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:     | 1 || 3 |

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ...»

-- [ Страница 2 ] --

Н ОСЦ П, (3.14) где П – продолжительность периода паузы (охлаждения сегмента лобовой ча сти обмотки), мин.

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

Ещё одним важным параметром при задании осциллирующего режима яв ляется время цикла, то есть полное время, затрачиваемое на процесс капсулиро вания изоляции обмоток ЭМ ТПС Ц ОСЦ N ИК N об, (3.15) где NИК – количество ИК-излучателей, установленных на генераторе теплового излучения, Nоб – количество оборотов якоря ТЭД на установке за Ц, мин.

Также следует отметить и показатель цикличности N ОСЦ NЦ, (3.16) Ц где NОСЦ – количество периодов осцилляции;

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

Задание оптимальной скважности периода работы ИК-излучателей опреде ляется величиной коэффициента диффузии растворителя пропитанной изоляции E D D0 e (3.17) RT, где Dо – константа, связанная с диффузионными свойствами полимеров;

Е – энергия активации процесса диффузии, Дж/моль;

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

Т – температура нагрева пропитанной изоляции обмотки, К.

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

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

В работе предшественников был проанализирован осциллирующий ИК энергоподвод применительно к технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС [79] и получена формула по выявлению эффективной скважности пери ода работы излучателей 1 e Н Т Н Tнепрерыв Tосц (3.18) Т.

1 е ОСЦ Н где Тосц – установившееся значение температуры нагрева лобовой части обмот ки якоря ТЭД при осциллирующем режиме ИК-энергоподводе (рисунок 3.3);

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

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

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

При непрерывном ИК-энергоподводе максимальная температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД согласно 3.10 определяется как Q T2 4 T (3.19) 1 2 F12 A1.

В данном случае можно написать, что Т2 = Tнепрерыв.

Подставляя 3.19 в 3.18 получим следующее выражение для определения температуры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД при осцилли рующем ИК-энергоподводе 1 e Н Т Н Q 4T Tосц (3.20) 1 2 F12 A1 1 е ОСЦ Т Н 1.

Зависимость температуры нагрева ИК-излучателя от максимума его длины волны представлена законом Вина–Голицына (3.11). С учетом этого, а также с учетом формулы скважности 3.13 выражение 3.20 примет окончательный вид 2,897 10 1 e q Q Tосц 4 (3.21) F A q m Н.

1 е ТН 1 2 Выражение 3.21 представляет собой математическую модель спектрально осциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоля ции ЭМ ТПС, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала, тем самым повышая эффек тивность процесса капсулирования и, соответственно, качество восстановления изоляции. Согласно данному выражению можно определить температуру нагрева пропитанной изоляции сегмента лобовой части обмотки ЭМ ТПС в зависимости от выбранной скважности осцилляции, типа пропиточного состава и типа ИК излучателя (в зависимости от длины волны).

3.2 Теоретическое обоснование использования метода конечных элементов при моделировании режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»

Экспериментальные исследования процесса капсулирования пропитанной лаком или компаундом изоляции на лабораторных и производственных установках с генераторами теплового излучения указали на возможность выбора математической модели полученной на основании анализа дифференциального уравнения энергетического баланса, при составлении которого делается целый ряд допущений. Такой подход был сделан в диссертационных работах Лебедева П.Д. и Худоногова А.М., намного позднее Лыткиной Е.М. [67, 139, 79].

Применительно к решению задачи использования теплового излучения для вос становления изоляции ЭМ ТПС в осциллирующих режимах ИК-энергоподвода использование этих математических моделей связано с риском значительных рас хождений между результатами теоретических и экспериментальных исследова ний. В настоящей работе продолжены работы по математическому моделирова нию процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС, а именно рациональ ных режимов ИК-энергоподвода, но с использованием другого более эффективно го метода конечных элементов (МКЭ), учитывающего особенности теплообмена ИК-излучением, а также взаимное расположение ИК-излучателя и сегментов ло бовой части обмотки якоря ТЭД.

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

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

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

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

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

2) получение матриц и векторов нагрузки элементов;

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

4) решение системы уравнений для узловых значений;

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

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

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

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

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

Далее непосредственно рассмотрим МКЭ применительно к решению диф ференциальных уравнений, описывающих процесс капсулирования изоляции об моток ЭМ ТПС тепловым излучением.

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

Общее стационарное квазигармоническое уравнение [107, 108, 110], описы вающее поведение неизвестной физической величины (в нашем случае темпера туры нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря), может быть записано как T T T ) (k yy ) (k zz )Q 0, (k xx (3.22) x x y y z z где Т (x, y, z) – температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б, находящегося под ИК-излучателем, К;

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

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

Физические условия данной задачи и исследуемой области требуют опреде ленных граничных условий T TИК (3.23) на S1, где ТИК – температура нагрева ИК-излучателя, К и T T T l x k yy l y k zz l z q a (T T ) QR,i e k xx (3.24) x y z на S2, где lx, ly, lz – направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности;

q – удельный поток теплового излучения, Вт/мм2;

a – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/мм2 оС;

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

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

Объединение S1 и S2 образует полную границу.

