автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Рациональные режимы сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин

КОНОВАЛЕНКО ДАНИИЛ ВИКТОРОВИЧ

РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Хабаровск-2007

003068221

Работа выполнена в государственном образовательном учрежден™ высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ИРГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Худоногов Анатолий Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Давыдов Юрий Анатольевич кандидат технических наук, доцент Бакланов Александр Алексеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Уральский государственный

университет путей сообщения» (УрГУПС)

Защита состоится «10» мая 2007 г. в 15— часов на заседании диссертационного совета К 218.003.01 в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ДВГУПС) по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан д^г/^е/иЛ- 2007 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

Э.Г. Бабенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Начавшийся второй 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 хозяйству. Данное развитие имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема повышения надежности тягового подвижного состава (ТПС) и снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации финансируемой инвестиционной программы ресурсосбережения, которая является составной частью раздела о железнодорожном транспорте Федеральной целевой программы Правительства Российской Федерации «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг.)».

Анализ эксплуатационной надежности ТПС показал, что выход из строя тяговых электрических машин (ТЭМ) по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава на сети дорог Восточных регионов. С целью решения данной проблемы, необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых методов и средств диагностирования состояния изоляции тяговых электрических машин и их ремонта. Имеющиеся в настоящее время в распоряжение ремонтного персонала методы и средства диагностики состояния изоляции тяговых электрических машин, основанные в основном на применение мегомметра, не удовлетворяют современным требования, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту с учетом фактического состояния. Появившиеся на отечественном рынке современные технологии контроля состояния изоляции позволяют диагностировать тяговые электрические машины с учетом большого числа параметров, в том числе и степени увлажнения изоляции обмоток. Это в свою очередь дает возможность устанавливать предельно допустимые значения по степени увлажнения изоляции, с целью предотвращения пробоя.

Условия эксплуатации узлов и деталей оборудования электровозов и электропоездов за последние пять лет показывают, что большая доля отказов прихо-

дится на тяговые электрические машины, при эксплуатации в осенне-зимне-весенний период времени, т. е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности.

В связи с этим возникает потребность внедрения в технологические процессы ремонта новых принципов, методов и средств сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин, с целью повышения их эксплуатационной надежности.

Цель работы - обоснование ресурсосберегающих режимов сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин путем применения эффективных методов и электротехнических средств энергоподвода.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов и электропоездов при эксплуатации их на сети железных дорог страны и Восточных регионов (на примере ВСЖД, КрЖД, ЗабЖД);

- провести анализ методов и режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава;

- изучить механизм увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин;

-провести экспериментально-теоретические исследования широтно-преры-вистых методов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ;

- разработать математическую модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программу «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;

- внедрить результаты исследований в производство и определить их технико-экономическую эффективность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- установлена закономерность по регулированию рациональных режимов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ путем управления уровнем прерывистого энергоподвода с использованием ряда Маклорена;

- впервые установлена взаимосвязь между периодами увлажнения и сушки электроизоляции, на основании которой сформулированы динамика и кинетика процесса изменения объема электроизоляции;

- разработаны математическая модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программа «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;

- предложен новый широтно-прерывистый принцип энергоподвода для сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ с нисходящим уровнем энергоподвода в

- каждом из последующих циклов.

Практическая ценность:

- экспериментально полученные статистические характеристики механизмов увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин, позволяют определить не только степень поляризации и абсорбции, но и дать полную характеристику механизмов увлажнения и сушки;

- разработаны мероприятия по поддержанию оптимальной влажности изоляции обмоток ТЭМ;

- обоснован алгоритм управления процессами сушки обмоток изоляции тяговых электрических машин, основанный на использовании широтно-прерывистого метода сушки, что обеспечивает энергосбережение в технологии производства и повышение ресурса электрооборудования тягового подвижного состава, и, в итоге, приводит к сокращению эксплуатационных расходов.

Реализация результатов работы подтверждена:

- актом внедрения методики диагностики и контроля степени увлажнения изоляции в учебный процесс университета по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог», по дисциплинам «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС»;

- внедрением технологического процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин в локомотивном депо Новая Чара ВСЖД, утвержденным Т ВСЖД;

- актами внедрения вариационно-конвективной установки (УВК) для сушки электрических машин тягового подвижного состава в локомотивном депо Новая Чара, Нижнеудинск, Иркутск-сортировочный ВСЖД.

На защиту выносятся:

- механизм увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин;

- широтно-прерывистый метод сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ с нисходящим уровнем энергоподвода в каждом из последующих циклов;

- математическая модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программа «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ».

Апробация работы:

Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на: - региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); - всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие» (г. Красноярск, 2006 г.); - всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академи-

ческой науки «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», (г. Чита, 2006 г.); - всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны интеллектуальной собственности» (г. Иркутск, 2006 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2006 г.); - IV Байкальском международном экономическом форуме «Европа - Россия - Азиатско-Тихоокеанский регион: пути интеграции и сотрудничества» (г. Иркутск, 2006 г.); - совещании с участием НЗТ и Т ВСЖД, посвященном внедрению ресурсосберегающих технологий в локомотивном хозяйстве ВСЖД (2005 г.); - совещании с участием технического руководства локомотивного департамента ОАО «РЖД» в локомотивном депо «Иркутск-Сортировочный» (2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 105 наименований и содержит 193 страницы основного текста, 29 таблиц и 68 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность выбранной темы диссертации, дана краткая характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ надежности изоляции тяговых электрических машин электровозов и электропоездов Восточного региона. Анализ по надежности ТЭМ на железных дорогах Восточного региона показал, что 75...85 % машин выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности. Для выяснения причин пробоев изоляции якорей и полюсов ТЭМ изучены труды ведущих научно-исследовательских организаций и учреждений, занимающихся проблемами надежности изоляции обмоток ТЭМ ВэлНИИ, ВНИИЖТ, УрГУПС, ДВГУПС, ОмГУПС, УО ЦНИИ МП С, МГУПС (МИИТ), РГОТУПС и других организаций и учреждений нашей страны.

На основании проведенного анализа определена цель работы и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приведено исследование основных направлений в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ. Определены особенности использования методов сушки увлажненной изоляции ТЭМ, связанные со спецификой обследуемых устройств и узлов.

Особенно большой вклад в развитие теории, технологии и техники сушки изоляции тяговых электрических машин внесли российские ученые Галкин В.Г., Гапушко А.И., Глущенко, И.П., Дурандин Г.Б., Исмаилов Ш.К., Казанский М.Ф., Карташев В.И., Котеленец Н.Ф., Красников В.В., Кузнецов H.JL, Курбасов A.C., Левкгский В.М., Лыков A.B., Максимов И.С., Маслов В.В., Михайлов Ю.А., Никитина Л.М., Ребиндер П. А., Серебряков A.C., Смирнов В.П., Соболев В.М., Со-нин B.C., Сухопрудский Н.Д., Хазановский П.М., Худоногов A.M. и другие. Значительный вклад в развитие повышения эффективности управления локомотивным хозяйством, включая и повышение эксплуатационной надежности ТЭМ, путем внедрения автоматизированной системы управления локомотивным хозяйством (АСУТ) внесли Ротанов H.A., Феоктистов В.П., Лакин И.К., Давыдов Ю.А. и другие.

