автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления изоляции электрических машин тягового подвижного состава при деповском ремонте

На правах рукописи

ДУЛЬСКИИ Евгений Юрьевич

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

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005549135

15 ПАИ 2014

ИРКУТСК 2014

005549135

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС (ИрИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ХУДОНОГОВ Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент СМИРНОВ Валентин Петрович

профессор кафедры «Тяговый подвижной состав»': ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения (МГУПС)»;

кандидат технических наук, доцент ШКОДУН Павел Константинович

доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)».

Защита диссертации состоится «20» июня 2014 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

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

Автореферат разослан 19 апреля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор ^^--- О. А. Сидоров

© Иркутский гос. университет путей сообщения, 2014

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время рабочий парк новых грузовых электровозов серии «Ермак» Э5К, 2ЭС5К и ЗЭС5К на сети железных дорог Восточного полигона обращения составляет уже порядка 500 единиц.

В качестве тяговых на электровозах серии «Ермак» используется коллекторный двигатель типа НБ-514Б, являющийся модернизированной версией коллекторного двигателя типа НБ-514, применяющегося на электровозах серии ВЛ85. Установлено, что низкая эксплуатационная надежность тяговых электродвигателей (ТЭД) типа НБ-514 во многом определена несовершенством конструкции изоляции лобовых частей обмоток якоря. Проблема низкой надежности тяговых двигателей типа НБ-514 осталось и у тяговых двигателей типа НБ-514Б электровозов серии «Ермак». По данным статистики, отказы ТЭД этих серий электровозов составляют 27 % от общего числа отказов всего оборудования.

Главная причина отказов ТЭД указанных серий электровозов и электрических машин (ЭМ) тягового подвижного состава (ТПС) - низкий ресурс изоляции их обмоток, поэтому значительное внимание уделяется проблеме восстановления ее ресурса.

Степень разработанности проблемы. Существенный вклад в изучение надежности ТПС железных дорог, систем технического диагностирования и ремонта внесли В. И. Бочаров, А. А. Воробьев, И. И. Галиев, И. П. Исаев, В. Н. Писунов, В. Б. Медель, В. А. Нехаев, В. А. Николаев, М. П. Пахомов, А. В. Плакс, А. П. Хо-менко, В. А. Четвергов, С. Г. Шантаренко и другие исследователи.

Значительный вклад в решение вопросов надежности наиболее подверженных отказам узлов ЭМ ТПС — изоляционных конструкций и коллекторно-щеточного узла ТЭД внесли В. Д. Авилов, А. Е. Алексеев, А. А. Бакланов, В. Г. Галкин, М. Д. Глущенко, А. Т. Головатый, И. П. Гордеев, А. В. Грищенко, Г. Б. Дурандин, М. Г. Дурандин, С. В. Елисеев, А. П. Зеленченко, Ш. К. Исмаилов, М. Ф. Карасев, А. С. Космодамианский, В. А. Кручек,

A. С. Курбасов, А. С. Мазнев, Р. Я. Медлин, А. С. Серебряков, В. П. Смирнов,

B. В. Харламов, О. И. Хомутов и многие другие.

Анализ состояния научной задачи отразил низкую эффективность и высокую энергоемкость современных методов и средств по восстановлению ресурса изоляции ЭМ ТПС, применяемых в настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД».

Технология капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов с открытыми головками секций серии НБ-514 инфракрасным (ИК) излучением, представленная в работах предшественников, показала свою эффек-

3

тивность с позиции улучшения качества ремонта, экономии энергии и времени на ремонт за счет физики самого процесса капсулирования ИК-излучением. Однако ранее не решалась задача по моделированию рациональных режимов ИК-энергоподвода в данной технологии.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств совершенствования технологии восстановления изоляции ЭМ для обеспечения работоспособности ТЭД электровозов в эксплуатации.