В задачах теплопроводности граничные условия подразделяют на:

1) первого рода (известна температура каждой точки поверхности в каждый момент времени) TП f ( x П, y П, z П, ), (3.25) Данная функция при этом может быть задана константой.

2) второго рода (известен тепловой поток в каждой точке поверхности в каждый момент времени) q П f ( xП, y П, z П, ), (3.26) 3) третьего рода (известны коэффициенты теплоотдачи) a aК aР, (3.27) где аК, аР – конвективная и терморадиационная составляющие.

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

На основании МКЭ решение уравнения 3.22 с граничными условиями 3.23 и 3.24 эквивалентно отысканию минимума функционала 1 2T 2T 2T e k xx k zz 2 2 Q T dV q T a (T T ) 2 Q R,i dS 0.

k yy (3.28) x y z S 2 2 V Минимизация функционала 3.28 осуществляется на множестве узловых значений {T}.

В процессе решения вводятся две матрицы T T T T g T z (3.29) x y и k xx D, k yy (3.30) k zz g – матрица дифференцирования;

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

С учетом этого, 3.28 перепишется как gT Dg 2 t Q dV q T 1 a (T T ) 2 QR,i dS 0.

e (3.31) S 2 V Так как функции от Т не являются непрерывными во всей области, вместо них e вводится в рассмотрение функции Т, определенные на отдельных элементах, что дает D g dV t Q dV T E 1e [ 2 a (T T T q e dS ) 2 QR,i ]dS 0, e e e e e e g (3.32) e 1 V e 2 Ve S1e S2e где Е – общее число элементов.

Последнее соотношение можно записать как E 1 2...... E e, (3.33) e e – вклад отдельного элемента в.

где Минимизация требует выполнения соотношения e Ee E 0 (3.34) T T e 1 T e e Частные производные /{T} не могут быть определены, пока интегралы в 3.32 не будут выражены через узловые значения {T}.

Запишем выражение для {ge} ge B e T,, (3.35) где B – матрица, содержащая информацию, связанную с производными от функ ций формы (базисных функций) T N e N e N e B e z (3.36), x y Ne – функция формы.

где Исходя из этого, вклад отдельного элемента e/{T} в общую сумму в /{T} равен e ([ B e ]T [ B e ][ D e ]){T }dV (a e [ N e ]T [ N e ]{T }dS T V e Se (3.37) q e [ N e ]T dV DS [ N e ]T dS, e Ve Se e D S – сумма вида где DS (aT Q QR,i ) e.

e e (3.38) В матричном виде данное выражение можно записать как e [k e ]{T } { f e }, (3.39) T где [k e ] kV k S, e e (3.40) { f e } f Ve f Se и kV ( B T B e D e )TdV, e Ve (3.41) k (a N N )TdS ;

e e T S Se f Ve e N T dV, Ve (3.42) f D N dS.

e e T S S Se e Первый и второй члены выражения 3.41 называются объемная kV и по e верхностная k S части сокращенной (учитывающей только узлы, принадлежащие элементу) матрицы теплопроводности, а выражения 3.42 – сокращенные объем e e ный fV и поверхностный f S вектора тепловой нагрузки.

Окончательная система уравнений получается после подстановки выраже ния 3.39 в 3. E [k e ]{T } { f e } 0, (3.43) T e или [ K ]{T } {F}, (3.44) где E E [ K ] [k e ], {F } [ f e ]. (3.45) e 1 e Данное выражение является решением уравнения 3.22 в стационарной по становке.

При введении в задачу зависимости от времени с целью определения тем пературы нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря на определенной минуте процесса капсулирования в правой части дифференциального уравнения 3.22 по явится отличная от нуля временная производная и уравнение становится нестаци онарным T T T T ) Q ) (k y ) (k z (k x (3.46), x x y y z z где C, (3.47) где С – объёмная изобарическая теплоемкость излучателя, пропиточного мате риала и проводника обмотки якоря, Дж/кгК;

– удельная плотность материалов, кг/мм3.

При решении данное уравнение должно быть дополнено следующими начальными условиями Т (x, y, z, ) = Т (x, y, z, 0) (3.48) В итоге, согласно МКЭ, решение 3.44 будет выглядеть как [C]({T }( ) / ) [ K ]{T }( ) {F} 0, (3.49) где [С] – глобальная матрица теплоемкости E [C ] [c e ], (3.50) e сe – матрица теплоемкости, определяемая интегралом где c e ( ) N T dV. (3.51) Ve Физический смысл данной матрицы – уменьшение изменения определяемой температуры. Этим матрица характеризует инерционные свойства элемента и объекта (сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД) в целом.

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

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

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

Теплообмен излучением с окружающей средой внешних элементов в диф фузно-сером приближении можно описать выражением [107], QR ( k ) Si ie ( k 1 ) TSi ( k 1 ) T e 4 (3.52) – постоянная Стефана-Больцмана (5,67-10-8 Вт/мм2К4);

где ie – коэффициент излучения ИК-излучателя;

TSi – среднеповерхностная температура ИК-излучателя, К;

T –температура окружающей среды, К;

– итерационный шаг;

k – количество шагов;

e – номер внешней «терморадиационной» поверхности элемента.

