автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Электротехнологическое продление ресурса электрических машин тепловым излучением

На правах рукописи

Иванов Владимир Николаевич

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

13 МЛР 2014

Москва 2014

005545824

005545824

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Тяговый подвижной состав»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Смирнов Валентин Петрович

Официальные оппоненты: Гиоев Заурбек Георгиевич, доктор технических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО РГУПС), кафедра «Электрические машины и аппараты», профессор

Пугачев Александр Анатольевич, кандидат технических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО БГТУ), кафедра «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы», доцент Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное обра-

зовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» (НИ ИрГТУ)

Л IX00

Защита состоится у-з у>опрел/} 2014 г. в Ю часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127055, Москва, улица Образцова. 9, стр. 9., аудитория 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ)

Автореферат разослан » 2014г.

Учёный секретарь

диссертационного совета // г I /, Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Начавшийся третий этап реформы железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для повышения конкуренции в сфере грузовых и пассажирских перевозок, переходу к свободному ценообразованию в конкурентных секторах.

Процессы развития научно-технического прогресса в современных условиях являются решающим фактором повышения эффективности работы железнодорожного транспорта. Это в полной мере относится и к локомотивному комплексу железных дорог России. Данное развитие имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с увеличением объема перевозок, особенно грузовых. В настоящее время резко обострились проблемы повышения надёжности тягового подвижного состава (ТПС) и снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат при проведении межпоездного ремонта и экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 №877-р.

Степень разработанности проблемы. Анализ статистических данных, полученных на протяжении последних десяти лет сотрудниками кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ), об отказах тяговых электрических машин (ТЭМ) по пробою изоляции из-за особенностей климатических условий внешней среды и нарушения технологии технического содержания неоднократно обсуждался в научных и практических трудах специалистов тягового подвижного состава. Причины резкого увеличения параметра потока пробоев изоляции якорей ТЭМ НБ-514 локомотивного ремонтного депо Нижнеудинск (ТЧР-22), как наиболее «слабого» узла, были неоднократно отражены в работах A.M. Худоногова и В.П. Смирнова. В этих работах отмечалось, что из-за низкой влагостойкости изоляции лобовой части обмоток якоря со стороны противоположной коллектору при системе вентиляции ТЭМ с

разворотом воздушного потока на 270°, приводящей к появлению «мертвых» зон, повышенной конденсации влаги в машине и, соответственно, чрезмерному накоплению влаги в изоляции, резко возрастает вероятность её пробоя.

Проблемам повышения эффективности ТПС посвящены труды авторов Ю.А. Бахвалова, И.Н. Богаенко, В.И. Бочарова, А.И. Володина, И.И. Галиева, З.Г. Гиоева, М.Д. Глущенко, В.Г. Григоренко, Ю.А. Давыдова,

A.A. Зарифьяна, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаева, В.А. Камаева, А.Л. Курочки,

B.А. Кучумова, АЛ. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.Б. Меделя, М.Д. Находкина, М.П. Пахомова, A.B. Плакса, В.В. Привалова,

A.Н. Савоськина, И.В. Скогорева, В.В. Стрекопытова, В.П. Феоктистова,

B.А. Четвергова, В.Г. Щербакова, В.П. Янова и др.

Существенный вклад в решение вопросов надёжности наиболее «слабых» узлов ТЭМ - изоляционных конструкций внесли В.Д. Авилов, В.Г. Галкин, И.П. Гордеев, Г.Б. Дурандин, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, A.C. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.Т. Осяев, В.М. Попов, A.C. Серебряков, В.В. Харламов, A.M. Худоногов и др.

Анализ надёжности электровозов Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) за последние годы эксплуатации показал, что существенная часть отказов приходится на ТЭМ. Наблюдается дальнейшее снижение надёжности ТЭМ. Более половины повреждений ТЭМ приходится на изоляционные конструкции и, в первую очередь, на лобовые части якорных обмоток.

Актуальность темы обусловлена пониженной надёжностью изоляции лобовых частей якорных обмоток ТЭМ, в условиях работы на направлениях железных дорог Восточного региона страны. Снижение надёжности ТЭМ электровозов Восточного региона не редко приводит к неравномерности движения поездов и срыву плана перевозок по Транссибирской магистрали.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является продление ресурса коллекторных ТЭМ путём капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей тепловым излучением.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать состояние надёжности ТЭМ электровозов ВСЖД для выявления наиболее слабых узлов электрических машин.

2. Для продления ресурса ТЭМ разработать методику энергетического подхода к анализу технологии капсулирования лобовых частей тепловым излучением.

3. Усовершенствовать математическую модель кинетики нагрева пропитанной изоляции в технологии капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин тепловым излучением, позволяющую обеспечить требуемый уровень механической и электрической прочности изоляционных конструкций ТЭМ.

4. Выполнить комплекс экспериментальных исследований по обеспечению требуемого уровня механической и электрической прочности изоляционных конструкций якорных обмоток ТЭМ с открытыми лобовыми частями.

5. Внедрить результаты исследования в производство и определить технико-экономическую эффективность продления ресурса электрических машин тепловым излучением.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Уточнён механизм процесса интенсивного старения изоляции лобовых частей якорных обмоток, который обусловлен действием центробежных сил и силы тяготения на массивные незакрепленные лобовые части. Повышенная температура нагрева при работе с предельными токовыми нагрузками и существенным снижением вентиляции, интенсивное боксование электровозов с наклонными тягами ускоряют процесс износа изоляции.

2. Усовершенствована методика согласования энергетических характеристик инфракрасных (ИК) излучателей и оптических характеристик пропиточных жидкостей, позволяющая обеспечить существенное сокращение вре-

мени и затрат электроэнергии а процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭМ.

3. Разработана методика капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин, предусматривающая снижение потерь на всех этапах прохождения энергии от источника питания до объекта и кинетику нагрева изоляции прерывистым тепловым излучением при пропитке и полимеризации, обеспечивающую требуемый уровень надёжности электрических машин.