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

1) предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;

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

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на ее работоспособность в эксплуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;

5) усовершенствовать технологическое оборудование для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы для решения поставленных задач использовались методы математической статистики, теории тепломассообмена излучением, численные методы конечно-элементного математического моделирования теплофизических процессов, методы теории планирования эксперимента и метод оценки технико-экономической эффективности использования результатов исследований в производстве и учебном процессе.

Решение вычислительных задач осуществлялось с использованием программы Microsoft Excel 2010®. Для создания виртуальных трехмерных моделей применен пакет программ «Компас 3D vl3» компании АСКОН. Моделирование и инженерный анализ проводились в программном комплексе Patran-Marc/Sinda корпорации MSC Software.

Экспериментальные исследования проводились в специализированной лаборатории кафедры ЭПС ИрГУПСа «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС», в локомотивно-ремонтных депо ст. Нижнеудинск и Вихоревка и за-

ключались в сравнении конвективного и терморадиационного методов капсулирова-ния изоляции обмоток ЭМ ТПС, физическом моделировании режимов ИК-энергоподвода и проверке сходимости результатов математического моделирования с экспериментально полученными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) получена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала для повышения эффективности процесса капсулирования и качества восстановления изоляции ТЭД;

2) разработаны конечно-элементные математические модели, имитирующие различные режимы РЖ-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ТЭД для обеспечения эффективных температурных режимов и оценки работоспособности изоляции обмоток;

3) предложен спектрально-осциллирующий способ капсулирования изоляции обмоток ТЭД, повышающий качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения (получено положительное решение на получение патента на изобретение по заявке № 2012157499/07).

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

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

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

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

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 3 %.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) полученные математические модели позволяют выполнять оценку эффективности процесса капсулирования изоляции обмоток ТЭД и влияния технологических режимов на работоспособность изоляции в эксплуатации;

2) разработанная технология капсулирования изоляции обмоток ТЭД и усовершенствованная установка, реализующая способ капсулирования изоля-

ции лобовых частей обмотки якоря ТЭД НБ-514Б в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода, позволяют повышать качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения.

Реализация результатов работы. Результаты работы, полученные автором, применяются в проблемной лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС», используемой в научном и учебном процессе ФГБОУ ВПО «ИрГУПС» при подготовке инженеров по специальности 190303.65 - «Электрический транспорт железных дорог» - в рамках дисциплин «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС».

Результаты исследований переданы в Восточно-Сибирскую дирекцию по ремонту ТПС, а также внедрены в локомотивно-ремонтном депо «Нижнеудинское».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПСа «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации» (Иркутск, 2010); всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПСа «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (Иркутск, 2011 - 2012); научно-методической конференции «Проблемы и перспективы развития регионально-отраслевого университетского комплекса ИрГУПСа» (Иркутск, 2013); всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы - Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2012 - 2013); всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых ИрГУПСа с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012 - 2013); 9-й международной научно-технической конференции «Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии», посвященной 110-летию со дня рождения М. Ф. Карасева и 70-летию со дня образования кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа (Омск, 2013); научных семинарах кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПСа (Иркутск, 2010 -2013); заседании кафедры «Электрическая тяга» ПГУПСа (Санкт-Петербург, 2012); расширенном заседании кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПСа (Иркутск, 2013); расширенном заседании кафедры «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа (Омск, 2013).

Личный вклад соискателя. Автору принадлежат формулировка цели и постановка задач исследований, выполнение работ по математическому моде-

лированию, проектирование и создание лабораторных и опытно-производственных установок и выполнение значительной части экспериментов.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 15 работ, в том числе восемь статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и одна в железнодорожном специализированном тематическом журнале; получен патент на изобретение РФ №2494517.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка литературы из 155 наименований и содержит 190 страниц основного текста, 116 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отражена ее структура, сформулированы цель и задачи исследования, указана научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе проведен анализ надежности электровозов серии «ЕРМАК» по сети железных дорог Восточного полигона обращения. Выявлено, что по отказам среди прочего оборудования ТЭД данных серий электровозов занимают одно из первых мест (27 % за 2012 г.), одной из основных причин этого является низкий ресурс их изоляции. Проанализированы основные причины выхода из строя изоляционных конструкций, в результате чего установлено, что наиболее пагубным случаем для изоляции является наличие в ней влаги. Наличие влаги в изоляции объясняется несколькими факторами.