Терморадиационный теплообмен между поверхностью ИК-излучателя (1) и сегментом лобовой части (2) (внутренний теплообмен) описывается более слож ной формулой, основанной на зональном методе расчета лучистого теплообмена в замкнутой системе изотермических поверхностей E Q ( k ) in im Tm ( k 1 ) Tn4 ( k 1 ) Fnm, i en en em (3.53) R m in – коэффициент излучения ИК-излучателя;

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

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

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

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

Поэтому поверхностная часть вектора нагрузки для одного и того же элемента будет иметь в общем случае две терморадиационные компоненты – внешнюю ( f Re ) Se (QR ) e N SedS e T (3.54) Se Se и внутреннюю ( f Ri ) Si (QR ) e N SidS.

i T (3.55) Si Si Здесь индексы при S классифицируют поверхности терморадиационного элемента по их принадлежности к внешней и внутренней границе элемента соот ветственно. Вектор-столбцы базисных функций будут содержать только те из них, которые принадлежат узлам поверхности. После индексации по строкам обе ком поненты вносятся в глобальный вектор нагрузки на k-м шаге.

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

При необходимости повышения точности результатов расчета необходимо:

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

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

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

Включать терморадиационную компоненту теплообмена в матрицу тепло проводности нельзя в принципе, так как последняя умножается на вектор-столбец температур в первой степени, а терморадиационная компонента даст вектор столбец температур в четвертой степени. Это означает, что в определяющей си стеме уравнений должен появиться нелинейный терморадиационный член, и в за писи для элемента она будет иметь вид [C ]({T }( ) / ) [ K ]{T }( ) [r e ]{T 4 } {F} 0, (3.56) re – терморадиационная матрица.

где Формирование этой матрицы зависит от представления температуры, вхо дящей в граничное условие (Q R ) Se Se T 4 T e e (3.57) и четвертой степени, в виде полинома:

а) линейного (t e ) 4 N eTe4 ( NiTi 4 N jT j4 N kTk4 )e, (3.58) б) нелинейного (t e ) 4 ( NT )e ( NiTi N jT j N k Tk ) e 4 (3.59) где е – номер «терморадиационной» внешней поверхности элемента.

В первом случае терморадиационная матрица r и вектор нагрузки f элемента будут описываться формулой r S s N T NdS, e (3.60) Se f S s Tcp N T dS e (3.61) Se По описанным выше правилам из терморадиационных матриц элементов формируется глобальная терморадиационная матрица, а терморадиационный век тор нагрузки непосредственно включается в глобальный вектор F.

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

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

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

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

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

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

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

2) «MSC Marc» – конечно-элементный программный пакет для решения за дач в полной нелинейной постановке. Этот комплекс использовался непосред ственно для решения задачи теплообмена излучением в технологии капсулирова ния 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 капсули рования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов се рии «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 ло бовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» выясни лось, 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 посте пенно, с переходом от простых моделей, к более сложным (идентичным реальным).

Первым этапом в моделировании процесса капсулирования изоляции обмо ток ЭМ ТПС является создание геометрической 3D модели ИК-излучателя и сег мента лобовой части обмотки якоря ТЭД. В данной работе 3D моделирование проводилось в программном комплексе «Компас-3D V13» (рисунок 3.4). Расстоя ние 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»:

1 – ИК-излучатель, 2 – сегмент лобовой части Далее импортируем данную 3D модель в программный комплекс «MSC Patran» (рисунок 3.5) [152], предварительно выбрав в нем решатель тепловых за дач «MSC Marc».

Рисунок 3.5. Импорт 3D модели в «MSC-Patran»

Следующим шагом является разбиение модели на конечно-элементную сетку (рисунок 3.6). С целью экономии времени при создании конечно элементной 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 ча сти - пропиточного лака марки ФЛ-98.

Большинство задач анализа заключаются в определении отклика созданной мо дели 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 ИК излучателем 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 ИК энергоподвода.

Рисунок 3.7. Задание нагрузок на модель:

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 следую щие 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 ин тегралов между каждой парой элементарных площадок поверхностей Ai и Aj (ри сунок 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, излуче ние, распространяющееся от поверхности Аi на поверхность Aj, будет равно cos 1 cos 2 A j qij M i Ai ( ) M i Ai Fij, (3.62) r 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 Ai Fij A j F ji (3.63).

Уравнение теплообмена излучением в данном случае имеет вид qij Ai ( M i Gi ) (3.64), 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, ис пускаемому всеми другими поверхностями, которые облучают эту поверхность N N Ai Gi M j A j F ji M j Ai Fij (3.65) j 1 j, или N Gi M j Fij (3.66) j 1, где N – число поверхностей, участвующих в вычислениях;

б) другое выражение для G M i i E ni M i i E ni Gi (3.67) i 1 i, где Eni – мощность излучения, Вт, i –коэффициент излучения, – коэффициент отражения.

Подставляя уравнение (3.67) в уравнение (3.64), после перестановки слагае мых получаем 1 i M i E ni qi (3.68) Ai i.