Для удаления влаги из изоляции обмоток электрооборудования наукой и практикой предлагается большое количество принципов, методов, способов и средств. Среди них наиболее широкое применение в практике сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ электровозов и электропоездов получил конвективный метод с использованием стационарных или передвижных калориферных установок. Такая практика существовала и на ВСЖД. Однако в последние годы сушку увлажненной изоляции ТЭМ электровозов горячим воздухом от калориферов прекратили, а заменили сушкой при помощи вентиляторов электровозов с параметрами теплоносителя, зависящими от температуры и влажности воздуха в цехе депо или на ПТОЛ. Этот метод с точки зрения организации вентилирования изоляции обмоток ТЭМ - наиболее простой и доступный, и поэтому он был выбран для удаления влаги из обмоток. Однако технология сушки увлажненной изоляции ТЭМ этим методом не позволяет управлять параметрами теплоносителя, а, следовательно, качественно сушить изоляцию. Предварительные расчеты по диаграммам Л.К. Рамзина и исследования показывают, что сушка увлажненной изоляции обмоток ТЭМ холодным воздухом с высоким влагосодержанием в течение длительного времени приводит не только к большим затратам энергии, но и не позволяет в большинстве случаев восстановить допустимые параметры по сопротивлению изоляции.

В третьей главе проведено экспериментально-теоритическое обоснование режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ. Рассмотрены процессы динамики и кинетики увлажнения и сушки изоляции обмоток ТЭМ.

Система дифференциальных уравнений, описывающая динамику процесса переноса тепла и влаги в изоляции обмоток ТЭМ, выглядит следующим образом:

^ = Ч2и+К12У2( + К13Ч2Рт + К14У2У; (1)

йт

~ = к2,ч2и+к22ч21+к23ч2гт + к2уу; (2)

ах

нр

~^- = К31У2и+К32Уг1 + К33У2Рп+К34У2У- (3)

ат

к„ч2и + + К43У2Рт + К44У2У. (4)

Система уравнений (1)...(4) показывает, что изменение объема обмоток ТЭМ У с течением времени г происходит под действием трех движущих сил. Под действием изменения влагосодержания и и массосодержания, температуры ? и давления Рт. Трудности разработки схемы численного решения системы дифференциальных уравнений (1)...(4) связаны с определением коэффициентов тепло- и массопереноса (КЦ...К44). Задача получается достаточно сложной в аналитическом отношении, так как она является нелинейной. Однако под действием этих трех движущих сил происходит увеличение или уменьшение объема изоляции обмоток ТЭМ, в результате чего происходит образование микротрещин и микропустот в изоляции.

Выход из данной ситуации заложен в анализе кривых роста и скорости роста объема обмоток ТЭМ в процессах переноса тепла и влаги. Надо полагать, что кривые изменения объема изоляции обмоток ТЭМ и кривые сорбции и десорбции имеют одинаковый Б-образный вид. Путем графического дифференцирования можно получить кривые скорости изменения объема электроизоляции ТЭМ, с помощью которых можно наиболее полно анализировать кинетику процесса тепло -и влагообмена. Кривые скорости изменения объема электроизоляции ТЭМ будут иметь трапециидальный вид. Физически это объясняется наличием в процессах увлажнения и сушки электроизоляции ТЭМ трех основных периодов: нарастающей, постоянной и спадающей скорости изменения объема электроизоляции обмоток ТЭМ. Все три периода описываются одним уравнением - уравнением Я-образной кривой

Уравнение (5) интересно в том отношении, что оно рассматривает протекание процесса переноса тепла и влаги в изоляции обмоток ТЭМ под действием двух движущих сил: под действием отклонения текущего объема изоляции обмоток ТЭМ V от начального разнообъемного значения утч и под действием откло-

разн

г кон

нения Кот конечного разнообъемного значения Vp„m-

Под разнообъемносгью понимается соотношение объемов в изоляции обмоток ТЭМ между сухой частью и водой. Наличие положительного и отрицательного знаков перед уравнением (5) указывает на то, что в процессах тепло- и влаго-обмена за счет всех движущих сил происходит увеличение или уменьшение объема изоляции обмоток ТЭМ.

Решение (5) для начальных условий т= О, V ~VH имеет вид , /у - у"ач )(укш -у)

J . * и разн/\ т разн ' /

г =--In--. (6)

V /1/"°н _ Г/»'™ ) fy»» _ I/ \(У _ У»"« ) v '

ям разн разн/ ' разн тн/\ рази'

Трудности применения уравнения (6) связаны с нахождением параметров V*pl"m и Кт. Параметры КД" и Кт можно определить, получив и решив систему уравнений кинетики процесса переноса тепла и влаги, отражающих взаимосвязь между тепло — и влагообменом и изменением объема обмоток ТЭМ. Из дифференциального уравнения энергетического баланса применительно к процессу нагрева изоляции обмоток ТЭМ

Т=Т1п(7)

min

где Т - постоянная времени нагрева электроизоляции ТЭМ, с; в - превышение температуры электроизоляции над температурой окружающей среды, К.

Постоянную времени нагрева Т можно рассчитать по геометрическим и физическим характеристикам электроизоляции ТЭМ.

Считая, что существует полное совпадение по фазам между явлениями тепло* и влагообмена и изменением объема электроизоляции ТЭМ, из выражений (6) и (7) получаем необходимую систему уравнений для кинетики процесса переноса тепла и влаги в электроизоляции

' /у -у"" )(укон -у) д

' н г разн у \ разн 's w max

(укон _у )(У„УН™ ) Q .

\г разн г н r w рази/ ^ mm /Q,

, (8)

- = Т.

к (У"» -унач ) "иг рази разн '

Отсюда

Величину можно использовать в качестве модифицированного обобщенного диагностического параметра при прогнозировании состояния электроизоляции ТЭМ,

На основании уравнений динамики и кинетики процесса изменения объема электр о изоляции ТЭМ, разработана программа «Автоматизированный программный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин», с помощью которой можно определять рациональный режим сушки увлажненной изоляции ТЭМ, не производя специальных расчетов и измерений (рис. I). В основе этого метода лежат номограммы, устанавливающие статистические связи между сопротивлением изоляции (коэффициентом абсорбции) и влагосодержанием изоляции.

ЧщИМ,цII Ж[Н>|].1НП|.1П программный К'1 'МЦ к К1' |>,И Ч<1.1 ЦрпЦС^СЦ НИИ

Ш'Н№И и ПГ1.Н1ГСС1 ф|ОТ4|С Т'*М

Рис. 1. Автоматизированный программный комплекс расчета процесса сутки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин

В диссертации разработан алгоритм применения способа для выбора режимов сушки ТЭМ, при этом относительная погрешность не превышает 5 % по сравнению с расчетными данными.