Главным из них является несовершенная система вентиляции ТЭД типа НБ-514Б. Обмотки его лобовых частей расположены в конце вентиляционного канала и недостаточно охлаждаются (рис.1). При этом если двигатель находится под воздействием низких температур, в области задней прижимной шайбы начинает конденсироваться влага, при остановке машины она приводит к переувлажнению лобовой части и проникновению воды в глубину паза проводников. В сравнении с активной частью обмотки, которая укладыва-

Рис. 1. Образование конденсированной влаги при осуществлении вентиляции ТЭД типа НБ-514Б

ется в паз и защищается от влаги клиньями из текстолита, лобовая часть подобной защиты не имеет.

Помимо этого в месте выхода секции из паза сердечника в области лобовой части напряженность электрического поля увеличивается. В этой зоне возникают направленные вдоль поверхности разряды. С повышением напряжения такие разряды могут проскакивать на большую длину, вплоть до полного перекрытия лобовой части.

Проведенный анализ позволил сформулировать задачи диссертационной работы, представленные в завершении главы.

Вторая глава посвящена выполнению качественного анализа влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на ее работоспособность в эксплуатации.

В процессе деповского ремонта структуру и физико-механические свойства изоляции ЭМ ТПС восстанавливают пропиткой в электроизоляционном материале (ЭИМе) (лаке, компаунде) с последующей ее сушкой или капсулиро-ванием. Анализ методов капсулирования показал, что наиболее эффективным по сравнению с другими методами является терморадиационный метод капсулирования, который имеет значительно большую плотность теплового потока в сравнении с другими. В настоящее время в процессе деповского ремонта сушку пропитанной в ЭИМе изоляции ЭМ ТПС осуществляют в сушильных конвективных электрических печах типа СДО с установленной мощностью 80 кВт. Время сушки изоляции обмоток ЭМ ТПС в данной печи может достигать 48 ч, что приводит к значительному расходу электроэнергии. В данном случае теплоносителем является нагретый воздух, передача тепла происходит путем естественной и искусственной конвекции. При этом тепло распределяется от верхнего слоя изоляции к нижнему, образуя на поверхности пленку, препятствующую выходу паров растворителя, которые в свою очередь, прорываясь через эту пленку, образуют микрополости, являющиеся зонами возникновения частичных разрядов и впоследствии приводящие к электрическому пробою. При терморадиационной сушке ИК-излучение проходит расстояние от источника до облучаемой поверхности почти без потерь, нагревая при этом проводник обмотки, который в свою очередь нагревает пропиточный материал снизу вверх, ускоряя удаление растворителя, тем самым значительно сокращая время процесса капсулирования (применительно к изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б процесс терморадиационного капсулирования занимает всего 30 мин). По результатам проведенного анализа предложены технические решения по использованию терморадиационного метода

сушки в процессе капсулирования изоляции элементов ЭМ ТПС, таких как якорь и остов ТЭД, а также статора асинхронных вспомогательных машин.

Третья глава посвящена математическому моделированию процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК», а также разработке конечно-элементных математических моделей для оценки работоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИК-энергоподвода при ремонте.

Проанализировано пространственное распределение ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД электровоза в системе «ИК-излучатель — сегмент лобовой части обмотки». Получена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала, повышая эффективность процесса капсулирования и качество восстановления изоляции

Т =4,

ОСЦ -1

2,897-10"

(1)

а-Ти » 4 '

е.-е2-Рл -А,-а

1 2 Й! 1 1 _ Тн

1-е

где Госц - температура нагрева сегмента лобовой части обмотки при осциллирующем ИК-энергоподводе, К; Х„ - максимум длины волны ИК-излучателя, мм; Q - поток теплового излучения от ИК-излучателя к сегменту лобовой части обмотки Вт; £), е2 - коэффициенты излучения ИК-излучателя и пропиточного материала соответственно; - угловой коэффициент излучения (УКИ) между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки; А - площадь ИК-излучателя, мм2; а - постоянная Стефана - Больцмана Вт/мм2-К4; Т„ - постоянная времени нагрева пропитанной изоляции, мин; д — скважность периода работы ИК-излучателей, о. е.