Подставляя данное уравнение в уравнение (3.65), получаем основное урав нение для задач теплового излучения диффузно-серого тела Ai ij (1 j ) Ai Fij q j Ai ij Ai Fij E ni (3.69) Aj j.

Для задач теплового излучения черного тела, то есть при i = 1, данное уравнение примет вид q A ij Ai Fij E ni (3.70).

j i Из уравнения видно, что чистый тепловой поток излучения от черной по верхности представляет собой разницу между испущенным излучением и полу ченным, то есть отражение в данном случае отсутствует. Поток теплового излу чения с поверхности A1 на A2, вычисляется как A j cos j q ij M i ( Ai cos i ) ( ) (3.71) r2, где ij – углы между нормалями ni, nj и осью r (рисунок 3.8).

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

УКИ в данном случае определяется как cos j cos i Fij ( ) Aj (3.72) r2, Подставляем уравнение (3.72) в (3.70) qij M i Ai Fij (3.73), При расчете данным методом происходит разбиении площадей излучаемых поверхностей на фасетные поверхности. Чем сложнее геометрия (как в нашем слу чае 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 dA1 dF12 dA1a dA1б dF12 dA1a dF1a 2 a dF1a 2 б (3.74) dA1б dF1б 2 a dF1б 2 б.....

где dA1a и dA1б – соответственно площади элементарных площадок фасетной поверхностности, мм2;

dF12 – средний угловой коэффициент излучения поверхности 1 на поверх ность 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 ли нейное 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 засло няют другие.

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

– сумма УКИ всегда равна 1.

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

Для поверхностей, участвующих в вычислениях, должны соблюдаться сле дующие 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 обусло вит 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 долж на 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:

1 – поверхность;

2 – ИК-лучи Определение УКИ в методе Монте-Карло предполагает рассмотрение не скольких свойств, таких как скорость распространения ИК-лучей, точность из по падания на поверхность, затенение, прозрачность, поглощение, неоднородное из лучение, взаиморасположение поверхностей в пространстве. В связи с перечис ленными выше свойствами подход Монте-Карло адаптирован в сочетание с алго ритмами трассировки ИК-лучей и бокс алгоритмом.

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

Эти ИК-лучи (теневые) не отражаются и не преломляются. Тени образуют ся, когда путь ИК-лучей от источника излучения до облучаемой поверхности ча стично или полностью преграждается другим объектом. Преломление и отраже ние излучения от самих источников не вычисляется.

Наконец, для вычисления УКИ нет необходимости проверять пересечения лучей, падающих от всех рассматриваемых объектов. Такой способ будет требо вать чрезмерно больших вычислительных затрат и исключает возможность трех мерного 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;

4 – тень;

5 – облучаемая поверхность 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 обра зом, ограничительная рамка вычисляется для всех объектов, которые затем разде ляются 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 содер жать 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 ограничи вающих 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 пересе чение существует, каждый объект в узле пересекается с лучом. В противном слу чае, ограничительные рамки обоих поддеревьев пересекаются, и в первую очередь проводится поиск в ближайшем поддереве. Процесс продолжается до тех пор, по ка не будут рассмотрены все лучи.

Рисунок 3.13. Процесс рекурсивного разбиения модели Наиболее быстрым и точным в расчетах УКИ является точечный метод по лу-куба. Данный метод является модификацией метода сферы единичного радиу са, 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, со гласно уравнению (3.5), будет равен cos 2 dA2 cos 1 cos 1d dF12 (3.75) A2 A s.

Рисунок 3.14. Геометрическая схема для определения УКИ методом сферы еди ничного радиуса Заметим, что d1 – проекция dА2 на поверхность полусферы, так как cos 2 dA dAS d1 dAS (3.76) r2 s2, где r – радиус единичной полусферы. С учетом этого, УКИ рассчитывается как cos 1dAS dF12 (3.77) AS.

Однако dAS cos1 – проекция dAs на основание полусферы. Следовательно, интегрирование cos1 dAS дает проекцию Аb поверхности AS на основании полу сферы, или Ab cos 1dAS dF12 (3.78) AS.

Главный недостаток данного метода – большие затруднения при проециро вании поверхности А2 на полусферу. С этой целью, а также для увеличения скоро сти 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 полу-куба:

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 поверхно сти 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 ко робки полу-куба, и поскольку пространство теперь является смещённым, равно мерно распределенная точечная сетка приведет к погрешностям. Чтобы преодо леть эту проблему, используется метод полу-плоскости с неравномерно распреде ленными 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 – треугольни ков на плоскости.

з) определение точек (количество и расположение).

и) суммирование веса точек.

к) расчет УКИ этой поверхности.

Рисунок 3.16. Метод полу-плоскости Когда присутствуют плоскости симметрии, принимающие поверхности удваиваются для каждой из них. Для циклической симметрии принимающие по верхности удваиваются в n раз.

При расчете этот метод не гарантирует симметричной матрицы теплообме на излучением, потому что все составляющие данной матрицы рассчитываются отдельно и независимо друг от друга на основе вышеописанного алгоритма. Су ществует возможность сделать матрицу симметричной. Для больших моделей это может занять много времени. Метод основан на итерационном усреднении и нор мализации 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 рассчиты вать УКИ, но и визуализировать результаты расчетов (рисунок 3.17).