4. Разработана установка для капсулирования лобовых частей якорных обмоток электрических машин с применением ИК-излучения при пропитке и полимеризации изоляции, позволяющая обеспечить требуемую механическую и электрическую прочность конструкции и многократное уменьшение времени и затрат электроэнергии по сравнению с конвективным методом.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Проведенный анализ отказов электровозов ВСЖД, выявил ухудшение показателей надёжности ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток.

2. Разработанный способ капсулирования якорей с открытыми лобовыми соединениями обмоток мобильной установкой для пропитки и сушки с использованием ИК-излучения, позволяет обеспечить процесс восстановления механической и электрической прочности изоляции до требуемого уровня при существенном сбережении времени и электроэнергии (патент №2396669 РФ. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин).

3. Результаты выполненных экспериментальных исследований различных вариантов ИК-сушки пропитанной изоляции позволили разработать технологию, с нанесением распылителями вещества на открытые лобовые соединения якорных обмоток, с последующей их сушкой ИК-излучателями, обеспечивающую требуемый уровень надёжности изоляции электрических машин.

4. Созданы и исследованы несколько вариантов установок по нанесению и сушке пропиточного вещества, что позволило разработать установку, с частотно-регулируемым электроприводом, на основе векторной широтно-импульсной модуляции, обеспечивающим высокие динамические характеристики в процессе вращения якоря относительно генератора теплового излучения, импульсной подачей пропиточного состава, керамическими ИК-излучателями, расположенными по окружности кольцевой траверсы, обеспечивающую требуемый уровень механической и электрической прочности предельно нагруженных ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток.

Методология и методы исследования. В теоретической части работы использованы методы теории планирования эксперимента, теории нагревания и охлаждения твёрдого тела, методы теории тепломассообмена, метод оценки технико-экономической эффективности результатов исследований.

Экспериментальные исследования проводились в ТЧР-22 ВСЖД с 2000 по 2012 годы и заключались в измерении параметров, характеризующих режим работы и состояние ТЭМ при тягово-эксплуатационных испытаниях, текущих ремонтах, технических обслуживаниях и нахождении электровозов в не рабочем состоянии при помощи современных средств диагностики состояния изоляции ТЭМ. Исследования осуществлялись в соответствии с методами планирования эксперимента. Обработка и анализ опытных данных велись с использованием теории и методов математической статистики: теории проверки гипотез; теории оценивания; корреляционного и регрессионного анализов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Установление механизма интенсивного старения изоляции открытых лобовых частей якорных обмоток, позволяющего разрабатывать методики и средства, обеспечивающие требуемый уровень надёжности электрических машин.

2. Усовершенствованная методика согласования энергетических характеристик ИК-излучателей и оптических характеристик пропиточных лаков и

компаундов, позволяющая обеспечить требуемый уровень механической и электрической прочности изоляции лобовых соединений якорных обмоток ТЭМ.

3. Методика капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин, предусматривающая уменьшение потерь на этапах прохождения энергии и кинетику нагрева изоляции прерывистым тепловым излучением, обеспечивающую требуемый уровень надёжности ТЭМ.

Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса капсулирования открытых лобовых частей якорных обмоток электрических машин с использованием теплового излучения, обеспечением требуемого уровня надёжности изоляции ТЭМ, прошедших восстановление механической и электрической прочности открытых лобовых частей якорных обмоток с применением ИК-излучения в период многолетней эксплуатации на направлениях Транссибирской железнодорожной магистрали. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш-ей Международной научно-практической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт" Омск: Иртышский филиал НГАВТ, 2007; Научно-практической конференции "Транспортная инфраструктура Сибирского региона" Иркутск: ИрГУПС, 2009, Межкафедральном МГУПС (МИИТ) (Москва апрель 2010); на заседаниях кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ) (Москва 2010-2013).

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на ВСЖД при восстановлении изоляции якорных обмоток с открытыми лобовыми частями ТЭМ, поврежденными в период до завершения гарантийного срока эксплуатации. Использование материалов диссертационной работы подтверждено актами внедрений. Результаты работы переданы в отдел технической политики Дирекции тяги ОАО «РЖД», для изучения и последующего внедрения на сети железных дорог страны, а также внедрены в учебный процесс федерального государственного бюджетного образовательного уни-

верситета высшего профессионального образования «Иркутского государственного университета путей сообщения» (ИрГУПС).

Публикации и вклад автора. По результатам проведенных исследований опубликовано пять научных работ в изданиях, определенных перечнем ВАК России, а также получен патент РФ №2396669 на изобретение.

Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, создание производственного образца технологической установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток с открытыми головками секций и испытание этого образца в условиях ТЧР-22, выполнение анализа надёжности ТЭМ локомотивов, значительной части экспериментов, и участие в создание новых установок для управления процессами тепломассообмена в изоляции электрических машин.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка из 112 наименований и содержит 134 страницы текста, 15 таблиц и 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, отражена структура диссертации, характеризуется научная новизна и практическая ценность результатов исследований. В качестве объекта исследования рассматривается ТЭМ электровоза BJI85 эксплуатируемым на Транссибирской магистрали. Предметом исследован ТЭМ тепловым методом с применением ИК-излучения, а также процессы, протекающие при капсулировании открытых лобовых частях якорных обмоток электрической машины НБ-514.

В первой главе проведен анализ надёжности ТЭМ электровозов Транссибирской железнодорожной магистрали (рисунок 1). Выявлено, что на отказы ТЭМ ВСЖД в последние годы эксплуатации приходится более одной пятой от общего количества отказов электровозов.

ОНБ-418К6 и НБ-514

I НБ-418КР I НБ-412

Рисунок 1 - Отказы тяговых электрических машин ВСЖД в 2012 г.

''■п.

Р. = 0.793

Установлена пониженная надёжность электрических машин с открытыми лобовыми частями. Пониженная надёжность изоляционных конструкций, особенно электрических машин НБ-514 электровозов ВЛ85, которые выполняют большую часть работы в грузовом движении на ВСЖД, потребовало проведения анализа причин отказов ТЭМ и, в первую очередь, их изоляционных конструкций.

