авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

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 ИК ЭНЕРГОПОДВОДА 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 ИК ЭНЕРГОПОДВОДА 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 ИК энергоподвода 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.......... 5.2.2 Расчет годовой экономии денежных средств при замене конвективного метода капсулирования терморадиационным методом................ 5.3.3 Расчет срока окупаемости при внедрении установки по 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 кап сулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС при различных режимах ИК энергоподвода, что исключает необходимость проведения многократных натур ных испытаний. В данном случае будет достаточно провести лишь несколько экс периментов по проверке результатов моделирования на сходимость и достовер ность.

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 отка зов среди прочего оборудования данный ТЭД занимал и до сих пор занимает пер вое место. Проблема надежности этих двигателей перешла и на электровозы се рии «ЕРМАК». По данным статистики, отказы ТЭД электровозов этой серии со ставляют 27% от общего числа всего оборудования.

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

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

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области ис следования специальности по п.2 – системы технического обслуживания, эксплу атации 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 ре монта 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. Ни колаев, 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 дру гие 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 эффек тивность 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 достиже ния 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 ра ботоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИК энергоподвода при ремонте;

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологиче ских режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в экс плуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии кап сулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с ис пользованием 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 техно логии восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы для ре шении задач, поставленных выше, использовались методы математической стати стики, методы теории тепломассообмена излучением, численные методы конеч но-элементного математического моделирования теплофизических процессов, ме тоды теории планирования эксперимента, метод оценки технико-экономической эффективности использования результатов исследований в производстве и учеб ном процессе.

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

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) получена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучате лей с оптическими свойствами пропиточного материала для повышения эффек тивности 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 изоля ции обмоток ТЭД, повышающий качество восстановления изоляции по показате лям пробивного напряжения (получено положительное решение на получение па тента на изобретение по № заявки 2012157499/07).

Достоверность научных положений и результатов диссертационной ра боты обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследова ниями. Расхождение результатов теоретических исследований с эксперименталь ными 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 экс плуатации.

Разработанная технология капсулирования изоляции обмоток ТЭД и усо вершенствованная установка, реализующая способ капсулирования изоляции ло бовых частей обмотки якоря ТЭД НБ-514Б в спектрально-осциллирующем режи ме ИК-энергоподвода, позволяют повышать качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК энергоподвода в процессе восстановления свойств изоляции ТЭД с учетом спек трального состава излучателей и оптических свойств пропиточных материалов;

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

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

Реализация результатов работы. Результаты работы, полученные авто ром, 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 ра боты докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конфе ренция студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПС «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации» (по свящённая 35-летию со дня образования ИрГУПС, Иркутск, 2010 г.);

всероссийской научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Элек тромеханического» факультета ИрГУПС «Проблемы транспорта Восточной Сиби ри» (г. Иркутск, 2011-2012 гг.);

научно-методической конференции «Проблемы и перспективы развития регионально-отраслевого университетского комплекса Ир ГУПС» (г. Иркутск, 2013 г.);

всероссийской научно-технической конференции сту дентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы – Неделя науки» (ПГУПС, г. Санкт-Петербург, 2012-2013 гг.);

всероссийской научно технической 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 «По вышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преоб разователей энергии», посвященной 110-летию со дня рождения М.Ф. Карасева и 70 летию со дня образования кафедры «Электрические машины и общая электротехни ка» ОмГУПС (г. Омск, 2013 г.);

научных семинарах кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (г. Иркутск, 2010-2013 гг.);

заседании кафедры «Электрической тя ги» ПГУПС (г. Санкт-Петербург, 2012 г.);

расширенном заседании кафедры «Элек троподвижной состав» ИрГУПС (г. Иркутск, 2013 г.);

расширенном заседании ка федры «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, реко мендованных ВАК Минобрнауки России и 1 в железнодорожном специализирован ном тематическом журнале;

получены патент РФ №2494517 на изобретение.