а) б) 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 исполь зовался и в работе в процессе моделирования режимов ИК-энергоподвода в про цессе капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

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

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

Следующий этап – моделирование осциллирующего режима ИК энергоподвода, 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 и сегментом лобовой части обмотки якоря – 20 см) Рисунок 3.22. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода (расстояние между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря – 30 см) Рисунок 3.23. Визуализация расчета температурных полей при моделировании осциллирующего режима ИК-энергоподвода (расстоянии между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря 40 см) 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 сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД На реальном образце установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД под ИК-излучателем помещается 6 сегментов лобовой части обмотки (рисунок 3.27).

В связи с этим был смоделирован осциллирующий режима ИК-энергоподвода при нагреве ИК-излучателем шести сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД (рисунок 3.28). На рисунке видно, что распределение Рисунок 3.27. ИК-излучатель и температуры нагрева по поверхности сегменты лобовой части обмотки сегментов почти одинаково для всех шести якоря ТЭД сегментов. Исходя их этого, в целях экономии 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 сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД 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:

1 – лак+изоляция, 2 – медный проводник 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 режиме ИК-энергоподвода 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 «ЕРМАК»

Рисунок 3.32. График зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД от времени процесса капсулирования при осциллирующем ИК-энергоподводе 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 си стеме «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки» была получена математи ческая модель осциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсули рования 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 тепло вые процессы, возникающие при капсулировании изоляции обмоток ЭМ ТПС ИК излучением, а также учитывающий взаимное расположение ИК-излучателя и сег ментов лобовой части обмотки якоря ТЭД.

3. При изменении параметров процесса капсулирования в полученных ма тематических конечно-элементных моделях можно избежать трудоёмких и время затратным экспериментов при проектировании и изготовлении установок по кап сулированию 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 «ЕРМАК»

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 ка чества восстановления изоляции. На этом этапе тщательно проверялись теорети ческие предпосылки, выдвинутые научной гипотезой. Эти исследования проводи лись до получения необходимых результатов. Полученные результаты реализова лись в технических проектах и технических условиях на разработку моделей ла бораторного типа.

Второй этап – проведение экспериментальных исследований на моделях лабораторного типа, то есть на уменьшенных натурных образцах. Результаты ис следований ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом в про цессах капсулирования изоляции на этих установках в динамике вносили необхо димые коррективы в окончательные технические условия и технические проекты и послужили исходными данными при разработке и изготовлении эксперимен тальных ИК-установок производственного типа. К данным лабораторным экспе риментальным исследованиям относятся:

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

– определение терморадиационных характеристик изоляционных материалов;

– определение электрической прочности и твёрдости изоляционных материалов;

Третий этап – проведение экспериментальных исследований на специаль ных установках производственного типа. На этом этапе уточнялись оптимальные режимы процессов термообработки элементов реальной ЭМ ТПС и наиболее энер госберегающие схемы управления ИК-энергоподводом, определялись пути интен сификации технологических процессов восстановления изоляции путем использо вания высококачественных генераторов теплового излучения, проверялись основ ные 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 модели рования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмо ток ЭМ ТПС с физическим моделированием на опытно-производственной установ ке.

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

Пирометры типа ADA TemPro (рисунок 4.1) – серия высококачествен ных пирометров [49]. Пирометр типа ADA TemPro 1200 проводит измерения температур нагрева с точностью ±1%.


Данный пирометр обладает высоким оп тическим разрешением равным 50:1.

Благодаря чему возможно измерение температуры нагрева даже мелких объ Рисунок 4.1. Переносной пирометр типа ектов на большом расстоянии.

«ADA TemPro 1200»

Основные технические данные пирометра «ADA TemPro 1200» представлены в таблице 4.1.

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

Характеристика Значение Диапазон измерений, °С -50… Оптическое разрешение, (D:S) 50:01: Точность ± 0.1°С 1000°С, Температурное разрешение, °С 1°С 1000°С Коэффициент теплового излучения 0.10…1.00 с шагом 0. Время отклика, с 0. Целеуказатель двухточечный Передача данных на ПК есть Спектральный диапазон, мкм 8… Подсветка дисплея есть Сохранение измеренного значения на дисплее есть Условия эксплуатации: температура, °С/ влаж- 0…40°С / 10-95% при ность, % 30°С Продолжение таблицы 4. Характеристика Значение Резьба под штатив есть Термопара типа К есть Диапазон измерений термопары, °С -50… Точность измерений термопары, °С ±1.5% Питание 9V (крона) Габариты, мм 204x155x Вес, г Что касается тепловизора «Irisys 4010» (рисунок 4.2), он при меняется в различных отраслях промышленности [122, 123].