Динамика изменения параметра потока отказов изоляции якорных обмоток электрических машин, электровозов ВЛ85, представлена на рисунке 2.

... Установлено, что при-

близительно 20% отказов происходит вследствие воздействия повышенного уровня и пиков напряжения.

Значительная часть отказов (до 80%) является следствием внезапных кратковременных снижений уровня электрической прочности изоляции вследствие увлажнения особенно в осенне-зимне-весенний период эксплуатации. Характерный пробой изоляции открытой лобовой части якорной обмотки электрической машины приведен на рисунке 3. До двух третьих отказов электрических машин приходится на изоляционные конструкции. Из них более одной третьей приходится на пробои якорных обмоток. Более половины пробоев якорных обмоток наблюдается в месте выхода открытых лобовых соединений из стального пакета сердечника якоря.

Рисунок 2 - Надежность изоляции якорных обмоток ТЭМ НБ-514

Во второй главе выполнен энергетических подход к анализу технологии капсулирования открытых лобовых частей якорных обмоток электрической машины тепловым излучением. В поле тепловых излучений происходит непрерывный перенос энергии. Впервые понятия о переносе энергии в поле упругих колебаний и о векторе, характеризующем этот перенос, был сформулирован проф. H.A. Умовым. Им дано понятие о приросте или поглощения энергии в единицу времени в некотором объеме как о полном потоке энергии через замкнутую поверхность, ограничивающую исследуемый объект.

Позже вектор Умова был применен Д.Пойнтингом. Выражение энергетического баланса для некоторого объема описывается теоремой Умова-Пойнтинга:

- f SA = J, yE'dV + —f, <ßL + täL)dV (1)

* dt 2 2

Левая часть уравнения (1) представляет собой поток вектора Пойнтин-га, направленный внутрь объема сквозь любую замкнутую поверхность s, ограничивающую некоторый объем V. Поскольку элемент поверхности ds в любой её точке направлен в сторону, противоположную вектору Пойнтинга, иэ-за наличия знака минуса, левая часть уравнения (1) является величиной положительной.

- £ Sds = ÖH (2)

Таким образом, поток вектора Пойнтинга есть энергия, доставляемая к некоторому элементу энергетической системы.

Первое слагаемое в правой части уравнения (1) есть энергия, выделяющаяся в виде теплоты в единицу времени в объёме V. В ряде электротех-

Рисунок 3 - Фрагмент поврежденной изоляции на лобовой части обмотки якорной обмотки электрической машины

нологических процессов именно получение тепловой энергии является полезным эффектом, однако, в дальнейшем, отнесём эту энергию к потерям, т.е.

Д в = 1УуЕгс/Г. (3)

Второе слагаемое в правой части уравнения (1) есть скорость изменения запаса электромагнитной энергии в единице объёма.

Именно эта энергия обеспечивает полимеризацию компаунда (пропиточной жидкости) на выходе некоторого элемента энергетической системы

(4)

Тогда уравнение энергетического баланса

е=до + &.. (5)

Основным преимуществом сушки инфракрасными лучами является то, что интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной сушкой достаточно тонких материалов может быть увеличена в несколько раз. Это объясняется тем, что терморадиационным способом можно подводить к материалу значительно большие удельные потоки тепла. Однако по технологическим условиям не всегда возможно увеличить скорость сушки материалов пропорционально тепловому потоку, так как во многих случаях она определяется не скоростью подвода тепла к поверхности, а скоростью перемещения влаги внутри материала и требуемым качеством сушки материала (отсутствием остаточных деформаций). Поэтому радиационный способ подвода тепла получил в настоящее время широкое применение для сушки. Преимуществом терморадиационной сушки являются: компактность установки, позволяющая сократить производственные площади; значительная интенсивность и возможность резко сократить продолжительность сушки и увеличить производительность труда (рисунок 4). Таким образом затраты электроэнергии при сушке капсулированного якоря с использованием ИК- излучения снижаются более, чем в семь - восемь раз по сравнению с применяемой в настоящее время- конвективной сушкой.

В третьей главе разработана математическая модель кинетики нагрева пропитанной изоляции в технологии капсулирования лобовых частей ИК-

излучением. Преобразование энергии в технологическом процессе капсули-рования может быть представлено последовательностью ряда этапов (рисунок 4):

Чпртшышй

I

I - подача электрической энергии к источнику излучения;

II - генерирование потока в источнике излучателя;

III - формирование потока отража-

Риоунок 4 - Схема этапов преобразования энергии ИК-излучения в технологическом процессе капсулирования: 1 - источник электрического питания; 2- источник излучения; 3 - отражатель; 4 - лобовая часть тел ем;

IV - формирования пространственного распределения потока;

V - формирование поверхностного распределения энергии потока на лобовой части;

VI - поглощение энергии ИК- излучения пропитанной изоляцией и превращение ее в теплоту.

Этапы III—V условно относятся к виртуальному энергетическому блоку. Особенностью его является то, что он непосредственно не связан с элементами энергетической системы. Однако классические законы генерирования и взаимодействия электромагнитного излучения базируются на общей теории квантовой механики и волновой теории. Поэтому реальные и виртуальные энергетические блоки по преобразованию электрической энергии в энергию теплового эффекта в процессе капсулирования можно представить в виде структурно-логической модели (рисунок 5).

Модель символически указывает на энергетическую взаимосвязь на всем пути преобразования электрической энергии в конкретной технологической операции с её целевым назначением.

