 Результаты исследований на опытно-производственной установке 4.4.1 Физическое моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с изменением Суть эксперимента заключалась в поочередном проведении процесса капсулирования изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, на опытно-производственной установке в осциллирующем режиме ИК-энергоподвода сначала только коротковолновыми ИК-излучателями, затем только средневолновыми и в конце – комбинацией этих двух видов ИК-излучателей.

Физическое моделирование осуществлялось на опытно-производственной установке по капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов, находящейся на базе лаборатории кафедры ЭПС ИрГУПС «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» (рисунок 4.26) [83, 131].

Установка состоит из двух основных частей: основания, на котором располагается якорь 1 ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии «ЕРМАК», и генератора теплового излучения 2 (рисунок 4.26). Якорь одним концом вставляется в буксу 7 и опирается на резиновые ролики 6, ведомый из которых через муфту 5 и редуктор 4 соединен с асинхронным двигателем 8. Управление работой установки осуществляется с помощью пульта 3.

Рисунок 4.26. Общий вид опытно-производственной установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов:

1 – якорь ТЭД; 2 – генератор теплового излучения; 3 – пульт управления;

4 – редуктор; 5 – муфта; 6 – опорные резиновые ролики; 7 – задняя букса;

наличие управляемого генератора теплового излучения питающегося от трёхфазной сети 380В, состоящего из шести генератора теплового излучения наклона рефлектора 1 и 2. Подробнее о данном генераторе теплового излучения будет рассказано в главе 5. Конструкция облучателей позволяет осуществлять легкую и быструю смену ИК-излучателей на другой тип с целью осуществления спектрально-осциллирующем режима ИК-энергоподвода с чередованием излучателей различного спектрального состава (рисунок 4.28) [36].

Рисунок 4.28. Осуществление спектрально-осциллирующем режима с чередованием ИК-излучателей различного спектрального состава:

1 – средневолновый ИК-излучатель; 2 – коротковолновый ИК-излучатель Пульт управления установкой содержит автоматы защиты 1 (рисунок 4.29), кнопку управления 2, автоматы 3 включения трех групп ИКизлучателей с целью осуществления трехступенчатого ИК-энергоподвода и регулятор частоты 4 типа ACS-355, осуществляющего плавное регулирование скорости вращения асинхронного двигателя Рисунок 4.29. Общий вид выбранного режима сушки / капсулирования.

пульта управления С целью демонстрации возможностей чаустановкой: стотно-регулируемого электропривода установки 1 – кнопка управления; для капсулирования изоляции на рисунке 4. 2 – преобразователь частоты; представлена частотная характеристика установавтоматы защиты ки, показывающая зависимость времени одного оборота якоря ТЭД от частоты питающего напряжения. В установке используется ременная передача и редуктор с передаточными отношениями соответственно 2,79 и 31,5.

Рисунок 4.30. Частотная характеристика установки по капсулированию Принципиальная электрическая схема установки представлена на рисунке 4.31.

На рисунке 4.31: SA1 – вводной автомат; SA2 – автомат защиты асинхронного двигателя; SA3, SA5 – автоматы включения трех групп ИК-излучателей; MP1 – магнитный пускатель АД; КМ – катушка магнитного пускателя; КУ – кнопка управления; ПЧ – преобразователь частоты; М – асинхронный двигатель.

Образцы ленты ЛЭС, пропитанные в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт-155, ПК-21 и ПК-11, размещались на лобовой части, как показано на рисунке 4.32.

После этого образцы подвергались капсулированию при трех осциллирующих режимах: при облучении только средневолновыми ИК-излучателями, только коротковолновыми и с чередованием этих двух видов излучателей в спектральноосциллирующем режиме ИК-энергоподвода (получено положительное решение на получение патента на изобретение по № заявки 2012157499/07). Каждый из режимов проводился при различных частотах вращения якоря (0,46 об/мин, 2, об/мин и 4,6 об/мин), соответствующих значениям частот питающего напряжения 5 Гц, 25 Гц и 50 Гц при работе привода установки от преобразователя частоты.

Рисунок 4.31. Принципиальная электрическая схема установки Рисунок 4.32. Размещение пропитанных в лаке ФЛ-98 (1) и компаундах Эпласт 155 (2), ПК-21 (3), ПК-11 (4) образцов ленты ЛЭС на лобовой части обмотки При капсулировании изоляции в режимах для частот меньших 5 Гц температура нагрева изоляции сегментов лобовой части обмотки ТЭД значительно превышала предельно-допустимое значение для класса «Н» изоляционной ленты ЛЭС (180оС), в связи с этим данные режимы в работе не рассматривались.