Основное назначение тепло визора IRISYS бесконтактное изме рение и фиксация температуры нагрева исследуемых объектов для последующей обработки получен ных данных на персональном ком Рисунок 4.2. Переносной тепловизор пьютере. Тепловизор «Irisys 4010» в марки «Irisys 4010» основном применяется для прове дения 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 уте чек тепла кровли;

4) оценка герметичности теплоизолированных конструкций (к примеру су шильных 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»

Характеристика Значение Измеряемая температура -10…+250 °С Чувствительность 0,15°С Неохлаждаемая Тип приемника матрица 160 x Поле зрения (линза) 20° х 15° Спектральный диапазон 8.....14 мкм Память MMC/SD карты Количество точек измерения 2 точки (перемещаемые) (одновременно) 2-х кратное (цифровое), 4-х крат Увеличение ное (при использовании ПО) Батарея Li-ion Время работы 4 часа Масса 750 грамм В процессе анализа режимов работы конвективных печей типа СДО1 Ниж неудинского локомотиво-ремонтного депо (ТЧР-22) было выявлено, что в процес се эксплуатации в печах возникают значительные непроизводственные тепловые потери [35]. Эти потери связаны, во-первых, с главным недостатком конвективно го метода капсулирования используемого в данной печи – нагрева воздуха в её рабочем пространстве, который в свою очередь и осуществляет процесс капсули рования, 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 об мотки ЭМ ТПС, нагревает изоляцию. Используя в данном случае не конвектив ный, 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 кап сулирования, 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 изоля ции их обмоток (рисунок 4.4). Особенно это касается капсулирования изоляции об моток крупногабаритных ЭМ ТПС, таких как якорь и остов ТЭД, на пропитку кото рых затрачивается большое количество пропиточного материала.

Рисунок 4.4. Проникновение пропиточного материала в основание печи Стальной пакет якоря или остова, пропитка которого является бессмыслен ной 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 рабо чей камере (рисунок 4.3), повлекший за собой нагрев внешних стенок печи и вы звавший этим большие тепловые и электрические потери мощности (рисунок 4.6).

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

Рисунок 4.7. Непроизводственные тепловые потери при сушки/капсулировании остова ТЭД В случае использования терморадиационного метода капсулирования пропи танной 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 исполь зовании 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 об моток ЭМ ЭПС в сравнении c конвективным неоднократно доказывалась во мно гих работах, но сделано это было на уровне рабочей гипотезы и теоритических исследований [79].

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

Первый этап эксперимента заключался в осуществлении процесса капсули рования 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 депо вском и заводском ремонте ТЭД типа НБ-514 в Нижнеудинском локомотиво ремонтном депо и на Улан-Удэнском локомотиво-ремонтном заводе.

Капсулирование конвективным методом осуществлялось в печи типа СДО «Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо», а терморадиационным – на ла бораторном 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 капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС:

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 смонти рованы на стеллаже 2 (рисунок 4.8). В верхней части стенда предусмотрена вы тяжная вентиляция, предназначенная для удаления паров растворителей пропи танной 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 ИК облучателю 1 при помощи специальной крепежной скобы.

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

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

Рисунок 4.9. График зависимости температуры нагрева медной подложки от рас стояния 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 керамическо му ИК-излучателю мощности представлен на рисунке 4.10.


Данный стенд позволяет проводить следующие экспериментальные иссле дования:

– изучение спектральных и терморадиационных характеристик ИК излучателей;

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

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

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

Рисунок 4.11. Микроскопом «Olympus GX 41»

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

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

Показатель Значение UIS (Universal Infinity-corrected) – скорректирован Оптическая система ная на бесконечность Осветитель Галогенный осветитель 6В 30Вт отраженного света Вертикальное перемещение револьверной головки для крепления объективов (столик фиксирован). Ру Фокусировка коятки грубой и точной настройки. Шаг точной фо кусировки 1,2 мкм Бинокуляр с переменным углом наклона 30°-60° с возможностью регулировки межзрачкового рассто яния, Наблюдательный тубус Бинокуляр с углом наклона 45°, Тринокуляр с углом наклона 45°.

Видимое поле изображения F.N. Револьверная головка Фиксированная четырехгнездная Несъемный прямоугольный столик 160х250 мм.

Предметный столик Диапазон смещения: x=120мм, y=78мм Методы наблюдения Светлое поле, простая поляризация Скорректированные на бесконечность Объективы MPlanАchromat 10х, 40x, 50х Окуляры 10х с полем зрения FN 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).

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

1 – полости (микротрещины) Из рисунка видно, что при капсулировании конвективным методом на по верхности полимерной пленки образуются полости (микротрещины) 1, о природе возникновения которых говорилось ранее в главе 2.1 данной работы. При капсу лировании терморадиационным методом (рисунок 4.12, б) данные полости отсут ствуют, 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).

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

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

1 – полости (микротрещины) 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 локомотиво ремонтном 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 лаборатор ном стенде по физическому моделированию процесса капсулирования [81], о кото ром рассказывалось ранее (п. 4.3.1).

Образцы изоляционной ленты располагались на медной подложке на расстоя нии 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 ИК энергоподводе 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 дополни тельный микрослой из пропиточного состава на поверхности проводника обмотки.

Рисунок 4.15. Моделирование непрерывного ИК-энергоподвода на лабораторном стенде:

1 – ИК-облучатель, 2 – образцы изоляционной ленты, 3 – медная подложка Ранее [76], было доказана неэффективность использования в технологии кап сулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС длинноволнового ИК-излучателя. С вязи с этим в экспериментальных исследованиях использовались два вида ИК излучателей: средне- и коротковолновые.