Личный вклад соискателя. Автору принадлежит: формулировка цели и по становка задач исследований, выполнение работ по математическому моделирова нию, проектирование и создании лабораторных и опытно-производственных уста новок, 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 «ЕРМАК»

1.1 Анализ надежности тяговых двигателей электровозов серии «ЕРМАК»

В процессе эксплуатации ТЭД подвержены постоянному воздействию ме ханических, 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 по лигона 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, применяе мые и на более старых сериях электровозов, таких как ВЛ85. Как показала прак тика, 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 неплано вый 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 количе ства часов в 3.3 раза). На 1 млн. км. пробега случаи непланового ремонта состави ли 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 се рии ВЛ85 по сети ВСЖД за 2011 год Рисунок 1.2. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов серии ВЛ85 по сети ВСЖД за 2012 год 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»

по сети ВСЖД за 2011 год Рисунок 1.4. Диаграмма отказов оборудования электровозов серии «ЕРМАК»

по сети ВСЖД за 2012 год С начала 2012 года в сравнении с 2011 годом количество заходов электрово зов серии «ЕРМАК» на неплановый ремонт резко увеличилось (таблица 1.1). Са мая 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.

Год Месяц 2011 Январь 24 Февраль 23 Март 18 1 квартал 65 Апрель 18 Май 18 Июнь 23 2 квартал 59 За 6 месяцев 124 Июль 21 Август 23 Сентябрь 21 3 квартал 65 Октябрь 27 Ноябрь 25 Декабрь 26 Всего 267 В таблице 1.2 представлены сведения по отказам электровозов по сериям.

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

Серия 2ЭС5К 2х2ЭС5К 3ЭС5К электровоза Количество 228 467 отказов Итого 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 уделяет ся 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»

Характер повреждений 2011 год 2012 год Пробой изоляции и МВЗ якоря 39 Повреждение МЯП 38 Повреждения остова ( трещина ) 14 Пробой и МВЗ обмоток ДП 14 Пробой и МВЗ обмоток ГП 12 Повреждение соединений между ГП, ДП, КО 11 Проникновение смазки в остов 10 Задир коллектора 9 Ослабление подшипникового щита. 7 Низкая изоляция якоря 6 Повреждение выводов ГП, ДП, КО 4 Ослабление ДП 4 Продолжение таблицы 1. Характер повреждений 2011 год 2012 год Биение якоря 4 Оплавление пластин коллектора 3 Выплавление петушков 3 Повреждение выводных кабелей ТЭД 3 Повреждение перемычек траверсы 3 Разрушение бандажа якоря 2 Повреждение перемычек между щёткодер 2 жателями Излом вала якоря 2 Пробой и МВЗ КО 1 Ослабление сердечника ГП 0 Заклинивание траверсы 0 Прочие повреждения 18 МВЗ – межвитковое замыкание;

МЯП – моторно-якорные подшипники;

ДП – дополнительные полюса;

ГП – главный полюс;

КО – компенсаци онная обмотка Восстановительные работы по восстановлению изоляции ТЭД типа НБ 514Б 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 изоля ционных конструкций. Принято считать, что в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены при восстановительных ремонтах изоляции. Од нако, как правило, изменения свойств изоляционных материалов носят необрати мый характер и завершаются пробоем изоляционной конструкции ЭМ ТПС [64].

Объективные процессы старения ограничивают срок службы, поэтому при разра ботке, 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 много гранная и требует комплексного решения. В этом направлении можно выделить следующие пути: совершенствование конструкции ЭМ;

модернизация действую щих ЭМ ТПС и систем их диагностики [111];

совершенствование устройств защи ты от работы в аварийных режимах;

внедрение новых методов и средств восста новления 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 Восточного полигона обращения Наиболее пагубное воздействие на изоляцию оказывает влага и теплота [57, 87]. При поглощении изоляцией влаги снижаются её объемное и особенно по верхностное сопротивления, растет угол диэлектрических потерь и несколько по вышается 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 напряжен ность 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 мо мента, как их достигнет [30, 82].

Рисунок 1.5. Образование конденсированной влаги при осуществлении вентиляции ТЭД типа НБ-514Б При этом если ТЭД снаружи находится под воздействием низких темпера тур, 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 элек тровоза 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 вла га проникает в изоляцию через открытые лобовые части обмоток, будь это якорь или статор. Активная часть обмотки укладывается в пазы и удерживается от ради ального смещения клиньями из (стекло-) текстолита, в этих местах изоляция наиболее защищена от проникновения влаги [3, 119]. В лобовых же частях обмо ток проводники не имеют подобной защиты (рисунок 1.6–1.7).

Рисунок 1.6. Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции обмоток якоря ТЭД электровоза:

1, 2 – зоны возможного проникновения влаги 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 ста тора электрической машины отказывает в 36% случаях [5].