Четвертая глава посвящена проведению экспериментальных исследований режимов знергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.

Анализ термограммы и кривой кинетики процесса сушки изоляции с физико-механической связью влаги по схеме М.Ф. Казанского (рис. 2) показывает, что для удаления свободной влаги в начальный момент процесса сушки целесообразно подводить большое количество энергии до достижения предельно допустимой температуры для данного класса изоляции с целью интенсификации процесса вла-гоудаления и сокращения времени на процесс сушки. По мере удаления влаги из изоляции уровень подводимой энергии необходимо снижать и поддерживать оптимальную температуру для данного класса изоляции с позиций устранения явлений, связанных со старением ее от воздействия высоких температур.

Время работы нагревателя калорифера в первом цикле определяется

Toi -Тн1п -> (Ю)

max н ' преддоп

где Т„ - постоянная времени нагрева ТЭМ; t^ — предельно допустимая температура для данного класса изоляции; У„рем„„ - предельно допустимая скорость нагрева для данного класса изоляции.

Выражение (10) получено на основании решения уравнения (5) кривой кинетики процесса изменения объема изоляции в процессе сушки.

На основании исследований ученых УрГУПС были сформулированы классические положения по энергосберегающим методам и режимам сушки увлажненной изоляции тяговых электрических машин и аппаратов. Было установлено, что сушка изоляции воздухом нагретым до 50...70°С требует примерно в 1,5 раза больше времени, чем при температуре 90...100 °С. Чтобы ускорить процесс электрокалориферной сушки, было предложено через каждые 3...4часа отключать

Рис. 2. Термограмма сушки (1) и кривая кинетики сушки (2) капилярнопористых материалов различной природы

питание электронагревателей, не выключая вентилятора установки. К сожалению, эти рекомендации не полностью были реализованы в производственной практике и большая часть инструкций и руководств по эксплуатации ЭПС рекомендуют начинать сушку увлажненной изоляции при низких температурах теплоносителя.

Разработанные к настоящему времени модели старения изоляции электрооборудования от воздействия температур в процессах эксплуатации позволяют использовать их и при анализе процессов сушки увлажненной изоляции. Первые работы по определению срока службы изоляции относились в основном к изоляции класса А (индекс нагревостойкости — 105 °С). Нагревостойкость определяется скоростью старения изоляции в условиях повышенных температур. В результате исследований было сформулировано так называемое «правило восьми градусов», согласно которому превышение температуры на каждые восемь градусов сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое. Однако это правило было сформулировано на основе уравнения, полученного эмпирическим путем, и этими положениями можно пользоваться только при ориентировочных расчетах и в тех случаях, когда процесс сушки изоляции обмоток ТЭМ идет при неизменной температуре. В большинстве практических случаев режимы сушки таковы, что температура изоляции в процессе сушки не остается постоянной. При анализе влияния переменной температуры на старение изоляции целесообразно применять методы эквивалентирования и идентификации тепловых режимов с введением производной от температуры.

В этой связи нами были рассмотрены и проанализированы различные варианты сушки увлажненной изоляции при помощи электрокалориферных установок. Известно, что этот метод применяется для сушки изоляции ТЭМ.

Технологический процесс сушки увлажненной изоляции ТЭМ с помощью электрокалориферной установки можно с позиций энергоподвода и выбора режима организовать по следующим схемам:

1.) постоянный энергоподвод;

2.) прерывистый энергоподвод.

При постоянном энергоподводе нагревательные элементы и вентилятор электрокалорифера остаются включенными в течение всего процесса сушки изоляции. При прерывистом энергоподводе происходит чередование периодов включения и отключения нагревательных элементов при постоянно включенном вентиляторе. С позиций ресурсосбережения наибольший интерес для исследования представляет прерывистый энергоподвод. График работы электронагревателя калорифера в прерывистом режиме приведен на рис. 3.

4, .ь К

Кривая энергопотребления, А=/(т)

КрШШЯ нагрева ИЗОЛЯЦИИ, / — ](т)

Время процесса сушки изоляции г, мин 1ц — время цикла, мин; Тр - время работы, мин; тп — время паузы, мин.

Рис. 3. Работа электронагревателя калорифера в Прерывистом режиме

Поясним, как должен работать аппарат управления электронагревателем. При помощи специального устройства, работающего как ключ, периодически Присоединяют к источнику питании электронагреватель калорифера и затем отключают его. Замыкание и размыкание ключа происходит с периодом повторения тц, В течение промежутка времени тР ключ замкнут, а в течение промежутка времени тп ключ разомкнут. Среднее значение мощности электронагревателя зависит от соотношения величин тр и тц. Отношение гр к тц называется коэффициентом относительной продолжительности включения электронагревателя, обозначим этот параметр индексом е. Коэффициент относительной продолжительности включения электронагревателя определяется по выражению

Т„

(П)

Следовательно, изменяя значения тР и тц , можно регулировать среднее значение мощности нагревателя электрокалорифера и управлять процессом сушки увлажненной изоляции. Кривая нагрева изоляции будет иметь пилообразный вид, отражающий процесс сутки при прерывистом нафеве. Через определенное время

температурный режим при прерывистом энергоподводе практически установится и общий подъем кривой нагрева изоляции прекратится.

Включение и отключение электронагревателей калорифера при прерывистом энергоподводе осуществляется широтно-прерывистым метод управления электронагревателем калорифера.

Принцип регулирования энергоподводом в процессе сушки увлажненной изоляции путем широтно-прерывистого метода управления электронагревателем калорифера базируется на том, что сохраняется неизменным период цикла тц, в течение которого происходит включение и отключение электронагревателя калорифера, изменяется интервал тР, в течение которого происходит включение электронагревателя. Были исследованы три режима широтно-прерывистого энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции:

- с постоянным уровнем энергетической мощности в каждом цикле;

- с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле;

- с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле.

При исследовании режимов широтно-прерывистого энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции была учтена инструкция МПС ЦТ/814. Для ускорения процесса удаления влаги из внутренних слоев изоляции и охлаждения коллекторных пластин под щетками инструкцией рекомендуется через 4...5 часов снизить температуру воздуха до 50...60°С. Выполнить эту рекомендацию можно при организации процесса сушки увлажненной изоляции методом широтно-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле, т.е. так, как это показано на рис. 4. Так как влага находится в основном в поверхностных слоях изоляции обмотки, то в период интенсивного нагрева большая часть ее будет удалена в первых циклах процесса сушки. Чередование периодов интенсивного нагрева изоляции с интенсивной вентиляцией позволяет использовать эффект внутреннего термовла-гопереноса и завершить процесс сушки с минимальными затратами энергии и на сравнительно низком температурном режиме. Это в свою очередь позволит не только значительно сократить расход энергии на процесс сушки, но и в значительной степени обеспечить более высокую надежность изоляции после сушки и уменьшить показатели ее старения.