}J IК К"ТРИ Ч КС КАЯ >Н КРГИЯ

3-х фазный гок- 50 Гц

НАГРЕВ

•»нсргия МК-излучсним

П

ЮСГИ ТЕЛьн ÄM СУШЮГ^&^РШ^ЩШШ

Плоти ость м о щи речи И 1С-излучения » = 1... i 0 кВт/м^*44^

Удаление влаги после мойки

Плотйость мощности ИК-излучения р = 1...6 кВт/м"

Термическое разрушение старого связующего

Плотность мощности ИК-излучения р = 6... 10 кВт/м"

ПРОПИТКА

Плотность мощности ИК-излучения р = 10... 15 кВт/м:

Компаундами

Плотность мощности ИК-нзлучения р — M...I3 кВт/м"

Лаками

Плотность мощности ИК-излучсння р - 10... 12 кВт/м~

Новыми пропиточными составами

Плотность мощности ИК-пзлучсния р = 10... 12 кВт/м"

ЗАПЕКАНИЕ _

Плотность мощности ИК-пзлученпя р ~ 15...20 кВт/м:

Низкотемпературная полимеризация

Плотность мощности ИК-излучения р^ 15... 17 кВт/м2

Средиетемнературная полимеризация

Плотность мощности ИК-нзлучения р ~ 16...1В кВт/м'

В ы со коте м п с р а ту рнии полимеризация

Плотность мощности ИК-из.пученпя р = 18.„20 кВт/м"

Рисунок 5 - Структурно-логическая модель технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток

Установка для капсулирования (рисунок 6) состоит из двух основных узлов. Первым узлом является станина с вмонтированным частотно- регулируемым асинхронным электродвигателем и редуктором. Станина предназначена для размещения, фиксации якоря ]. Второй узел - генератор теплового излучения 2. Он состоит из девяти импульсных керамических преобразователей излучения с номинальной мощностью 4,5 кВт, которая регулируется ти ристорным регулятором мощности.

Размещение и фиксация якоря на станине осуществляется при помощи приводно-опорного и опорных резиновых роликов 6 и задней буксы 7. Частотно-регулируемый привод предназначен для обеспечения плавного вращательного движения якорю электрической машины в широком диапазоне скоростей. Установка для капсулирования (рисунок 6) состоит из: шкафа управления 3, магнитного пускателя и преобразователя частоты; асинхронного трехфазного короткозамкнутого двигателя 8; клиноременной передачи 4. Резиновые ролики соединены с асинхронными двигателями с помощью муфты 5. Генератор теплового излучения позволяет обеспечивать процесс капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря путём управления температурным режимом в зависимости от состава пропиточных материалов.

Математическую модель кинетики нагрева пропитанной изоляции можно получить на основании структурно-логической модели (см. рисунок 5). Поэтому, используя классические законы теплового излучения можно все этапы по преобразованию электрической энергии в энергию теплового эффекта в процессе капсулирования представить в виде структурно-логической модели. По функциональному признаку выделено три операции. Целевое назначение ИК-нагрева в операции по удалению влаги (сушки) перед пропиткой заключается не только в удалении излишней влаги из изоляции после очистки и мойки, но и в прогреве лобовой части перед пропит кой с целью удаления старого связующего. Целевое назначение ИК-облучения в операции по пропитке изоляции лобовых частей заключается в эффективных режимах транспортировки пропиточной смеси в глубь изоляции вплоть до меди путём

Рисунок 6 - Общий вид установки для капсулирования изоляции обмотки якоря тепловым излучением: 1 - якорь; 2- генератор теплового излучения; 3 - шкаф управления; 4 - клиноременная передача; 5 - муфта; 6 -опорные резиновые ролики; 7 - задняя букса; 8 - асинхронный трехфазный двигатель

использования импульсных керамических излучателей. Целевое назначение ИК-нагрева в операции по запеканию пропиточной смеси на меди и созданию монолитной оболочки на лобовой части заключается в выборе эффективных режимов полимеризации для повышения влагостойкости и вибростойкости при высоких показателях теплопроводности и теплоотдачи. Математическая модель должна воспроизводить подходящим образом кинетику нагрева ИК-излучением.

Кривые нагрева пропитанной изоляции, полученные в диссертационной работе экспериментально, в процессе ИК-облучения, будут иметь типичный экспоненциальный характер, описываемый уравнением вида

0 = 0и„(«-е""Т-)> (6)

где в — превышение температуры, К;

^тах- максимальное превышение температуры, К; г- время процесса, с;

Г„ - постоянная времени нагрева пропитанной изоляции, с. Это позволяет строить математические модели на основе известных законов, определяющих связь между входами и выходами. Общей методической основой этих моделей может служить дифференциальное уравнение энергетического баланса, при помощи которого можно установить правила соответствия, связывающие взаимодействие системы «излучатель-лобовая часть» в технологии капсулирования.

Постоянную времени нагрева пропитанной изоляции можно представить в виде

где Суд ~ удельная теплоемкость изоляции, Дж/кг-К;

а— коэффициент теплообмена пропитанной изоляции, Дж/м2 К с; F- площадь внешней поверхности лобовых частей якоря, м2; р— плотность пропитанной изоляции, кг/м3; V-объем пропитанной изоляции, м3.

Обозначим отношение К,Т = сг, тогда выражение для постоянной времени нагрева запишем как

(8)

а

По своей сути ст представляет собой обобщенный показатель геометрической характеристики пропитанной изоляции. Этот показатель, как следует из вышеизложенного, можно определить при наличии геометрических размеров материала.

Однако, как следует из формулы (8), для определения постоянной времени нагрева материала кроме обобщенного показателя а необходимо иметь данные по его удельной теплоемкости, плотности и коэффициенту теплообмена. Все эти три физических параметра зависят в основном от содержания жидкости в материале, с увеличением которой увеличивается удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплообмена. Степень этих зависимостей находится в справочной литературе по теплофизическим свойствам материалов.

На современном этапе развитие технологий с использованием ИК-излучения для решения научных и практических проблем определяется выбором режимов работы излучателей. В этом случае рациональный режим термообработки при максимальном значении критерия количественной и качественной оценки эффективности работы облучателя может быть осуществлен только в случае применения осциллирующих режимов ИК-энергоподвода. Рассмотрим и проанализируем различные варианты ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции. В принципе процесс капсулирования изоляции ИК-излучением можно с позиций энергоподвода организовать по следующим схемам:

1.) непрерывный ИК-энергоподвод;

2.) осциллирующий (прерывный) ИК-энергоподвод.