Помимо этого, в месте выхода секции из паза сердечника, в области лобо вой 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:

1, 2 – зоны возможного проникновения влаги На рисунке 1.8 показана эпюра напряженности электрического поля в обла сти лобовой части обмотки ЭМ ТПС.

В этой зоне возникают направленные вдоль поверхности разряды. С повыше нием напряжения такие разряды могут проскакивать на большую длину, вплоть до полного перекрытия лобовой части. Начальное напряжение обеих стадий (кВ) опи сывается общей формулой Теплера, полученной эмпирическим путем 0, U Н 1,36 10 4 С уд, (1.1) Суд – удельная поверхностная емкость изоляции [Ф/см2].

где а) б) 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 ра бочего и могут повреждать изоляцию при длительной эксплуатации, а также воз можны 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 вибрацион ных нагрузках, оказываемых на ЭМ ТПС.

Вибрацию ЭМ ТПС вызывают силы механического и электрического проис хождения [148]. Эти силы делятся на действующие при изменении нагрузки, в ава рийных 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, произ водимая электромагнитными силами от токоведущих фазных проводников.

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

Вибрацию электрического происхождения вызывают электромагнитные си лы между обмотками якоря ТЭД (статора АВМ), создаваемые токами, протекаю щими 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 вве дена технология дополнительной пропитки и сушки изоляции лобовой части об мотки 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.

Причины резкого увеличе ния пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ-514, обусловленные условиями эксплуатаций электро возов ВЛ85 на участке Тайшет– Таксимо (северный ход) и низкой влагостойкостью изоляции якоря ТЭД типа НБ-514, ранее были от Рисунок 1.9. Технология дополнительной ражены в работах А.М. Худоно пропитке и сушке изоляции лобовой части гова и В.П. Смирнова [115, 116, обмотки якоря 129, 135].

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

Рисунок 1.10. Характер изменения потока пробоев изоляции якорей ТЭД типа НБ- 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 свиде тельствует о неудовлетворительном качестве современных методов и средств по восстановлению изоляции в условиях деповского ремонта, применяемых в насто ящее время на сети ОАО «РЖД», что приводит к снижению показателя межре монтного пробега до восстановительных работ в объеме деповского ремонта (ТР 3) для ТЭД типа НБ-514Б в среднем на 150 т. км. С этой позиции необходимо со вершенствовать технологию восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС на осно ве капсулирования изоляции их обмоток ИК-излучением в рациональных режи мах ИК-энергоподвода. Основываясь на выше изложенном, сформулируем зада чи, 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 «ЕР МАК»;

2) разработать конечно-элементные математические модели для оценки ра ботоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИК энергоподвода при ремонте;

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологиче ских режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в экс плуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии кап сулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с ис пользованием 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, собствен но пропитки, т.е. заполнения пор и пустот в материале и промежутков в изоляции ЭИМ;

сушки/капсулирования изоляции после пропитки в ЭИМ для удаления рас творителей и полимеризации твердой основы ЭИМ, восстанавливает физико механические свойства изоляции, продлевая ресурс ЭМ ТПС [6, 133]. Цель про питки, сушки и капсулирования изоляции – повышение диэлектрической и меха нической 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 определяет ся 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 изго товителем пропитывающего состава, а длительность его является функцией тех нологических свойств материалов, образующих систему изоляции, их массы, кон структивных характеристик обрабатываемого узла, давления, а также метода под вода 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;

– вакуумный;

– индукционный;

– токовый нагрев;

– терморадиационный (ИК–излучением).

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

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

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

Тепловая энергия, поступая с внешней поверхности изоляции, создает условия для первоочередного удаления низкомолекулярных соединений из приповерх ностных слоев. Возникающий градиент концентрации обусловливает направлен ную к поверхности концентрационную диффузию [25, 26]. Но из-за высокого температурного градиента значительной оказывается роль имеющей противопо ложное направление термодиффузии [97]. Это определяет большую длительность процесса сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС конвективным методом, а также ве роятное 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 необхо димые для полимеризации температурные условия создаются, прежде всего, на поверхности 2 пропитанной изоляции (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Дефектообразование при использовании конвективного метода сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС:

1 – лаковая пленка;

2 –пропиточный материал (лак, компаунд.);

3 – пропитанный изоляционный материал;

4 – проводник обмотки;

5 – пары растворителя;

6 – полости (микротрещины) 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 диссер тационной работы в главе 4).