: : ,

ЙЗДЕГ ъяК* !

45 ^ •

тт Время процесса сушки изоляции т, мин

Гц - время цикла, мин; 7> — время работы, мин; Тп - время паузы, мин.

Кривая нагрев а изоляции, ( - Дт)

V Кривая энергопотребления, А=/(т)

Рис. 4. Метод широта о-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле

Принципиально отличие будет при организация процесса суш км увлажненной изоляции методом широтно-прерывистого энергоподвода с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле, т.е. так, как это показано на рис, 5. Увеличение температуры к концу процесса сушки приведет не только к повышенным затратам энергии, по и к необратимым процессам в изоляции тяговых двигателей, к сокращению срока их службы. На основании исследований были установлены закономерности управления широтно-прерывистым методом сушки увлажненной изоляции ТЭМ. Описание этих закономерностей совпадает с разложением показательной функции в степенной ряд Маклорсна. Закон регулирования можно представить в виде этого ряда с показателем степени, учитывающим уровень увлажнения обмоток элекп-р о изоляции ТЭМ и постоянную времени нагрева электроизоляции.

Кривая энергопотребления, А—/(т)

Кривая на!рева изоляции, / =/(т)

IВремя процесса сушки изоляции г, мин

1/( и;:,'мя цикла, мин7 Гц ~

Ту — время работы, мни;

Тц~ время паузы, мин. Рис. 5. Метод широтио-гтрерывистото энергоподвода с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле

Прерывистые принципы управления процессами сушки увлажненной изоляции позволят получать не только эффект от сбережения энергии, ко и высокие качественные показатели при использовании различных методов сушки.

Экспериментальное исследование режимов сушки увлажненной изоляции было проведено на базе опытных участков локомотивных депо Иркутск-Сортировочный, Мижнеудинск, Новая Чара ВСЖД (рис. 6...7) с помощью разработанных мобильных управляемых электрокапориферных установок, а так же электрокалориферной установкой типа СФОЦ 70 производства ИРТРАНС (рис. 8).

Рис. 6. Электрокалориферная установка типа У В Э Рис. 7. Электрокалориферная установка типа УВС

'Ш-

Рис. 8. Электрокалориферная установка для сушки изолинии тягонык двигателей электропоездов С ФОН 70 Производственный эксперимент по исследованию различных режимов сушки изоляции обмоток ТЭМ проводился широтно-прерывным методом с использованием э^ектрокалориферной установки в течение шести часов в двух режимах:

- с нисходящим уровнем подвода энергии от электронагревателя (рис. 9. ..10);

- с восходящим уровнем подвода энергии от электронагревателя (рис. 11. ..12).

т

г

__[

1 — — -— Г\

1. 4-

1 / V -1 —

1 ]— 1 / а —

Рнс. 9, Изменение сопротивления изоляции якорной цепи при ншротно-прерывном методе сушки с понижением уровня энергии

Рис ю Изменение сопротивления обмотки возбуждения при Широтко-прерывном методе сушки с понижением уровня энергии

—1

/ ■

|

—.—.

Рис 11, Изменение сопротивления изоляции Рис, 12. Изменение сопротивления обмотки якорной цепи при широтно-прерывном методе возбуждения при широтно-прерыгшом методе сушка с повышением урэвня энергии сушки с повышением уровня энергии

Рассматривая полученные графики при двух методах сушки изоляции, можно заметить следующее:

- в начальный период сушки происходит некоторое снижение сопротивления изоляции;

- значительное увеличение сопротивления изоляции наступает только после подвода большого количества энергии;

- сопротивление изоляции якоря резко возрастает при переходе с режима нагрева на режим охлаждения.

Полученные результаты экспериментальных исследований подтвердили гипотезу о том, что широтно-прерывный метод с понижением уровня энергии будет наиболее рационален при повышенном влагосодержании в обмотках ТЭМ. Он позволяет завершить процесс сушки с минимальными затратами энергии и на сравнительно низком температурном режиме, что в свою очередь значительно сокращает время и расход энергии на процесс сушки, обеспечивает более высокую надежность изоляции после сушки и уменьшает показатели ее старения.

Пятая глава посвящена расчету экономической эффективности ресурсосберегающей технологии и техники сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин. Основными показателями, характеризующими эффективность внедрения, является интегральный экономический эффект (чистый дисконтированный доход), а также срок окупаемости затрат по его разработке и внедрению. Прибыль от внедрения в локомотивном депо установки может быть получена за счет сокращения количества отказов ТЭМ по причине пробоя изоляции. Прибыль складывается из экономии расходов на оплату электроэнергии, затраченной на сушку изоляции ТЭМ, а так же от уменьшения старения изоляции. Расчет приведен в ценах и нормативах по состоянию на 2006 год.

Прибыль от внедрения установки за первый год его работы с учетом затрат на ее изготовление и отладку для одного локомотивного депо составит 906,6 тыс. руб. Срок окупаемости при внедрении такой установки составит 0,33 года, по истечению которых прибыль перекрывает единовременные затраты.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ эксплуатационной надежности электрических машин тягового подвижного состава Восточных регионов (на примере ВСЖД, КрЖД, ЗабЖД) показал, что 75...85% машин выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности.

2. Установлено, что в условиях эксплуатации ТЭМ на ВСЖД основными причинами пробоя изоляции обмоток является перегрев и переувлажнение.

3. Исследования методов и средств энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ показывают, что нагрев воздуха до 40 °С позволяет уменьшить продолжительность сушки на 37 % по сравнению с сушкой воздухом с температурой 15...20 °С, нагрев до 60 °С - соответственно на 67 %, нагрев до 80 °С-на 98%.

4. На основании изучения механизмов сорбции и десорбции влаги изоляционными материалами ТЭМ была выдвинута гипотеза о том, что наиболее эффективными методами и средствами сушки изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава являются такие методы и средства, которые обеспечивают влагоудаление без существенных физико-химических изменений.

5. Исследования прерывистых методов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ показали, что использование метода широтно-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом последующем цикле позволяет снизить расход электроэнергии на сушку ТЭМ на 35 %, а время технологического процесса сушки увлажненной изоляции ТЭМ сократить в 1,5...2 раза.

6. Математические модели динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции позволили создать «Автоматизированный программный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин», с помощью которого можно определять рациональные режимы сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ по показаниям коэффициента абсорбции в пределах от 0,7 до 2.

7. Внедрение результатов исследований и испытаний проведено в четырех депо Восточно-Сибирской железной дороги филиала ОАО «РЖД» (локомотивных депо: Иркутск-Сортировочный, Нижнеудинск, Новая Чара; мотор-вагонном депо

Иркутск-Сортировочный). Акты внедрения по установленной форме приведены в приложении диссертации.