Время длительности процесса капсулирования для всех режимов устанавливалось 30 мин, в соответствии с проведенными ранее предшественниками [76] производственными исследованиями, в ходе которых для лака ФЛ-98 и компаунда ВЗТ-1 было установлено, что за 30 минут процесс капсулирования полностью завершался. Это подтверждалось соответствующими замерами ёмкости в процессе капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514 электровозов серии ВЛ85 с помощью прибора ПКВ-70.

Скважность периода работы ИК-излучателей при этом оставалась неизменной и равнялась 2,4, изменялся лишь показатель цикличности, который для режима при 5 Гц составлял 2,8 периодов в мин, для 25 Гц – 14 периодов в мин, а для 50 Гц – 28 периодов в мин.

Сопоставимость данных экспериментальных исследований обеспечивалась одинаковой дозой облучения для всех вариантов запланированных опытов с обязательным контролем напряжения, подводимого к генератору теплового излучения где P – мощность ИК-излучателя, Вт;

NИК – общее число ИК-излучателей, шт.

П – полный период облучения, с.;

S – площадь лобовой части обмотки якоря ТЭД, мм2.

С этой целью был произведен расчет дозы облучения при 30 минутной длительности процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭТ типа НБ-514Б.

В первом режиме якорь вращался при минимальной скорости 0,4 об/мин, что соответствует частоте питающего напряжения равной 5 Гц. При этом полный оборот tоб якорь совершал за 130 с. Продолжительность периода облучения лобовой части от одного ИК-излучателя за один оборот составляла п1 = 9 с., а так как всего излучателей на установке 6, полный период облучения за один оборот Полное время, затрачиваемое на процесс капсулирования, составляет tк = мин (1800 с.). Число оборотов, которые делает вращающийся якорь за tк, определяется по формуле Полный период облучения (за 30 мин) Таким образом, доза облучения при 30 минутах длительности процесса капсулирования равняется Аналогичным образом рассчитывается доза облучения для режимов при и 50 Гц. Результаты расчетов представлены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 – Результаты расчетов дозы облучения для различных режимов процесса капсулирования Режим (обороты якоря об/мин. / частота питающей сети, Гц) Полное время облучения за один оборот, Таким образом, можно сделать вывод: доза облучения при 30 минутной длительности процесса капсулирования изоляции одинакова для любых режимов с различными значениями скорости вращения якоря ТЭД на установке.

На следующем этапе данного эксперимента образцы изоляционной ленты проверялись на пробивное напряжение на аппарате АИИ-70. Результаты проверки представлены в виде гистограмм средних арифметических значений пробивного напряжения в зависимости от режимов ИК-энергоподвода и скорости вращения якоря ТЭД на установке (рисунки 4.33–4.35).

По результатам проведенных исследований определения электрической прочности изоляционной ленты ЛЭС 0,1-20 можно сделать несколько выводов:

1) средние значения пробивного напряжения изоляционной ленты закапсулированной при осциллирующем режиме в среднем выше на 10% значений пробивного напряжения ленты, закапсулированной при непрерывном ИК-энергоподводе (рисунок 4.23).

2) наибольшие показатели электрической прочности изоляционной ленты были получены при капсулировании в спектрально-осциллирующем режиме ИКэнергоподвода с чередование средне- и коротковолновых ИК-излучателей при наименьшем количестве периодов облучения (при минимальной частоте вращении якоря ТЭД 0,46 об/мин). Это объясняется несколькими факторами: вопервых, при использовании двух видов ИК-излучателей (средне- и коротковолновых) первые обеспечивают более плотное распределение тепла, а вторые – более быстрое проникновение ИК-излучения в нижние слои пропиточного материала.

Во-вторых, при скорости вращения якоря ТЭД 0,46 об/мин, соответствующей частоте питающего напряжения 5 Гц, длительность периода паузы (охлаждения) пропитанной изоляции составляет 76 секунд. В момент паузы за счет термодиффузии температура внутри пропитанной изоляции успевает полностью выровняться по всей толщине [31, 32, 33, 101]. Это способствует равномерности процесса полимеризации и более качественному его протеканию.