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

Рисунок 4.16. Средневолновый излучатель Таблица 4.4 – Основные технические характеристики средневолнового ке рамического импульсного излучателя типа ECS- Показатель Значение Тип Инфракрасный Мощность 500 Вт Размеры 122 x 60 х 42 мм Рекомендуемая дальность излучения 100-200 мм Температура теплоотдающей поверхности 730 °С (при tокр.= + 20 °С) Длина волны 2,9 мкм Время разогрева поверхности до рабочей температуры 11 мин.

В качестве коротковолнового излучателя (рисунок 4.17) использовалась га логенная лампа типа J118 мощностью 0,5 кВт с напряжением питающей сети 220 240 В и длиной 117 мм [53]. Данный ИК-излучатель является источником некоге рентных коротковолновых волн.

Рисунок 4.17. Коротковолновый излучатель Для определения терморадиационных характеристик использовался анало говый прибор TermoRad-1 (рисунок 4.18).

Показания n микроамперметра прибора и плотность потока проникающего излучения связаны следующей зависимостью n K Iх, (4.1) где К – постоянная прибора (при пользовании данной методики можно принять К=1);

Ix – плотность потока проникающего излучения.

Рисунок 4.18. Прибор TermoRad- 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 I x I o e Al, (4.2) 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] 2,3g n1 n А, (4.3) l где n1 – показания первого микроамперметра;

n2 – показания второго микроамперметра;

l – толщина слоя изоляции, м.

Коэффициент пропускания определяется по формуле k П n2 n1. (4.4) Коэффициент отражения R 1 (A k П ). (4.5) Для измерений электрических параметров ИК-излучателей в установке присутствует измери тельная панель (рисунок 4.19).

С помощью панели производились замеры подводимого к облучателю напряжения и потребля емого им тока. Расчёт мощности производился по известной в электротехнике формуле.

Температура процесса капсулирования кон тролировалась при помощи лазерного пирометра Рисунок 4.19. типа «ADA TemPro 1200» (рисунок 4.1).

Измерительная панель Исследования терморадиационных характери стенда 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 изоляци онной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98, определялся по следующей формуле n2 kП 0,667, (4.6) n1 где n1 = 120 мА и n2 = 80 мА – показания первого и второго миллиамперметра прибора TermoRad 1.

Тарировочная кривая по определению температуры нагрева сверху изоля ционного 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 средневол нового импульсного керамического ИК-излучателя на 10-15% выше, чем у корот коволнового галогенового ИК-излучателя. Это объясняется особенностью им пульсной работы керамического излучателя в узком спектре ИК-излучения, в от личие 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- Коэффициент Пропиточный Излучатель n1, мА n2, мА 1, °C 2, °C пропускания материал kП, о.е.

Коротковолновый 120 80 84 66 0, ФЛ- Средневолновый 115 85 81 54 0, Коротковолновый 145 90 102 75 0, Эпласт Средневолновый 93 60 80 56 0, Коротковолновый 115 65 82 62 0, ПК- Средневолновый 92 56 82 48 0, Коротковолновый 165 100 111 78 0, ПК- Средневолновый 115 75 81 62 0, В результате можно сделать вывод, что наибольший коэффициент пропус кания – 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 прочности и твердости изоляции Классическая методика по определению электрической прочности и твёрдо сти 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 терморади ационным методами в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21.

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

Аппарат АИИ-70 служит для измерения напряжения пробоя (Uпр), при пе ременном напряжении частотой 50 Гц. Он позволяет производить кратковремен ные испытания переменным напряжением до 50 кВ при длительности не более минуты с интервалом 5 минут. Пробой образца производится в специальном раз ряднике – сосуде (рисунок 4.22) ёмкостью 300-500 см2, в стенки которого вмонти рованы латунные электроды, имеющие шарообразную поверхность с целью со здания точечного контакта.

На величину пробивного напряжения ока зывают влияние случайные факторы, связанные с возникновением и развитием разряда [65, 112]. К ним относятся, например, возникающие при про боях различные траектории разряда. Поэтому напряжение пробоя является случайной величи ной, подчиняющейся статистическим закономер ностям. В связи с этим для одной пробы изоляции должно быть проведено несколько пробоев, в ре зультате которых получают выборку пробивных Рисунок 4.21. Аппарат АИИ напряжений Uпр.

Рисунок 4.22. Сосуд с шарообразными электродами:

1 – закапсулированная изоляционная лента Для оценки математического ожидания по полученной выборке определяют среднее арифметическое значение пробивного напряжения пр по формуле [13, 14, 38, 61] 1n U пр U прi, (4.7) n i где прi – значение i-го пробивного напряжения, кВ;

n– число пробоев.

Вычисление среднего значения напряженности Епр производится по формуле U пр U пр Епр. (4.8) h 2, Для оценки дисперсии пробивных напряжений определяют эмпирическую дисперсию или среднее квадратическое отклонение (СКО) отдельных пробив ных напряжений от среднего арифметического значения пробивного напряжения U U пр n прi (4.9) i.

n Относительное значение среднего квадратического отклонения называется стандартом распределения или коэффициентом вариации v 100% (4.10) U пр С помощью коэффициента вариации оценивается относительное рассеяние результатов измерений.