4 = ^. (2)

где тосц - период осцилляции, мин; гн — продолжительность периода облучения (нагрева сегмента лобовой части обмотки ИК-излучателем), мин.

В основе математического моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» с использованием метода конечных элементов (МКЭ) лежит поиск решения нестационарного квазигармонического уравнения вида д ,, 57\ 3 .. дТ. д„ дТ. _ .дТ дх дх 8у ду дг дг дт

где Т (х, у, z) — температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД НБ-514Б, К; к^, куу, коэффициенты анизотропной теплопроводности материалов, Вт/мм-К; Q — объемный источник тепла (ИК-излучатель), Вт/мм3; С — объемная изобарическая теплоемкость материалов, Дж/кг-К; р - удельная плотность материалов, кг/мм3; г - время процесса капсулирования, мин с соответствующими граничными условиями:

+ + Q'-' = 0, (4)

где i> ly, 1г — направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; q — удельный поток теплового излучения, Вт/мм2; а — коэффициент конвективного теплообмена, Вт/мм2 °С; Тт — температура воздуха в лаборатории, К; Q" — внешняя е и внутренняя i составляющие терморадиационной компоненты теплообмена излучением, Вт/мм2, определяемые по выражениям:

= и (5)

Q'n (Jt Г = |>С • С к ■ ) - т; (г,., , (6)

m=l

где а — постоянная Стефана — Больцмана, Вт/мм2-К4; е' — коэффициент излучения ИК-излучателя; Tsi — среднеповерхностная температура ИК-излучателя, К; т — итерационный шаг; к — количество шагов; е — номер внешней «терморадиационной» поверхности элемента; е" - коэффициент излучения ИК-излучателя; eZ — коэффициент излучения сегмента лобовой части (пропиточного материала); F9nm - средний УКИ между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки.

Решением уравнения (3) с точки зрения МКЭ является выражение вида: [С](Э{Г}(г)/Эг) + [Л{Г}(г) + [Л]{Г4} = т, (7)

где С - матрица теплоемкости; К - матрица теплопроводности; R - терморадиационная матрица; F— вектор тепловой нагрузки.

Моделирование режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б осуществлялось в программном комплексе MSC Patran/Marc. При этом модель разбивалась на конечные элементы тетраэдального типа (рис.2, а), задавались соответствующие граничные условия и свойства материалов, соответствующие реальным. Визуализация расчетной модели непрерывного ИК-энергоподвода представлена на рис. 2, б.

Одним из основных параметров, которые рассчитываются в Маге, является угловой коэффициент излучения (УКИ), определяющий долю излучения, ушедшую с

элементарной поверхности A¡ (рис. 3) ИК-излучателя на элементарную поверхность А2 сегмента лобовой части обмотки, тем самым характеризующий их взаимное геометрическое расположение:

_ 1 || COSl^l, COS<p2

dF„

2-dA.dA,,

А,А,

(8)

где А\, Л2-соответственно площади поверхности ИК-излучателя и сегмента, мм2.

Рассмотрены основные методы по нахождению УКИ, используемые при расчете в Marc: 1) прямой адаптивной интеграции, 2) метод Монте-Карло, 3) точечный метод полукуба. Для моделирования

Рис. 2. Моделирование непрерывного ИК-энергоподвода: а - разбиение модели на конечные элементы и задание граничных условий; б - получение температурного поля (визуализация расчета)

осциллирующего режима ИК-энергоподвода температура нагрева ИК-излучателя задавалась в зависимости от периода осцилляции тосц согласно реальной кривой нагрева излучателя типа ЕС8-2 (рис. 4). Визуализация расчетной модели осциллирующего режима ИК-энергоподвода представлена на рис. 5, а. График зависимости температуры нагрева элемента верхней точки лобовой части обмотки якоря ТЭД от времени процесса капсулирования при осциллирующем ИК-энергоподводе, учитывающий нагрев и самого ИК-излучателя, представлен на рис. 5, б.