Рисунок 4.33. Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при осциллирующем ИК-энергоподводе с коротковолновым Рисунок 4.34. Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при осциллирующем ИК-энергоподводе со средневолновым Рисунок 4.35. Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода с чередованием средне- и коротковолнового изучения Заключительным этапом данного исследования являлась проверка твердости закапсулированных образцов изоляционной ленты ЛЭС. Результаты исследований представлены на рисунке 4.36.

Рисунок 4.36. Твёрдость закапсулированной изоляционной ленты ЛЭС По результатам можно сделать вывод, что наибольшую твёрдость имеет закапсулированная изоляционная лента, пропитанная в компаунде Эпласт 155. Также из рисунка видно, что изменение скорости вращения якоря при различных осциллирующих режимах в значительной мере не влияет на показатели твердости закапсулированной изоляции.

4.4.2 Проверка сходимости результатов математического и физического моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования В основе методики по проверке сходимости результатов математического моделирования режимов ИК-энергоподвода лежит сравнение контрольных точек тепловых полей нагрева сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б при математическом и физическом моделировании. Сравнение производилось для точек тепловых полей нагрева сегментов лобовой части сделанных при помощи тепловизора «Irisys 4010» в процессе капсулирования изоляции типа ЛЭС, пропитанной в лаке ФЛ-98, на опытно-производственной установке, а также для аналогичных точек на виртуальных конечно-элементных моделях.

При проверке сходимости были приняты следующие ограничения: 1) ИКизлучатель располагался перпендикулярно к поверхности лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б; 2) расстояние между ИК-излучателям и сегментами лобовой части обмотки составляло 60 мм; 3) процесс капсулирования осуществлялся в осциллирующем режиме при скорости вращения якоря ТЭД на установке – 0,46 об/мин (при 5 Гц частоты питающего напряжения); 4) замеры контрольных точек производились на 24 секунде, когда температура нагрева сегмента принимала установившееся значение.

Сходимость определялась по четырем выбранным точкам на поверхности сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б (рисунок 4.37).

Рисунок. 4.37. Выбор контрольных точек для проверки сходимости результатов математического и физического моделирования Выбор первой точки был обусловлен нахождением её на вершине сегмента лобовой части обмотки. Соответственно, при перпендикулярном расположении ИК-излучателя, в данной точке нагрев будет максимальным. Вторая и третья точки являлись промежуточными. В качестве четвертой была выбрана точка выхода сегмента лобовой части обмотки из паза.

Далее на соответствующей конечно-элементной модели были замерены температуры сегмента лобовой части обмотки в выбранных точках (рисунок 4.38).

После этого, были проведены пятикратные замеры температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД в контрольных точках при капсулировании изоляции на опытно-производственной установке (рисунок 4.39), результаты по данным замер представлены в таблице 4.10.

В таблице 4.11 представлены результаты сравнения температур нагрева сегментов замеренных в контрольных точках виртуальной модели с реальными значениями этих температур.

Рисунок 4.38. Замер температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки в контрольных точках на виртуальной модели Рисунок 4.39. Замер температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки в контрольных точках с помощью тепловизора Таблица 4.10 – Результаты замеров температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД в контрольных точках с помощью тепловизора Температура Среднее арифметическое значение Таблица 4.11 – Сравнение результатов замеров температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД в контрольных точках виртуальных моделей с реальными значениями в контрольных Среднее арифметическое значение температуры нагрева в контрольных точках, С Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод, что при нагреве ИКизлучением температурное распределение по поверхности лобовой части обмотки якоря ТЭД математических моделей соответствует реальному распределению.

Сходимость результатов лежит в пределах инженерной ошибки равной 3%.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Коэффициент пропускания пропитанной изоляции при облучении средневолновым импульсным керамическим излучателем на 10-15 % выше, чем при облучении коротковолновым некогерентным излучателем.

2. Получила дальнейшее развитие гипотеза о механизме транспортировки тепловым излучением пропиточного материала в глубь обмотки.

3. Электрическая прочность изоляционной ленты типа ЛЭС-0,1-20, закапсулированной терморадиационным методом при непрерывном режиме ИКэнергоподвода, на 30-35% выше, чем при использовании конвективного метода.

4. Значения пробивного напряжения изоляционной ленты закапсулированной при осциллирующем режиме в среднем выше на 10% значений пробивного напряжения ленты, закапсулированной при непрерывном ИК-энергоподводе.