Все это ведет к снижению функциональных свойств изоляции и на этапе из готовления требует дополнительной интенсификации процесса удаления низко молекулярных 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 распределе нии между отдельными частями обмоток.

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

Индукционный метод заключается в нагревании обмоточных изделий индук ционными 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 суш ки 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 высыха ния лаковой пленки. Высохшее покрытие не имеет ни вздутий, ни пор. Однако конструкция индуктора должна соответствовать конфигурации и размерам изде лий, что ограничивает распространение индукционного метода.

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

Для токового метода сушки изоляции обмоток может применяться как по стоянный, так и переменный ток промышленной частоты 50 Гц;

в обоих случаях эффект будет одинаковым. На практике наибольшее распространение для токово го 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. Ве личины 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 одно фазном, так и на трехфазном токе. При применении однофазной системы требует ся последовательное или параллельное соединение обмоток всех трех фаз узлов машин, что не всегда возможно при трехфазном токе, так как не все начала и кон цы обмоток выводятся на доску зажимов.

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

Наиболее эффективный по сравнению с другими методами является термо радиационный метод сушки (ИК-излучением), который имеет плотность теплово го потока в разы больше других [71, 104, 105, 139]. При токовом методе происхо дят 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 принципиаль но иной вид нагрева, основывающийся на поглощении изоляционными материа лами 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 средневолно вые с длиной волны 0,8-5,0 мкм, проходят расстояние от источника излучения до облучаемой поверхности почти без потерь (в зависимости от коэффициентов от ражения и поглощения ЭИМ), а основные диффузионные процессы имеют опти мальное 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;

4 – пары растворителя 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 обу словливается свойствами лакового покрытия — его отражательной способностью, зависящей от цвета и природы лака, а также свойствами основного материала из делия. Покрытия из прозрачных материалов при высоком коэффициенте отраже ния 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 со здать покрытия, обладающие высокой поглощательной способностью ИК части спектра [30].

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

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

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

Такая разница в мощностях обусловливается отличием геометрии конструк тивных элементов обмоток ТЭМ электровозов переменного (однофазно постоянного) тока и электровозов постоянного тока.

Рисунок 2.3. Конвективная электрическая печь типа СДО для сушки ТЭМ электровозов переменного тока:

1 – ТЭНы;

2 – привода вентилятора;

3 – привод дверцы печи Рисунок 2.4. Конвективная электрическая печь типа СДО для сушки ТЭМ электровозов постоянного тока:

1 – ТЭНы Геометрия обмоток ТЭМ электровозов переменного тока конструктивно зна чительно сложнее, чем у электровозов переменного тока. К примеру, на рисунке 2. слева изображен остов ТЭД электровоза переменного тока ВЛ85, а справа – электро воза 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 (справа) тока Проанализируем данную технологию сушки изоляции обмоток ТЭМ электро возов на примере Нижнеудинского локомотиво–ремонтного депо ВСЖД.

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


В печи использован конвективный метод сушки/капсулирования посред ством нагрева воздуха в рабочем пространстве печи ТЭНами 1 (рисунок 2.3), рас положенными 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 Наименование показателей Значение Установленная мощность, кВт Номинальное напряжение питающей сети, В 380/ Номинальная частота тока питающей сети, Гц Напряжение на трубчатом нагревателе (ТЭНе), В Рабочая температура, оС Максимальная температура, оС Стабильность температуры, % ± Максимальный вес загрузки, кг, не более Размеры рабочего пространства, мм Среда в рабочем пространстве Воздух с парами летучих веществ Габаритные размеры, мм Мощность привода вентилятора, кВт 0, Мощность привода дверцы печи, кВт 5, В процессе ремонта в печи производят сушку/капсулирование изоляции об моток якорей и остовов ТЭД типа НБ-514 электровозов серии ВЛ85, также её ис пользуют 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 изо ляции 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 ми нут после каждого открытия. Поэтому прерывать процесс сушки/капсулирования не рекомендуется. По технологии после сушки/капсулировании проверяется со противление 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 продол жают до получения установившегося сопротивления изоляции не ниже 3 МОм.

Из-за большого объёма ремонтных работ печь находится во включенном со стоянии 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 уче том всех её вспомогательных приводов: привода вентилятора 2 (рисунок 2.3), ко торый также работает двадцать четыре часа;

привода дверцы печи 3, осуществля ющего её автоматическое закрытие и открытие, работающий примерно час в сут ки – составляет около 2 МВтч.