При непрерывном ИК-энергоподводе излучатели остаются включенными в течение всего процесса капсулирования неподвижной изоляции. При осциллирующем ИК-энергоподводе происходит или чередование периодов

включения и отключения излучателей, или при постоянно включенных излучателях чередование подачи изоляционного материала к постоянно включенному излучателю.

В течение промежутка времени хр (рисунок 7) изоляция лобовой части якоря, расположенная напротив включенных ИК-излучателей, нагревается со значительным испарением жидкости в поверхностных слоях, а в течение промежутка времени г„ обмотки секций якоря, не попадающие под ИК-излучатели, охлаждаются в результате испарения жидкости за счет аккумулированной теплоты. Чередование сегментов лобовых частей вращающегося якоря, попадающих в промежутки хр и т„ происходит с периодом повторения Тц. Среднее значение мощности электронагревателя зависит от соотношения

Время операиш! тахко.нк-ии катутроааиш/ ггипиции г. мин

Рисунок 7 - График осциллирующего ИК-энергоподвода

Отношение тр к Т,, является коэффициентом относительной продолжительности ИК-энергоподвода и обозначается индексом е, тогда

Следовательно, изменяя значения тр и Т,„ можно управлять процессом сушки изоляции. В соответствии с теорией сушки соотношение между периодами нагрева тр и охлаждения г„ изоляции определяется величиной коэффициента диффузии пропиточной жидкости. Чем меньше коэффициент диффузии, тем, очевидно, необходимо иметь больший период паузы. В процессе

сушки изоляции необходимо стремиться к такому соотношению т,,/т„, при котором зависимость между содержанием жидкости в изоляции и временем нагрева линейна.

Температура обмоток тяговой машины изменяется по отрезкам экспоненциальных кривых и достигает установившихся колебаний со сравнительно небольшими амплитудами. Вследствие охлаждения обмоток во время пауз наибольшая температура 1 будет меньше температуры tMaKC, которая имела бы место при длительной работе. При осциллирующем ИК-энергоподводе температура перегрева t 'макс не будет превышать предельно допустимого значения для данного класса изоляции.

Таким образом, температура в конце рабочего участка г;) достигнет

C^=t.^-e'Tp/r")+tMWIe-T'/r\ (Ю)

Температура в конце паузы понизится до

t =t' е z(11)

мин макс

Подставляя в выражение (10) значение (У1Ш из (11), получим

t' =t (l-e'T'IT")+f e'(l'/r"+T^) (12)

1 макс 1мже V е / ияксе • '

Решая (12) относительно t 'мжа будем иметь

1 — е~Гр'Г"

^ макс ~ tмакс ' —1т_/7" +т_ /Г.) • (13)

1-е "

Так как при осциллирующем ИК-энергоподводе теплоотдача с поверхности материала во внешнюю среду как при нагреве, так и при охлаждении остается неизменной, принимаем

Т„-Т0. (14)

С учетом уравнения (9, 14) в диссертационной работе получена формула по выявлению эффективной скважности периода работы излучателей в технологии капсулирования изоляции с осциллирующим режимом ИК-энергоподвода

1-е""'7'"

t' =t ---(15)

макс макс , -Т П

1-е '

Использование формулы (15) при решении задач исследования по выявлению эффективной скважности импульса работы излучателей (внутрен-

ний перенос тепла и массы) и выработке рекомендаций по расчету максимальной продолжительности цикла осциллирования (внешний теплоперенос) позволят создать наиболее современные промышленные установки для кап-сулирования изоляции обмоток электрических машин и аппаратов с осциллирующим режимом ИК-энергоподвода. При этом получение осциллирующих режимов ИК-энергоподвода необходимо обеспечивать не путём включения и отключения излучателей при помощи специальных ключей, а обеспечением этого режима при постоянно включенных излучателях.

Это позволит на порядок повысить надёжность и долговечность излучателей, так как будут исключены пусковые режимы. Исходные данные и кривые нагревания лобовой части электрической машины, пропитанной в лаке ФЛ-98, определенные по формуле (15) при разной мощности излучателей, приведены в (таблице 1) и на (рисунке 8).

Таблица 1 - Данные нагревания лобовой части якоря электрической машины в зависимости от мощности излучателей

№ с, Р, 1 тах. °С 1ц, Дж/°С А, кВт ч Т, Т, с

Дж/°С Вт х с X с 0 300 600 900 1200 1500 1800

1 0.8 250 183.497 3.915 0,00681 117.4380 0 169.234 182.388 183,410 183.490 183.496 183.497

2 0,8 500 229.371 6,264 0,01089 73.3988 0 225,521 229,306 229,370 229.371 229.371 229.371

3 0.8 1000 275,245 10,44 1,018165 44,0392 0 274,942 275,245 275,245 275.245 275,245 275,245

Время, с

Рисунок 8 - Кривые нагрева лобовой части якоря при разной мощности излучателя для лака ФЛ-98

В четвертой главе приведены результаты исследований по обеспечению механической и электрической прочности изоляции якорных обмоток ТЭМ с открытыми лобовыми частями. В ТЧР-22 ВСЖД под руководством учёных ИрГУПС разработана и изготовлена установка для повышения ресурса ТЭМ с открытыми лобовыми частями якорных обмоток с использованием ИК- излучения.

Установка состоит из основных узлов: асинхронного двигателя с ко-роткозамкнутым ротором АИРМ90Ь4УЗ, ременной передачи с передаточным отношением 2,79, червячного редуктора 4-80 с передаточным отношением 31,5, частотного преобразователя ABB-ACS 150 для регулировки числа оборотов асинхронного двигателя, штатива-излучателя с тремя галогенными лампами типа КГ общей мощностью 3 кВт, лотка с размерами 600*300*90 под пропиточный материал.