5. Более высокие показатели электрической прочности изоляционной ленты ЛЭС (3,86кВ) были получены при капсулировании в спектральноосциллирующем режиме ИК-энергоподвода (с чередованием средне- и коротковолновых ИК-излучателей) при наименьшем показателе цикличности (при минимальной частоте вращении якоря ТЭД 0,46 об/мин).

6. Режим ИК-энергоподвода не влияет в значительной мере на показатель твердости закапсулированной изоляции.

7. Проверка сходимости температурных полей нагрева сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б, полученных при математическом и физическом моделировании режимов ИК-энергоподвода показала их совпадения в пределах инженерной ошибки (3%).

5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИ В ПРОИЗВОДСТВО

И ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Сотрудниками кафедры ЭПС совместно со специалистами ОАО «РЖД» а базе мини депо ИрГУПС создана проблемная учебно-научно-производственная лаборатория «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» [83], общий вид которой представлен на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Общий вид лаборатории «Эффективные методы и средства Лаборатория представляет собой комплекс лабораторных стендов и опытнопроизводственных установок по продлению ресурса ЭМ ТПС, а в частности восстановлению их изоляции.

5.1 Вариантное проектирование генераторов теплового излучения на установках по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС Генератор теплового излучения в установках по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС является одним из основных конструкционных элементов.

Именно от его конструкции зависит качество процесса капсулирования в ходе ремонта ЭМ ТПС. С этой позиции, при проектировании и изготовлении генераторов теплового облучения, должны выполняться соответствующие требования [3, 8, 95]:

1) ИК-излучатели генератора теплового излучения должны размещаться над обмотками ЭМ ТПС наиболее близко повторяя геометрию этих обмоток;

2) с целью минимизации потерь мощности при эксплуатации установки генератор должен иметь рефлекторы-отражатели, обеспечивающие должное отражение ИК-лучей, идущих от обмоток, и перенаправлять их на обмотки;

3) генератор теплового излучения должен иметь регулируемые облучатели (по длине и по углу их наклона) с целью возможности осуществления процесса капсулирования для ЭМ ТПС, отличающихся геометрическими размерами;

4) облучатели генератора должны находиться на расстоянии друг от друга для возможности осуществления осциллирующего режима ИК-энергоподвода с определённым периодом скважности работы излучателей;

5) конструкция облучателей генератора должна предусматривать использование ИК-излучателей различных диапазонов длин волн для осуществления спектрально-осциллирующего режима (с чередованием ИК-излучателей различного спектрального состава);

6) генератор должен иметь возможность осуществления регулирования мощность (в лучшем случае автоматическое), подводимой к ИК-излучателям, с целью осуществления различных температуро-зависимых режимов капсулирования;

7) во избежание недопустимого перегрева изоляции обмоток ЭМ ТПС выше предельно-допустимого для данного класса изоляции значения, генератор должен иметь возможность осуществлять контроль (в лучшем случае автоматический) температуры нагрева изоляции обмоток в ходе выполнения процесса капсулирования.

Целесообразно рассмотреть и проанализировать опыт создания и использования генераторов теплового излучения на установках по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС электровозов.

На первом варианте установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток ТЭД типа НБ-514 [79], созданной на базе «Нижнеудинского локомотиворемонтного депо» в 2009 году, в качестве генератора теплового излучения использовался штатив-излучатель 1 с тремя галогенными лампами (коротковолновыми ИК-излучателями) типа КГ общей мощностью 3 кВт (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2. Генератор теплового излучения в виде штатива-излучателя:

Главным достоинством данного генератора являлось простота в установке ИК-излучателей над лобовой частью обмотки якоря. Их треугольное расположение, хоть и не в идеале, но повторяло геометрию обмоток (рисунок 5.3).

Из основных недостатков можно отметить следующие:

– наличие лишь коротковолновых ИК-излучателей;

– очень большая скважность периода работы излучателей при осциллирующем режиме ИК-энергоподвода;

– отсутствие автоматического контроля температуры нагрева сегментов лобовой части обмотки;

– регулирование температуры возможно лишь путем изменения расстояния от излучателей до лобовой части обмотки.

Рисунок 5.3. Расположение ИК-излучателей генератора первой установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД:

1 – ИК-излучатели, 2 – сегмент лобовой части обмотки Следующий вариант генератора, предложенный в 2010 году, имел более сложную конструкцию, состоящую из 2 групп облучателей. Первая группа состояла из двух облучателей с коротковолновыми галогеновыми ИК-излучателями (рисунок 5.4), а вторая группа – из трех облучателей со средневолновыми импульсными керамическими ИК-излучателями 2, повторяющими геометрическую форму лобовой части обмотки якоря ТЭД.