Результаты исследований по определению электрической прочности изоля ционной 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 Тип печи СДО1 Пустая Тип пропитывающего непропитанная ФЛ-98 ПК-11 ПК- лента материала 1 2,5 2,6 2,3 1, 2 2,2 2,3 2,2 1, Пробивное напря 3 2,3 2,5 2,5 1, жение Uпрi, кВ 4 2 2,5 2,3 1, 5 2,5 2,3 2,5 1, Среднее арифметическое значение 2,30 2,44 2,36 1, пробивного напряжения пр, кВ Среднее значение пробивной 23,00 24,40 23,60 17, напряженности Епр, кВ/мм Среднеквадратическое 0,11 0,07 0,07 0, отклонение, кВ Коэффициент вариации v, % 4,61 2,75 2,84 4, 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 терморади ационным методом Тип излучателя Средневолновый Коротковолновый ФЛ-98 Эпласт 155 ПК-11 ПК-21 ФЛ-98 Эпласт 155 ПК-11 ПК- Тип пропитывающего материала 1 3,1 3,2 3 3 3,1 3,1 3 2, 2 3,2 3,2 3 2,9 3 3,1 2,9 2, 3 3,2 3,1 3,1 2,9 3 3 2,9 2, Пробивное напряжение Uпрi, кВ 4 3,1 3 2,9 3 3,2 3 2,9 2, 5 3,2 3 3,1 2,9 3 3 3 Среднее арифметическое значение 3,16 3,1 3,02 2,94 3,06 3,04 2,94 2, пробивного напряжения пр, кВ Среднее значение пробивной напря 31,6 31 30,2 29,4 30,6 30,4 29,4 28, женности Епр, кВ/мм Среднеквадратическое отклонение 0,03 0,05 0,04 0,03 30,4 0,03 0,03 0,, кВ 0,87 1,61 1,39 0,93 1,46 0,9 0,93 1, Коэффициент вариации v, % Рисунок 4.23. Результаты экспериментальных исследований по определению электрической прочности закапсулированной изоляции Результаты данных исследований показывают явное преимущество термора диационного метода капсулирования над конвективным по показателям величины пробивного напряжения. Причиной пониженных показателей пробивного напряже ния при использовании конвективного метода капсулирования является наличие по лостей (рисунки 4.12 – 4.14), через которые и происходит электрический пробой.

Объективным показателем цементирующей способности закапсулированной изоляции является ее твердость. Для определения твердости закапсули рованной изоляции в работе использовался твердо мер лакокрасочных покрытий Константа-ТК [99, 121], предназначенный для определения твердости покрытий при царапании по ним грифелем каранда ша (рисунок 4.24).

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 Твёрдость применяемых карандашей 3Т – 3М Габаритные размеры тележки, мм 140х140х Масса, кг 1, Усилие нажима грифеля, Н 9, Угол установки грифеля, ° В ходе выполнения исследований карандаш варьируемого типа твердости перемещался под углом 45° по изоляционной ленты типа ЛЭС-0,1-20, пропитан ной 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 прини малась за измеренное значение твердости изоляционной ленты. В работе приме нялось 8 типов карандашей с твердостью 4Т, 3Т, 2Т, Т, ТМ, М, 2М и 3М. Резуль таты эксперимента представлены на рисунке 4.25.

Рисунок 4.25. Твёрдость закапсулированной при разных методах энергоподвода изоляционной ленты ЛЭС По результатам исследований можно сделать вывод, что наибольшую твёр дость 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 спектрального состава ИК-излучателей Суть эксперимента заключалась в поочередном проведении процесса капсу лирования изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98 и ком паундах 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 уста новке 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 распола гается якорь 1 ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии «ЕРМАК», и генератора теп лового 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 осу ществляется 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;

8 – асинхронный трехфазный двигатель Особенностью установки является наличие управляемого генератора тепло вого излучения питающегося от трёх фазной сети 380В, состоящего из шести групп регулируемых облучателей (по две группы на каждую фазу), представляю щих собой совокупность ИК излучателей и рефлекторов-отражателей (рисунок 4.27). Регулирование располо жения облучателей над обмоткой якоря Рисунок 4.27. Общий вид ТЭД осуществляется путем изменения генератора теплового излучения длины крепления облучателя l и углов 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 излуча телей 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 ав томаты защиты 1 (рисунок 4.29), кнопку управле ния 2, автоматы 3 включения трех групп ИК излучателей с целью осуществления трехступенча того ИК-энергоподвода и регулятор частоты 4 типа ACS-355, осуществляющего плавное регулирова ние скорости вращения асинхронного двигателя установки и самого якоря ТЭД, в зависимости от Рисунок 4.29. Общий вид выбранного режима сушки / капсулирования.

пульта управления С целью демонстрации возможностей ча установкой: стотно-регулируемого электропривода установки 1 – кнопка управления;

для капсулирования изоляции на рисунке 4. 2 – преобразователь частоты;



Pages:     | 1 || 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.