8. Годовая экономическая эффективность от внедрения вариационно-конвективной установки составляет 906,6 тыс. руб. в расчете на одно локомотивное депо при сроке окупаемости 0,33 года.

9. С целью уточнения форм и видов влаги с различными изоляционными конструкциями, следует продолжить теоретические и экспериментальные исследования на влаго-и водостойкость изоляции ТЭМ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Смирнов, В.П. Непрерывный контроль и регулирование температуры предельно нагруженного оборудования электровоза / В.П. Смирнов, A.M. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, А.И. Орленко, И.С. Пехметов, И.С. Гамаюнов, A.B. Ермолаев, Д.В. Коноваленко, В.Н. Иванов // Актуальные аспекты организации работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей / Под ред. А.П. Хоменко. -Иркутск, 2005.-С. 11-17.

2. Худоногов, A.M. Реализация исследований эксплуатационной надежности и использования мощности грузовых электровозов / A.M. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, А.И. Орленко, В.П. Смирнов, И.С. Пехметов, И.С. Гамаюнов, A.B. Ермолаев, Д.В. Коноваленко, В.Н. Иванов // Актуальные аспекты организации работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей / Под ред. А.П. Хоменко. - Иркутск, 2005. - С. 25-36.

3. Исмаилов, Ш.К. Надежность предельно нагруженного оборудования электровозов Восточного региона / Ш.К. Исмаилов, В.П. Смирнов, A.M. Худоногов,

A.И. Орленко, И.С. Пехметов, И.С. Гамаюнов, A.B. Ермолаев, Д.В. Коноваленко,

B.Н. Иванов // Актуальные аспекты организации работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей / Под ред. А.П. Хоменко. - Иркутск, 2005. -

C. 36-41.

4. Худоногов, A.M. Методы определения теплового старения изоляции асинхронных вспомогательных машин электроподвижного состава / A.M. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, А.И. Орленко, В.П. Смирнов, И.С. Пехметов, И.С. Гамаюнов, Д.В. Коноваленко, A.B. Ермолаев, В.Н. Иванов // Актуальные аспекты организа-

ции работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей / Под ред.

A.П. Хоменко. - Иркутск, 2005. - С. 76-82.

5. Худоногов, A.M. Метод расчета теплового старения изоляции обмоток тяговых электродвигателей I A.M. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, А.И. Орленко,

B.П. Смирнов, И.С. Пехметов, И.С. Гамаюнов, Д.В. Коноваленко, A.B. Ермолаев,

B.Н. Иванов // Актуальные аспекты организации работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей / Под ред. А.П. Хоменко. - Иркутск, 2005. -

C. 82-88.

6. Коноваленко, Д.В. Обоснование рациональных режимов энергоподвода в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электродвигателей / Д.В. Коноваленко // Вестник ИрГТУ. - 2006. - № 2 (26). - С. 14.

7. Худоногов, A.M. Ресурсосберегающие режимы сушки увлажненной изоляции тяговых электродвигателей электровозов однофазно-постоянного тока/

A.M. Худоногов, В.П. Смирнов, Д.В. Коноваленко // Труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности», 25-26 января 2006 г./ Под ред.

B.Г. Григоренко. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 65-70.

8. Коноваленко, Д.В. Обоснование рациональных режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ электрокалорифером / Д.В. Коноваленко, A.M. Худоногов // Труды региональной научно-технической конференции творческой молодежи, 18-19 апреля 2006 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 14-17.

9. Михальчук, Н.Л. Диагностика изоляции обмоток тяговых электрических машин методом волновых затухающих колебаний / Н.Л. Михальчук, A.M. Худоногов, В.П. Смирнов, А.И. Орленко, Д.В. Коноваленко // Труды региональной научно-технической конференции творческой молодежи, 18-19 апреля 2006 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 18-21.

10. Михальчук, Н.Л. Адаптивные системы управления тепловлагообменными процессами на электровозе / Н.Л. Михальчук, A.M. Худоногов, В.П. Смирнов, А.И. Орленко, Д.В. Коноваленко // Труды региональной научно-технической конференции творческой молодежи, 18-19 апреля 2006 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 21-25.

11. Коноваленко, Д.В. Кинетика увлажнения изоляции обмоток тяговых электрических машин / Д.В. Коноваленко // Сборник материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. II часть. / Сост.: Сувейзда В.В.; КРО НС «Интеграция». - Красноярск, 2006. - С. 398-400.

12. Коноваленко, Д.В. Кинетика увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин / Д.В. Коноваленко, Р.Ю. Упырь // Материалы международной научно-технической конференции / Под общ. ред. В.М. Сай. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. ун-та путей сообщения, 2006. - С. 177-179.

13. Коноваленко, Д.В. Передвижная вариационно-конвективная установка для сушки увлажненной изоляции увлажненной изоляции электрических машин тягового подвижного состава / Д.В. Коноваленко, Р.Ю. Упырь // Материалы международной научно-технической конференции / Под общ. ред. В.М. Сай. - Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. ун-та путей сообщения, 2006. - С. 179-180.

14. Коноваленко, Д.В. Пути повышения эффективности эксплуатации электрических машин тягового подвижного состава Восточного региона/ Д.В. Коноваленко, Р.Ю. Упырь // Труды Всероссийской научно-практичекой конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, Чита 22-24 ноября 2006 г. - Чита: ЗабИЖТ, 2006. — Ч. 1.-С. 172-177.

15. Коноваленко, Д.В. Организация управления процесса качества эксплуатации тяговых электродвигателей / Д.В. Коноваленко, Р.Ю. Упырь // Труды Всероссийской научно-практичекой конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки, Чита 22-24 ноября 2006 г. - Чита: ЗабИЖТ, 2006. - Ч. 1. - С. 177-182.

КОНОВАЛЕНКО ДАНИИЛ ВИКТОРОВИЧ

РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 2.04.2007. Подписано в печать 2.04.2007. Формат 60х84'/16. Бумага тип. № 2. Гарнитура Times New Romaa Печать RISO. Усл. печ. л. 1,4. Зак. 129. Тираж 100 экз.

Издательство ДВГУПС 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.

ВВЕДЕНИЕ

1 НАДЕЖНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1 Анализ надежности тяговых электрических машин электровозов

1.2 Анализ надежности тяговых электрических машин электропоездов ВСЖД

1.3 Систематизация исследований по надежности изоляции обмоток тяговых электрических машин ^

1.4 Цель и задачи исследований

2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

2.1 Основные направления в процессах сушки

2.2 Электрокалориферный метод сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин

2.3 Токовый метод сушки изоляции тяговых электрических машин

2.4 Анализ принципов и режимов энергоподвода в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ

2.5 Анализ метода сушки увлажненной изоляции при помощи вентиляторов электровозов

Выводы по главе

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЭМ

3.1 Формы и виды связи влаги с электроизоляцией

3.2 Диффузионно-фильтрационный влагоперенос в изоляции обмоток ТЭМ

3.3 Алгоритм расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток

Выводы по главе

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

4.1 Методика и техника экспериментальных исследований

4.2 Результаты лабораторных исследований механизма увлажнения и сушки электроизоляции

4.3 Результаты производственных исследований

Выводы по главе

5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ СУШКИ УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ТЭМ

5.1 Определение сметной стоимости оборудования

5.2 Определение дополнительных эксплуатационных расходов

5.3 Определение экономической эффективности внедрения

Выводы по главе

ВЫВОДЫ

Начавшийся второй 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 хозяйству. Данное развитие имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема повышения надежности тягового подвижного состава (ТПС) и снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации финансируемой инвестиционной программы ресурсосбережения, которая является составной частью раздела о железнодорожном транспорте Федеральной целевой программы Правительства Российской Федерации «Модернизация транспортной системы России (20022010 гг.)» [1].