Технологический процесс продления ресурса электрической машины с применением ИК-излучения (рисунок 9) включает операции по нанесению

компаунда (пропиточного лака) на изоляцию лобовой части якорной обмотки при периодическом погружении сегментов лобовой части обмотки вращающейся электрической машины в ёмкость с компаундом и последующем капсули-ровании её энергией ИК-излучения. При испытании первого варианта установки были определены основные параметры технологического процесса и выявлены недостатки, связанные с процессом нанесения пропиточного материала на поверхность изоляции лобовых частей обмоток якоря и расположением ИК-излучателей.

Рисунок 9 - Схема локального способа продления ресурса электрических машин НБ-514 с использованием ИК-излучения: 1 - лобовая часть обмотки якоря; 2 - привод якоря; 3 - ёмкость с компаундом; 4 -ИК-излучатели: 5 - ИК-отражатель

Затем для повышения уровня механической и электрической прочности изоляции лобовых частей якорных обмоток поврежденных электрических машин введена пропитка компаундом с помощью воздушных распылителей и их капсулирование группой ИК- излучателей, расположенных по периметру лобовой части якорной обмотки. В 2011 году впервые применены девять импульсных керамических преобразователей типа НТЕ, так же расположенных по периметру лобовой части обмотки якоря.

В результате применения локального нагрева ИК-излучением пропитанной компаундом изоляции лобовой части обмотки якоря происходит капсулирование изоляции. При этом значительно повышается защита изоляции от действия внешних факторов и, как следствие, её надёжность. Локальный нагрев ИК-излучением позволяет значительно сократить расход энергии и времени на технологические операции по пропитке и сушке якорей.

Определена технико-экономическая эффективность внедрения технологии и установки капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря ИК- излучением. Установлено, что годовой экономический эффект от внедрения составляет 530 тысяч рублей. Срок окупаемости вложений составляет 2,2 месяца. Ресурс ТЭМ увеличивается на 25-30%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Применение технологии восстановления механической и электрической прочности изоляции с использованием ИК - излучения позволяет в 7-8 раз сократить расход электроэнергии и в 16 и более раз времени на пропитку, и полимеризацию лобовых частей по сравнению с применяемым в настоящее время конвективным методом.

2. Разработаны ресурсосберегающие технология и установка восстановления механической и электрической прочности изоляции поврежденных незакрепленных лобовых соединений якорных обмоток ТЭМ с использованием теплового излучения, обеспечивающие требуемый уровень надёжности.

3. Капсулнрование открытых лобовых частей с использованием теплового излучения позволило уменьшить количество отказов ТЭМ на 25-30%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Смирнов, В.П. Восстановление изоляционных свойств обмоток якоря тягового электродвигателя [Текст] / В.П. Смирнов, И.А. Худоногов, В.Н. Иванов, Ш.К. Исмаилов // Вестник ИрГТУ. - 2006 - №4 (28). - С. 60 - 62.

2. Худоногов, A.M. Надёжность асинхронных вспомогательных машин электровозов [Текст] / A.M. Худоногов, Д.А. Оленцевич, Е.М. Лыткина, В.Н. Иванов // Вестник ИрГТУ. - 2008- №2 (34). - С. 117 - 119.

3. Иванов, В.Н. Надёжность электрических машин тягового подвижного состава [Текст] / В.Н. Иванов, Д.В. Коноваленко, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина // «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока». 2008. -№2. С. 196- 198.

4. Иванов, В.Н. Надёжность асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока [Текст] // «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока». 2008. - №2. - С. 198 - 201.

5. Алексеев Д.Ю. Повышение ресурса изоляции обмоток тяговых электрических машин [Текст] / Д.Ю. Алексеев, В.П.Смирнов, А.М.Худоногов, В.Н.Иванов // Наука и Техника Транспорта. 2010. - №2. - С. 18-21.

6. Пат. 2396669 Российской Федерации. МПК Н02К 15/12. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин [Текст] / A.M. Худоногов, И.А. Худоногов, В.Н. Иванов, Н.Г. Ильичев, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». № 2009117049/28; заявл. 04.05.2009; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22.

Иванов Владимир Николаевич

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать \Ч. Формат 60x80 '/1б.

Заказ № Я50 Объём 1,5п.л. Тираж 80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр.9

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУ ПС (МИИТ)

На правах рукописи

04201458676

Иванов Владимир Николаевич

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Смирнов Валентин Петрович

Москва 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................6

1 АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ ВОСТОЧНОГО РЕГИОНА..........................................................................................16

1.1 Проблема надёжности и её значение для современной техники.............16

1.2 Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин ... 17

1.3 Анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов Восточного региона......................................................................................................18

1.4 Анализ отказов тяговых электрических машин НБ-514 депо Нижнеудинск ВСЖД.....................................................................................................29

2 УТОЧНЕНИЕ МЕХАНИЗМА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОБОЯ ИЗОЛЯЦИИ ОТКРЫТЫХ ЛОБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.....................................................................................36

2.1 Факторы, влияющие на выход из строя изоляционных конструкций тяговых электродвигателей НБ-514 электровозов ВЛ85..........................................36

2.1.1 Анализ возникновения круговых огней на коллекторах ТЭМ..............37

2.1.2 Заволакивание коллекторов ТЭМ............................................................42

2.1.3 Анализ интенсивности уменьшения толщины бандажей электровозов ВЛ85, ВЛ80к, ВЛ80т.............................................................................44

2.1.4 Определение уровня загрузки электровозов...........................................46

2.1.5 Интенсивность образования круговых огней на коллекторах ТЭМ электровозов ВЛ85........................................................................................................47

2.2 Расхождение токовых нагрузок тяговых электрических машин НБ-514 электровозов ВЛ85.................................................................................................49

2.3 Влияние различия диаметров колесных пар на токовые нагрузки электровоза ВЛ85..........................................................................................................54

2.4 Влияние вертикальных вибраций от пути на надёжность якорных обмоток тяговых электрических машин.....................................................................55

2.5 Влияние пропитки изоляции на работу ТЭМ............................................57