Помимо выше сказанного в процессе эксплуатации печи возникают значи тельные 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. Пропит ку 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 уз лов 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 заклю чается 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 пропус кающую 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, состо ящая из изоляции 1 и проводников 2, покрыта мембраной 3 и пористым материа лом 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.

Рисунок 2. 6. Процесс сушки обмотки «Электротехнический способ пропитки и сушки изоляции обмоток ЭМ (ЭМ)» заключается в пропускании электрического тока через обмотку [22], па раллельно которой подключают набор конденсаторов и осуществляют одновре менную пропитку и сушку обмотки, пропуская через нее переменный электриче ский ток промышленной частоты в режиме резонанса токов. Между витками об мотки при этом возникают пондеромоторные силы, приводящие к поперечной микровибрации витков, обеспечивающей эффективное заполнение воздушных и водных образований пропиточным составом между витками обмотки. Повышен ная 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 темпера турного и временного режима обработки катушек индуктивности для каждого ти поразмера.

«Установка для сушки изоляции обмоток ЭМ» [59], изображенная на ри сунке 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 изоля ции ТЭМ 5 и выходит через патрубок 4. ТЭМ 5 оснащена датчиком измерения со противления 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 изоля ции ЭМ без демонтажа [126], использовать для нагрева воздуха газ, что значи тельно дешевле по сравнению с использованием электрической энергии, и обес печить 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 ка налами 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, электриче ского 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 кон троля за измерением сопротивления в обмотке ТЭМ 1 включает датчики сопро тивления 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.

Рисунок 2.8. Устройство для сушки обмоток ЭМ «Трехцикловой амплитудно-широтно-прерывный способ сушки изоляции ЭМ и аппаратов локомотивов» включает принудительную продувку их воздуш ным потоком до нагрева и после нагрева [113], тепловой нагрев, контроль за ра бочей 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 данно го 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 регу лируется в осциллирующем режиме до конца рабочего периода третьего цикла Тц3.

Рисунок 2.9. Трехцикловой амплитудно-широтно-прерывный способ сушки изоляции ЭМ и аппаратов локомотивов Представленные способы и устройства используют токовый и конвектив ный методы сушки и капсулирования изоляции.

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

Способ осуществляется путем нанесения компаунда методом окунания изо ляции лобовой части обмотки 1 (рисунок 2.10) ТЭМ при помощи периодического погружения сегмента изоляции лобовой части вращающейся тяговой электриче ской 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. При менение данного способа позволяет повысить качества капсулирования изоляции лобовой части обмоток ТЭМ, сокращение энергозатрат и времени на технологи ческий процесс.

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

Рисунок 2.10. Схема локального способа герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых ЭМ 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 излучением 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 ИК энергоподводе [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 ИК энергоподводе:

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 частотно регулируемым 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 осциллирующем ИК-энергоподводе:

1 – якорь;

2 – передвижной сменный облучатель;

3 – шкаф управления;

4 – клиноременная передача;

5 – муфта;

6 – опорные резиновые ролики;

7 – задняя букса;

8 – асинхронный трехфазный двигатель Эксперименты на данной установке проводились на якорях ТЭД типа НБ 514 электровозов 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 лобовой части якоря Селективность обеспечивается ИК–нагревом только изоляции обмоток и отсутствием бесполезного нагрева остальных частей ТЭД, как при конвективном методе капсулирования изоляции. Нагрев осуществляется двумя группами ИК излучателей: 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 ИК–излучением:

1 – ИК-излучатель;

2 – палец щеткодержателя ТЭД Данная установка обеспечивает поочередный и равномерный нагрев ИК излучением 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.

а) б) Рисунок 2.15. Устройство для реализации ИК-конвективно-вакуумного способа капсулирования изоляции обмоток магнитной системы остова ТЭД (а) и схема движения воздуха при осуществлении конвекции в установки (б):

1 – остов ТЭД;

2 – стойка с инфракрасными излучателями;

3 – основание;

4 – приводно-опорный и опорные резиновые ролики;

5 – редуктор;

6 – привод основания;

7 – привод вентилятора;

8 – вентилятор 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, представлен ной ранее на рисунке 2.11.

Рисунок 2.16. Конструктивная схема установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора АВМ ТПС при осциллирующем ИК-энергоподводе:

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 ме тоды и средства продления ресурса ЭМ ТПС» сотрудниками кафедры ЭПС ФГБОУ ВПО ИрГУПС был создан опытно-производственный образец данной установки (ри сунок 2.17) [83].