Рисунок 5.4. Генератор теплового излучения второго варианта установки:

1 – коротковолновые галогеновые ИК-излучатели, 2 – средневолновые импульсные керамические ИК-излучатели Вариант генератора, предложенный в работе [79], имел девять равномерно расположенных ИК-облучателей со средневолновыми импульсными керамическими ИК-излучателями 1 и столько же автоматических распылителей 3 (рисунок 5.5), закрепленными на стальном кольце 2, повторяющим диаметр якоря ТЭД.

Рисунок 5.5. Генератор теплового излучения:

1 – ИК-облучатель, 2 – стальное кольцо, 3 – автоматические распылители Данное расположение излучателей позволяет использовать осциллирующий режим ИК-энергоподвода с равномерным значением скважности периода работы излучателей.

Последний на сегодняшний день вариант генератора, закрепленный на установке по капсулированию изоляции обмоток якорей ТЭД типа НБ-514(Б), расположенной в лаборатории кафедры ЭПС ИрГУПС «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» [83], о которой уже говорилось в главе 4, представлен на рисунке 5.6.

При проектировании и изготовлении данного варианта генератора теплового излучения в процессе выполнения диссертационной работы были учтены недостатки предыдущих вариантов.

Рисунок 5.6. Генератор теплового излучения лаборатории «Эффективные методы Генератор является универсальным в плане использования его для якорей ТЭД различных диаметров. С этой позиции генератор является управляемым.

Управление осуществляется путем регулирования облучателей по четырем параметрам: углы наклона ИК-излучателей – 1, 2 (рисунки 5.7–5.8), длина выступания ИК-излучателя l (рисунок 5.9) и высота генератора h (рисунок 5.10).

Рисунок 5.7. Регулирование угла наклона 1 ИК-излучателя Рисунок 5.8. Регулирование угла наклона 2 ИК-излучателя Рисунок 5.9. Регулирование длины l выступания ИК-излучателя Рисунок 5.10. Регулирование высоты h генератора При проведении физического моделирования режимов ИК-энергоподвода технологии капсулирования лобовых частей обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» на установки были выявлены некоторые недостатки.

Во-первых, при эксплуатации установки, а именно осуществление процесса капсулирования, отсутствовал автоматический контроль перегрева пропитанной изоляции [24]. Для изоляции обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» предельно-допустимая температура нагрева равна 160 оС (изоляция класса H). При неточной установке расстояния от лобовой части обмотки до ИК-излучателя температура нагрева верхней точки сегментов могла превышать это значение. Первоначально контроль за температурой нагрева при капсулировании изоляции осуществлялся с помощью переносного пирометра типа ADA TemPro 1200. При работе с данным пирометром трудно отследить распределение температуры нагрева сегментов лобовой части обмотки по всей их поверхности так, как он замерял лишь точечные значения, а при длительном процессе капсулирование (от 30 мин.) это трудоёмко с точки зрения человеческого фактора.

Во-вторых, на установке отсутствовала возможность реализации различных температурно-зависимых режимов капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

С целью осуществления автоматического контроля температуры нагрева изоляции лобовых частей обмоток ЭМ ТПС на генератор теплового излучения предлагается установить стационарный пирометр типа «КЕЛЬВИН-ИКС».

Инфракрасный стационарный термометр «КЕЛЬВИН-ИКС» является миниатюрным бесконтактным датчиком температуры (рисунок 5.11). Он измеряет температуру по тепловому излучению поверхности Рисунок 5.11. Пирометр прибора представлены в таблице 5.11.

паре, модулируя потребляемый ток цифровыми данными об установленной излучательной способности (рисунок 5.12), температуре прибора и температуре видимой поверхности (в формате RS232 9600 Бод). Интерфейс датчика позволяет применять его на расстоянии до 100 метров. В простейшем случае датчик может быть подключен к COM-порту обычного ПК с помощью одного резистора и блока питания 9.. 12 Вольт.

Таблица 5.1 – Технические характеристики пирометра «КЕЛЬВИН-ИКС»

Диапазон измерения температур виС димой поверхности Погрешность измерения температуры 0,5°…4°С