2.6 Анализ надёжности тяговых электрических машин после ремонта на

локомотиворемонтном заводе......................................................................................59

2.7 Тепловое старение изоляции тяговой электрической машины................63

2.7.1 Влияние схемы вентиляции ТЭМ на тепловое старение якорных обмоток...........................................................................................................................63

2.7.2 Закономерности теплового старения изоляции электрических машин.............................................................................................................................65

2.7.3 Тепловой переходный процесс тяговой электрической машины.........69

2.8 Программа расчёта зависимости токовой нагрузки при различной температуре....................................................................................................................76

2.9 Уточнение механизма пробоя изоляции открытых лобовых соединений якорной обмотки тяговой электрической машины..............................84

3 МЕТОДИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ ТЕХНОЛОГРШ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОТКРЫТЫХ ЛОБОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ.... 87 3.1 Энергетический подход к анализу технологии восстановления

тепловым излучением...................................................................................................87

3.2 Этапы преобразования электрической энергии в технологическом процессе восстановления ОЛС....................................................................................89

3.2.1 Подача энергии к источнику излучения..................................................89

3.2.2 Генерирование потока в источнике излучения.......................................94

3.2.3 Формирование потока отражателем........................................................96

3.2.4 Формирование пространственного распределения потока...................98

3.2.5 Формирование поверхностного распределения энергии потока на лобовых соединениях..................................................................................................101

3.2.6 Поглощение энергии ИК-излучения связующим и превращение ее теплоту..........................................................................................................................104

4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КИНЕТИКИ НАГРЕВА ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ОТКРЫТЫХ ЛОБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЯКОРНЫХ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ...............................110

4.1 Методический подход к выбору математической модели.....................110

4.2 Построение математической модели кинетики нагрева изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки на установке с генератором теплового излучения...................................................................................................112

4.3 Технология процесса восстановления открытых лобовых соединений якорной обмотки тяговой электрической машины при тепловом излучении......131

5 КОМПЛЕКС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ЯКОРЕЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ОТКРЫТЫМИ ЛОБОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ.....................................................................................................133

5.1 Основные этапы при проведении экспериментальных исследований.. 133

5.2 Разработка метода и средства по герметизации компаундом изоляции открытого лобового соединения якорной обмотки тяговой электрической машины НБ-514...........................................................................................................135

5.3 Выбор инфракрасного излучателя............................................................136

5.4 Выбор пропиточного состава.....................................................................145

5.5 Испытание экспериментальной установки для пропитки компаундом открытых лобовых соединений якорной обмотки НБ-514 и тепловой сушки с помощью энергии инфракрасного излучения..........................................................153

5.6 Проведение экспериментов........................................................................155

5.7 Внедрение результатов исследований в производство и их эффективность.............................................................................................................164

5.7.1 Расчёт капитальных вложений на изготовление установки..................165

5.7.2 Расчёт годовой экономического эффекта технологии восстановления изоляции открытых лобовых соединений якорной обмотки инфракрасным излучением...................................................................................................................168

5.7.3 Расчёт срока окупаемости внедрения установки по восстановлению изоляции открытых лобовых соединений якорных обмоток тяговых

электрических машин.................................................................................................169

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ....................................................172

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................................189

Приложение 1....................................................................................................190

Приложение 2....................................................................................................193

Приложение 3....................................................................................................195

Приложение 4....................................................................................................198

Приложение 5....................................................................................................199

Приложение 6....................................................................................................207

Приложение 7....................................................................................................223

ВВЕДЕНИЕ

Третий этап реформирования железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для повышения конкуренции в сфере грузовых и пассажирских перевозок, перехода к свободному ценообразованию в конкурентных секторах.

Процессы развития научно-технического прогресса являются решающим фактором повышения эффективности железнодорожного транспорта и, в частности, электроподвижного состава в современных условиях, что имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, и в первую очередь грузовых. Резко обострилась проблема снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава (далее ТПС), экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 №877-р.

Актуальность темы исследования: Анализ статистических данных, полученных на протяжении последних десяти лет сотрудниками кафедры «Тягового подвижного состава» МГУПС (МИИТ) по данным Департамента главного управления локомотивного хозяйства на основании ежегодных анализов технического состояния электровозного парка по сети железных дорог РФ показал пониженную надёжность тяговых электрических машин (ТЭМ). В среднем за период с 1995 года на отказы ТЭМ приходится 22-25% от общего количества [1]. Одной из причин отказов ТЭМ служит пробой изоляции из-за особенностей климатических условий внешней среды и нарушении технологии технического содержания изоляции неоднократно обсуждался в научных и

практических трудах специалистов тягового подвижного состава. Причины резкого увеличения пробоев изоляции якорей ТЭМ НБ-514 были неоднократно отражены в работах A.M. Худоногова и В.П. Смирнова [2,3]. В этих работах отмечалось, что из-за низкой влагостойкости изоляции открытых лобовой соединений (OJIC) якорной обмотки со стороны противоположной коллектору, конструкционных и эксплуатационных факторов, отсутствия систем по нормализации изоляционных конструкций в период с 1999 по 2002 года, наблюдался резкий рост отказов ТЭМ, в основном по пробою изоляции в OJIC со стороны противоположной коллектору якоря ТЭМ. Который в свою очередь, был обусловлен условиями эксплуатации электровозов BJI85 на участке Тайшет - Таксимо (северный ход) и низкой влагостойкостью изоляции якоря ТЭМ НБ-514. В летний период 2001 года руководством локомотивного депо Нижнеудинск Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) было принято решение о дополнительной пропитке и последующей сушке изоляции OJIC якорных обмоток со стороны противоположной коллектору. В результате введения этой технологии количество отказов ТЭМ НБ-514 было снижено более чем в 1,7 раза. Анализ надёжности ТЭМ Восточного региона показывает, что на долю ТЭМ приходится более одной пятой отказов от общего числа отказов.