Анализ надежности тяговых электрических машин Восточного региона показывает, что на долю тяговых электрических машин (ТЭМ) приходится более одной пятой отказов. На основании исследований установлено, что 75.85% тяговых электрических машин выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности.

Наблюдается рост повреждений ТЭМ по мере увеличения срока эксплуатации. Использование электровозов с вышедшим из строя хотя бы одной тяговой электрической машиной запрещается. Средняя стоимость устранения 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 обмоток. Испытания показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки 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 горно-холмистому профилю дороги, с частыми подъемами и спусками [2].

Исследованиями установлено, что выход из строя тяговых электрических машин по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции вследствие ее недопустимого увлажнения, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава в условиях ВСЖД. Необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых способов и средств сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин. Имеющиеся в настоящее время, в распоряжении эксплуатационного персонала методы и средства диагностики состояния изоляции тяговых электрических машин основаны на применении мегомметра не удовлетворяют современным требования, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. Появившиеся на отечественном рынке современные методы и средства контроля состояния электроизоляции позволяют диагностировать несколько параметров, в том числе и степень увлажнения изоляции обмоток тяговых электрических машин. А это в свою очередь позволяет устанавливать предельно допустимые значения по степени увлажнения изоляции, при которых возможен ее пробой.

Не менее важно обеспечивать качественную сушку увлажненной изоляции обмоток ТЭМ на используемых в настоящее время электровозах переменного тока. На сети железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, составляющей около половины электрифицированных дорог страны, эксплуатируются несколько типов грузовых электровозов - ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ85 [3]. Срок эксплуатации их составляет от 12 до 35 и более лет. Выпуск новых грузовых электровозов прекращен и в ближайшие 10-15 лет предполагается эксплуатация имеющегося в настоящее время парка электровозов без пополнения новыми локомотивами. Это в наибольшей мере касается Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Почти полностью электрифицированной по системе переменного тока, электровозы которой, работая на крутых (17%о и более) и протяженных расчетных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную.

В связи с этим возникает потребность ввода в технологические процессы различных способов, принципов и средств сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ.

Цслыо диссертационной работы является обоснование ресурсосберегающих режимов сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин путем применения эффективных методов и электротехнических средств энергоподвода.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

- выполнить анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов и электропоездов при эксплуатации их на сети железных дорог страны и Восточных регионов (на примере ВСЖД, КрЖД, ЗабЖД);

- провести анализ методов и режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава;

- изучить механизм увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин;

- провести экспериментально-теоретические исследования широтно-преры-вистых методов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ;

- разработать математическую модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программу «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;

- внедрить результаты исследований в производство и определить их технико-экономическую эффективность.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:

- установлена закономерность по регулированию рациональных режимов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ путем управления уровнем прерывистого энергоподвода с использованием ряда Маклорена;

- впервые установлена взаимосвязь между периодами увлажнения и сушки электроизоляции, на основании которой сформулированы динамика и кинетика процесса изменения объема электроизоляции;

- разработаны математическая модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программа «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;

- предложен новый широтно-прерывистый принцип энергоподвода для сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ с нисходящим уровнем энергоподвода в каждом из последующих циклов.

Практическая ценность работы заключается:

-экспериментально полученные статистические характеристики механизмов увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин, позволяют определить не только степень поляризации и абсорбции, но и дать полную характеристику механизмов увлажнения и сушки;

-разработаны мероприятия по поддержанию оптимальной влажности изоляции обмоток ТЭМ;

-обоснован алгоритм управления процессами сушки обмоток изоляции тяговых электрических машин, основанный на использовании широтно-прерывистого метода сушки, что обеспечивает энергосбережение в технологии производства и повышение ресурса электрооборудования тягового подвижного состава, и, в итоге, приводит к сокращению эксплуатационных расходов.

Реализация результатов исследований подтверждена:

- актом внедрения методики диагностики и контроля степени увлажнения изоляции в учебный процесс университета по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог», по дисциплинам «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС»;

-внедрением технологического процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин в локомотивном депо Новая Чара ВСЖД, утвержденным Т ВСЖД;

- актами внедрения вариационно-конвективной установки (УВК) для сушки электрических машин тягового подвижного состава в локомотивном депо Новая Чара, Нижнеудинск, Иркутск-Сортировочный ВСЖД.

Достоверность разработанных методик и эффективность технических решений подтверждена экспериментальными исследованиями.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на: - региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Красноярск, 2006 г.); -всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», (г. Чита, 2006 г.); - всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны интеллектуальной собственности» (г. Иркутск, 2006 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2006 г.); - IV Байкальском международном экономическом форуме «Европа - Россия - Азиатско-Тихоокеанский регион: пути интеграции и сотрудничества» (г. Иркутск, 2006 г.); - совещании с участием НЗТ и Т ВСЖД, посвященном внедрению ресурсосберегающих технологий в локомотивном хозяйстве ВСЖД (2005 г.); - совещании с участием технического руководства локомотивного департамента ОАО «РЖД» в локомотивном депо «Иркутск-Сортировочный» (2005 г.).

Публикации. Результаты исследований изложены в 15 опубликованных научных работах (статьи, доклады на конференциях).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 105 наименований и 4 приложений. Общий объем работы 193 страницы.

Общие выводы по результатам работы:

- анализ эксплуатационной надежности электрических машин тягового подвижного состава Восточных регионов (на примере ВСЖД, КрЖД, ЗабЖД) показал, что 75.85% машин выходит из строя по пробою изоляции в □сеннее-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности.

- установлено, что в условиях эксплуатации ТЭМ на ВСЖД основными причинами пробоя изоляции обмоток является перегрев и переувлажнение.

- исследования методов и средств энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ показывают, что нагрев воздуха до 40 °С позволяет уменьшить продолжительность сушки на 37 % по сравнению с сушкой воздухом с температурой 15.20 °С, нагрев до 60 °С - соответственно на 67 %, нагрев до 80 °С - на 98 %.