Установка состоит из двух основных частей: станины 1 (рисунок 2.17) и ге нератора 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 частотно регулируемым электроприводом;

4 – статор АВМ типа НВА-55 электровоза;

5 – статор АВМ типа МАК-160 электропоезда 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 изоляции обмоток АВМ ТПС:

1 – облучатель 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.

Также стоит отметить, что мгновенная замена одного метода 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 метода ми.

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

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

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИК ЭНЕРГОПОДВОДА 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 ре жимов ИК–энергоподвода, а также влиянию спектрального состава ИК излучателей.

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 распреде ление ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмо ток якоря ТЭД электровоза в системе «ИК-излучатель – сегмент лобовой части обмотки» (рисунок 3.1) [34].

Поток теплового излучения, испускающийся каждой элементарной площад кой 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. cos 1dA1d dq12 M 1 (3.1), где M1 – энергетическая светимость от ИК-излучателя на сегмент лобовой части обмотки якоря, Вт/мм2;

d – телесный угол (рисунок 3.2) равный cos d dA2 (3.2) r2 ;

r – ось телесного угла d (расстояние между источником и приемником ИК излучения), 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 cos 1 cos dq12 М 1 dA1 dA2. (3.3) r Вторая часть данного выражения есть взаимная поверхность излучения, по казывающая эффективную часть элементарной площадки поверхности dА1 ИК излучателя, которая излучает только на элементарную площадку поверхности dА сегмента лобовой части обмотки cos 1 cos dH 12 dA1 dA2. (3.4) r 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) cos 1 cos dH 12 dF12 dA1 dA r 2 (3.5) dA1 A1 A1 A.

Определение УКИ является трудоёмким времезатратным процессом. Ос новные методы по расчету УКИ будут представлены в пункте 3.3 данной главы.

Для УКИ справедливо равенство dF12 A1 dF21 A2. (3.6) Согласно закону Стефана – Больцмана, энергетическая светимость ИК излучателя равна М 1 1 T1, (3.7) 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 dq12 1 dF12 A1 T1.

(3.8) Обратный поток теплового излучения (от лобовой части к ИК-излучателю) можно определить как dq21 2 dF21 A2 T2, (3.9) где 2 – коэффициент излучения сегмента лобовой части;

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

Результирующий поток теплового излучения между поверхностью ИК излучения и сегментом лобовой части обмотки якоря ТЭД определяется как Q q12 q21 1 2 F12 A1 (T1 T2 ) 4 (3.10) 1 2 F21 A2 (T1 T2 ).

4 По закону смещения Вина–Голицина известно, что температура нагрева ИК-излучателя и длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения при данной температуре, находятся в зависимости m T1 2,897 10 3 мм К, (3.11) где max – максимальная длина волны ИК-излучателя, мм.

Также стоит отметить, что согласно закону Бугера ИК-излучение при про хождении через вещество убывает по экспоненциальному закону [146] M (l ) M 0 е k l, (3.12) где М0 – энергетическая светимость ИК-излучения на входе в поглощающий слой вещества толщиной l, Вт/мм2;

k – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны электромагнит ного излучения.

Известно, что капиллярно-пористые коллоидные тела, такие как пропитан ная 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 критиче ской точки приводит к длительному воздействию высокой температуры на изоля цию, что вызывает ухудшение её технологических свойств.

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

Отсюда возникает необходимость в прерывистом (осциллирующем) режиме ИК-энергоподвода, т.е. в сочетании нагрева пропитанной изоляции ИК излучением с охлаждением её воздухом. В период облучения изоляция нагревает ся со значительным испарением растворителя в поверхностных слоях, а в период паузы она охлаждается в результате испарения растворителя за счет аккумулиро ванной теплоты. Так как испарение происходит в основном в поверхностных сло ях изоляции, то в период паузы температура на её поверхности резко падает и температурный градиент меняет свое направление (температура внутри пропи танной изоляции больше, чем на её поверхности). Тогда температурный градиент будет не замедлять, а ускорять подвод растворителя к поверхности изоляции, по этому 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 изо ляции незначительный (температурный градиент мал), и термодиффузия не пре пятствует 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] ОСЦ Н q (3.13), Н fП где Н – продолжительность периода облучения (нагрева сегмента лобовой ча сти обмотки ИК-излучателем), мин.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.