При исследовании наблюдается рост повреждений ТЭМ с увеличением срока эксплуатации. Эксплуатация электровозов с вышедшей из строя хотя бы одной ТЭМ - запрещено [4]. Затраты на устранение отказа ТЭМ в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования. Велик ущерб от задержек поездов при повреждениях ТЭМ. Две трети неисправностей ТЭМ вызваны пробоями изоляции якорных обмоток. Проводимые исследования показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки тягового оборудования, а также снижением расхода охлаждающего воздуха существенно меньше допустимых значений. Тепловое и термомеханическое старение изоляции электрических машин электровозов Восточного региона

ускоряется из-за значительных колебаний нагрузки при следовании по горноперевальному профилю дороги, с частыми подъемами и спусками.

В ходе проводимых исследований установлено, что выход из строя ТЭМ по повреждениям, преимущественно из-за пробоя изоляции вследствие её недопустимого переувлажнения, одна из важнейших проблем эксплуатации локомотивов на ВСЖД. Поэтому необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых способов и средств сушки пропиточным составом изоляции якорных обмоток ТЭМ. Применяемые в настоящее время, ремонтным персоналом методы диагностики состояния изоляции ТЭМ основаны на применении мегоомметра, не удовлетворяют современным требованиям, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию [5]. В связи с развитием технологий на отечественном рынке появились современные методы, и средства контроля состояния электроизоляции позволяющие диагностировать сразу несколько параметров, в том числе и степень увлажнения изоляции обмоток ТЭМ, как в эксплуатации, так и непосредственно при проведении ремонтов.

На сети электрифицированных железных дорог, по системе переменного тока, приходится более половины дорог страны, при этом эксплуатируются несколько серий грузовых электровозов - ВЛбОк, ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ80с, ВЛ80р, ВЛ80тк, ВЛ85. При этом срок их эксплуатации составляет от 12 до 35 лет. Электровозы Восточного региона работают на крутых (17%о и более), протяжённых расчётных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную. Для поддержания локомотивов в работоспособном состоянии, важно при ремонте обеспечивать качественную сушку пропитанной изоляции якорных обмоток ТЭМ.

В связи с этим возникает потребность ввода в технологические процессы новых способов, принципов и средств сушки пропитанной изоляции якорных обмоток ТЭМ при выполнении ремонтов.

При исследованиях установлено, что значительная часть отказов электровозов приходится на ТЭМ. Их состояние изоляции характеризуются и зависят от многих параметров. Одним из важнейших является сопротивление изоляции якорной обмотки [6,7,8,9,10].

Электроизоляционные системы ТЭМ составляют примерно 0,03% от массы, но имеют исключительную важность и влияют на возможности конструкторских решений и технологии изготовления ТЭМ, в итоге - на их удельную массу (кг/кВт, кг/кН) и габаритные размеры, на надёжность и долговечность ТЭМ. В связи с этим совершенствование систем изоляционных материалов ТЭМ осуществлялось путем создания новых более прогрессивных материалов и технологических процессов и заменой ими устаревших.

Процесс этот, начался с замены бумагомикалентной изоляции, асфальтобитумных лаков стекломикалентной изоляций, кремнийорганическими лаками. В 70-е годы эти системы уступили место более совершенной изоляции типов «ВЭС-2» и «Монолит» на базе стеклослюдинистых лент и эпоксидных компаундов. В дальнейшем в электроизоляционных системах ТЭМ для магистральных электровозов стала применяться изоляция на основе полиамидных материалов с повышенной нагревостойкостью, допускающей рабочую температуру обмоток до 180°С и с более высокой механической прочностью. Применение таких, более совершенных, изоляционных систем позволило повысить мощность ТЭМ более, чем на 20%. Конструктивное совершенствование ТЭМ как машины предельной мощности, возможно при использовании электромагнитных материалов повышенного качества, для выполнения рациональной магнитной системы. Для ТЭМ необходимо выбирать электротехническую сталь со сниженными удельными потерями, уменьшенным допуском при разной толщине и волнистости листов с повышенным значением магнитной индукции при возможно стабильном характере её свойств. Важное место при оценке технико-экономического уровня КПД принадлежит их коллекторам, следовательно, и материалам из которых они изготовляется.

На отказы изоляции приходится от 40 до 70 % и уже давно назрел вопрос о создании научно-исследовательного центра по проблемам изоляции ТЭМ, который будет проводить исследования новых лаков, компаундов и других изолирующих материалов для ТПС.

В качестве объекта исследования рассматривается ТЭМ электровоза BJI85.

Предметом исследования является новый подход к электротехнологическому продлению ресурса ТЭМ тепловым методом с применением инфракрасного (ИК) излучения, а также процессы, протекающие при восстановлении изоляции OJIC якорной обмотки НБ-514.

Степень разработанности проблемы. Проблемам повышения эффективности ТПС посвящены труды авторов Ю.А. Бахвалова, И.Н. Богаенко, В.И. Бочарова, А.И. Володина, И.И. Галиева, З.Г. Гиоева, М.Д. Глущенко, В.Г. Григоренко, Ю.А. Давыдова, A.A. Зарифьяна, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаева, В.А. Камаева, A.JI. Курочки, В.А. Кучумова, A.JI. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.Б. Меделя, М.Д. Находкина, М.П. Пахомова, A.B. Плакса, В.В. Привалова, А.Н. Савоськина, И.В. Скогорева, В.В. Стрекопытова, В.П. Феоктистова, В.А. Четвергова, В.Г. Щербакова, В.П. Янова и др.

Существенный вклад в решение вопросов надёжности наиболее «слабых» узлов ТЭМ — изоляционных конструкций внесли В.Д. Авилов, В.Г. Галкин, И.П. Гордеев, Г.Б. Дурандин, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, A.C. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.Т. Осяев, В.М. Попов, A.C. Серебряков, В.В. Харламов, A.M. Худоногов и др.

Цель работы - обеспечение требуемого уровня надёжности ТЭМ восстановлением изоляции открытых лобовых соединений якорей обмоток тепло