- на основании изучения механизмов сорбции и десорбции влаги изоляционными материалами ТЭМ была выдвинута гипотеза о том, что наиболее эффективными методами и средствами сушки изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава являются такие методы и средства, которые обеспечивают влагоудаление без существенных физико-химических изменений.

- исследования прерывистых методов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ показали, что использование метода широтно-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом последующем цикле позволяет снизить расход электроэнергии на сушку ТЭМ на 35%, а время технологического процесса сушки увлажненной изоляции ТЭМ сократить в 1,5.2 раза.

- математические модели динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции позволили создать «Автоматизированный программный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин», с помощью которого можно определять рациональные режимы сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ по показаниям коэффициента абсорбции в пределах от 0,7 до 2.

- внедрение результатов исследований и испытаний проведено в четырех депо Восточно-Сибирской железной дороги филиала ОАО «РЖД» (локомотивных депо: Иркутск-Сортировочный, Нижнеудинск, Новая Чара; мотор-вагонном депо Иркутск-Сортировочный). Акты внедрения по установленной форме приведены в приложении диссертации.

- годовая экономическая эффективность от внедрения вариационно-конвективной установки составляет 906,6 тыс. руб. в расчете на одно локомотивное депо при сроке окупаемости 0,33 года.

1. Смирнов В.П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза Текст.: Монография. Иркутск: Изд-во Иркут. Гос. Ун-та, 2003. - 328 с.

2. Электрификация железных дорог России Текст. (1929-1999 гг.)/ Под ред. П.М. Шпакина. М.: Интекст, 1999.-280 с.

3. Галкин В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. Надежность тягового подвижного состава Текст. М.: Транспорт, 1981. - 184 с.

4. Гук Ю.Б. Теория надежности в электроэнергетике Текст. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1990. - 208 с.

5. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и надежность электрических машин Текст. М.: Высш. Шк., 1988. - 232 с.

6. Юренков М.Г. Анализ надежности изоляции тяговых электрических машин НБ-406 Текст. // Исследование работы электрооборудования и вопросы прочности электроподвижного состава: Науч. Тр./ ОмИИТ. Омск, 1974. Т. 163. С. 58-62.

7. Юренков М.Г. Анализ влияния условий эксплуатации на надежность тяговых электрических машин Текст. // Исследование работы электрооборудования и вопросы прочности электроподвижного состава: Науч. Тр./ ОмИИТ. Омск, 1975. Т. 171. С. 57-60.

8. Исмаилов Ш.К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока Текст. -Омск: ОмГУПС, 2001. 76 с.

9. Исмаилов Ш.К. Электрическая прочность изоляции электрических машин локомотивов Текст.: Монография. Омск: Омский гос. Ун-т путей сообщения, 2003. - 272 с.

10. Сонин B.C. Оценка эксплуатационной надежности электровозов Текст. // Повышение эффективности использования электровозов на дорогах Урала и Сибири / Под ред. Ю.Н. Виноградова. М.: Транжелдориздат, 1963. - С. 37-64. (Труды ВНИИЖТа, вып. 226.).

11. Левитский В.М. Результаты тяговых испытаний электровозов ВЛ10 Текст. // Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов.- М.: Транспорт, 1974.- С. 4-6. (Труды ЦНИИ, вып. 516.).

12. Левитский В.М. Эксплуатационные испытания измененных узлов электровозов ВЛ10 Текст. // Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов. М.: Транспорт, 1974.- С. 9-18. (Труды ЦНИИ, вып. 516.)

13. Соболев В.М. Работа электровозов со снегоочистителями Текст. // Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов. М.: Транспорт, 1974.- С. 37-40. (Труды ЦНИИ, вып. 516.).

14. Глущенко М.Д. Проблемы эксплуатационной диагностики тяговых электродвигателей подвижного состава и пути их решения Текст.: Автореф. Дис. Докт. техн. наук. М.: МИИТ, 1999. - 39 с.

15. Серебряков A.C. Методы и средства для диагностики изоляции электрических машин и аппаратов ее защиты Текст.: Автореф. Дис. Докт. техн. наук. М.: МИИТ, 2000. - 48 с.

16. Макаров В.В., Смирнов В.П., Худоногов A.M., Ефремов Е.В. Ресурсосберегающие принципы технологии сушки увлажненной изоляции электрооборудования ЭПС Текст. // Сб. науч. Тр.- Хабаровск: ДВГУПС, 2001. Т.1.-С. 32-37.

17. Смирнов В.П., Худоногов A.M. Широтно-прерывный метод сушки увлажненной изоляции тяговых электродвигателей Текст. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2003. - №3. - С. 185-192.

18. Лыков A.B. Теория сушки Текст.- М.: Энергия, 1968. 472 с

19. Лебедев П.Д. Высокотемпературная сушка материалов под действием внутреннего градиента давления пара Текст., Труды МЭИ, 1958, выл.

20. Маслов В.В. Влагостойкость электрической изоляции Текст. М.: Энергия, 1973,

21. Страшимин Э.П. Увлажнение изоляции тяговых двигателей в зимних условиях Текст. Свердловск: УПИ, 1958. 37 с.

22. Рихтера М., Бартакова Б. Тропиколизация электрооборудования Текст. Пер. с чешского. М. Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 96 с.

23. Нестеренко A.B. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха Текст. М., «Высшая школа», 1971, 460 с.

24. Соболев В.М., Левитский В.М. Режимы сушки увлажненной изоляции тяговых электродвигателей Текст. // Электрическая и тепловозная тяга. №1. -1975. С. 23-24.

25. Ребиндер П.А. и др., Физико-химические основы пищевых производств Текст., Пищепромиздат, 1952.

26. Михайлов М. М. Влагопроницаемость органических диэлектриков Текст. Л.- М., Госэнергоиздат, 1960.

27. Михайлов М.Д. Нестационарный тепло- и массоперенос в одномерных телах Текст., Изд. ИТМО, Минск, 1969.

28. Казанский М.Ф. Влияние форм связи поглощенной влаги на кинетику гидродинамического поля в поликапиллярном-пористом коллоидном теле при сушке Текст. М.: Инженерно-физический журнал, т. 3 № 11, 1960.

29. Валушис В.Ю. Основы высокотемпературной сушки кормов Текст. -М.: Колос, 1977.-307 с.

30. Маслов В.В. Исследование влияния высокой влажности и воды на свойства некоторых диэлектриков Текст. Диссертация на соискание ученой степени канд. Техн. наук. Московский энергетический институт. Москва, 1967.

31. Гемант А. Электрофизика изолирующих материалов Текст. Пер. с нем. Л., изд-во «Кубуч», 1932.

32. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности Текст., изд-во «Химия», 1970.

33. Яманов С.А. Гидро-фобизация диэлектриков кремнийорганическими соединениями Текст. М., «Энергия», 1965.

34. Никитина Л.М. Таблицы равновесного удельного влагосодержания и энергия связи влаги с материалом Текст., Госэнергоиздат, 1963; Термодинамические параметры и коэффициенты массопереноса во влажных материалах, изд-во «Энергия», 1968.

35. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос Текст., изд-во «Энергия», 1965.

36. Коловандин Б.А. В кн.: «Тепло- и массоперенос» Текст., т. 1, изд-во «Энергия», 1968, стр. 154.

37. Лыков A.B., Мартыненко О.Г., Коловандин Б.А., Аеров В.Е. В кн.:

38. Тепло- и массоперенос» Текст., изд-во «Энергия» 1968, стр. 664.

39. Эккерт Э.Р., Дрейк P.M., Теория тепло- и массообмена Текст., госинергоиздат, 1961.

40. Смольский Б.М., Файнгольд JI.A. В кн.: «Тепло- и массоперенос» Текст., т. 10, Минск, 1968.

41. Вайнберг Р.Ш. В кн. «Тепломассоперенос» Текст., т. 10, Минск, 1968.

42. Лыков A.B. «Тепломассообмен» (Справочник) Текст., М., «Энергия», 1971.

43. Немухин В.П. Повышение нагревостойкости и влагостойкости изоляции тяговых электрических машин Текст. // Повышение надежности электрооборудования тепловозов. М.: Транспорт, 1974. С. 20-42.

44. Кулаковкий В.Б. Работа изоляции в генераторах. Возникновение и выявление дефектов Текст. М.: Энергоиздат, 1981. 255 с.

45. Немухин В.П., Яковлев В.Н. Эффективность применения нагревостойкости изоляции в тяговых электрических машинах тепловозов Текст. М.: Транспорт, 1977. 46 с.

46. Кучин В.Д. Исследование динамики электрического пробоя твердых диэлектриков Текст.: Автореф. Дис. Докт. физ.-мат. Наук. Одесса, 1971. 26 с.

47. Андреев Г.А., Воробьев A.A., Кучин В.Д. Температурная зависимость электрической прочности ионных кристаллов от температуры при электроннойформе пробоя Текст. // Изв. Вузов. Физика. 1958. №2. С. 114-120,

48. Кучин В.Д. Температурная зависимость процессов, протекающих при пробое твердых диэлектриков Текст. // Изв. Вузов. Физика. 1958. №4. С. 2536.

49. Александровский A.B. Основание Delphi7 Текст. // ВУТС, М., 2000.

50. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi7 Текст. // ЗАО «Издательство Бином», М., 2003. 1200 с.

51. Пинкус М.В. Развитие Borland Pascal Текст. // Интеллект. М., 2004. С. 10-12.

52. ГОСТ 11828-86. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытания. М., 1986. 42 с.

53. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

54. ГОСТ 10518-88. Системы электрической изоляции. Общие требования к методам ускоренных испытаний на нагревостойкость. М., 1988. 28 с.

55. ГОСТ 8.326-89. Метрологическая аттестация средств измерений. М., 1990. 14 с.

56. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнение для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды. М., 1983. 50 с.

57. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпиричеких формул Текст.: Учеб. Пособие. М.: Высш. Школа, 1982. - 224 е., ил.

58. Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ Текст. Издание 10-е, стереотипное. М., «Химия», 1973.

59. Шенк Н. Теория инженерного эксперимента Текст. М.: Мир, 1972. -312 с.

60. Космодамианский A.C. Измерение и регулирование температурыобмоток тяговых электрических машин локомотивов Текст. / Монография. -РГОТУПС, 2002.-285 с.

61. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологическом исследовании Текст. Киев; Техника, 1975.-168 с.

62. Инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних условиях. М.: Транспорт, 2001. - 72 с.

63. СТ МЭК 50 (411) 73. Вращающиеся электрические машины.

64. Протокол ЭМ-18-85. Квалификационные испытания тягового двигателя НБ-514 Текст. //ВЭлНИИ. Новочеркасск, 1985.

65. ГОСТ 183-74. Машины электрические вращающиеся. Общие технические требования.

66. ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

67. Инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних условиях: ЦТ/814 от 10.04.01. М.: Транспорт, 2001.-72с.

68. ЦТ-192 от 12.06.93. Инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних условиях. Москва, 1993 - 45 с.

69. Смирнов В.П. Режимы работы и непрерывная диагностика асинхронных вспомогательных двигателей электровозов переменного тока Текст. // Сб. науч. Тр.-Хабаровск: ДВГУПС, 2001.-Т. 1.-С. 75-80.

70. Худоногов A.M., Смирнов В.П., Макаров В.В. Повысить надежность асинхронных двигателей Текст. // Локомотив. 2003. № 3. - С. 39-40.

71. Распоряжение о системе технического обслуживания и ремонталокомотивов ОАО «РЖД» №3р, от 17.01.2005 г.790 системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» №423/Н, от 21.10.2005 г.

72. Худоногов A.M., Смирнов В.П., Худоногов И.А. Асинхронный электропривод технологических установок железнодорожного транспорта Текст. Учебное пособие. Иркутск, 2001 - 94 с.

73. Гинзбург А. С. Расчёт и проектирование сушильных установок пищевой промышленности Текст.-М.: Агропромиздат, 1958.-336 с.

74. ЦТ-ЦТВР/4782. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава. М.: Транспорт, 1975. 356 с.

75. Электровоз BJI85: Руководство по эксплуатации Текст. / Б.А. Тушканов, Н.Г. Пушкарев, JI.A. Позднякова и др. М.: Транспорт, 1992. - 480 с.

76. Магистральные электровозы: Общие характеристики. Механическая часть Текст. /В.И. Бочаров, И.Ф. Кодинцев, А.И. Кравченко и др. М.: Машиностроение, 1991.-224 с.

77. Нестеренко А. В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха Текст. М., «Высшая школа», 1971,460 с.

78. Методические рекомендации по оценкам эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте Текст. / Б.А. Волков, А.П. Абрамов, Ю.М. Кудрявцев, М.Т. Миджири, А.Д. Сапожников и др.; Под ред. Т.М. Миджири. -М.: Слово, 1997.-50 с.

79. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте Текст. М.: Транспорт, 1999. - 230 с.

80. Котлярова, Е. В. Расходы железных дорог и себестоимость перевозок Текст. / Е. В. Котлярова Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004. -71 с.

81. Дербас, Н. В. Определение экономической эффективности инновационных разработок Текст. / Н. В. Дербас Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2004.-69 с.

82. Виноградов Ю.Н. Методика определения сроков службы ремонтадеталей электровоза и анализ их износов Текст. Науч.тр./ЦНИИ МПС, 1963,- Вып. 266.- С.14-21.

83. Электрооборудование тепловозов: Справочник Текст. / B.C. Марченко, A.A. Сергеев, В.Т. Иванченко и др. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 248 е.: ил.

84. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров Текст. М.: Наука. Главная редакция физико-механической литературы, 1984. 831 с.

85. Коноваленко Д.В. Обоснование рациональных режимов энергоподвода в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электродвигателей // Вестник ИрГТУ. 2006. - №2 (26). - С. 14.