Рис. 3. Пространственное распределение ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД

Таким образом, меняя различные значения параметров процесса капсулирования (температуру нагрева ИК-излучателя, угол его поворота относительно

сегмента лобовой части обмотки, расстояние от ИК-излучателя до сегмента лобовой части обмотки, осцилляцию режима ИК-энергопо-двода и т. д.), можно осуществлять моделирование различных режимов ИК-энергоподвода для решения поставленной в процессе ремонта ЭМ ТПС задачи.

Рис. 4. Задание температуры нагрева ИК-излучателя при осциллирующем режиме ИК-энергоподвода: гн, гц - периоды нагрева и охлаждения

г«««?

«СС-05»

5 03*9Й

,С0*СС1

1.59*031

Рис. 5. Моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода: а - визуализация расчета температурных полей, б - график зависимости температуры нагрева элемента верхней точки лобовой части обмотки якоря ТЭД от времени процесса капсулирования В четвертой главе был проведен количественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на ее работоспособность в эксплуатации. Поэтапное проведение физического моделирования процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов позволило разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в данной технологии.

Первый этап экспериментальных исследований заключался в анализе режимов работы конвективных электрических печей типа СД01 Нижнеудинского локо-мотивно — ремонтного депо. Было установлено, что помимо значительных затрат времени и электроэнергии в процессе эксплуатации печи возникают значительные теплопотери, связанные, во-первых, с нагревом внешних стенок печи (рис. 6, а) и, во-вггорых, с непроизводственным нагревом стального пакета элемента электрических машин ТПС, изоляция обмоток которой подвергается капсулированию (рис.6,б).

Рис. 6. Непроизводственные теплопотери при эксплуатации сушильной печи СДО!

Рис. 7. Стенд по физическому моделированию процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ

ТПС: 1 - ИК-облучатель; 2 - панель измерений; 3 - прибор для определения терморадиационных свойств изоляции

(TermoRad-1); 4 - пирометр (ADA); 5 - выдвижные панели с излучателями

Второй этап исследований заключался в проведении их на моделях лабораторного типа, т. е. на уменьшенных натурных образцах. В программу данных исследований вошли: сравнение эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток электрических машин ТПС; определение терморадиационных характеристик изоляционных материалов; определение электрической прочности и твердости изоляционных материалов.

При сравнении конвективного метода капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с терморадиационным одни образцы изоляционной ленты ЛЭС-0,1 -20 (далее - ЛЭС), применяемой в качестве покровной дня якоря ТЭД типа НБ-514Б, пропитывались в современных ЭИМах (лак ФЛ-98 и компаунды Эпласт 155, ПК-21, ПК-11) и капсулировались в конвективных печах (СД01), другие образцы капсулировались на лабораторном стенде по физическому моделированию режимов ИК-энергоподвода при непрерывном режиме ИК-энергоподвода (рис. 7).

С помощью микроскопа типа Olympus GX 41 были получены снимки микроструктуры данных об-

различных типов

разцов изоляции. На рис. 8 изображены микроструктуры образцов ленты, пропитанных в лаке ФЛ-98 и закапсулированных при конвективном и терморадиационном методах. На поверхности ленты, закапсулированной конвективным методом, видны микрополости 1 (см. рис. 8). Аналогичные картины были получены и при сравнении ленты, пропитанной в компаундах.

Методика по определению терморадиационных характеристик пропитанной изоляции, разработанная сотрудниками кафедры ЭПС, заключалась в определении коэффициента пропускания изоляционной ленты ЛЭС, пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, находившейся под средневолновым импульсным и коротковолновыми некогерентным излучателями типа ECS-2 и J118 соответственно. Результаты исследований представлены в таблице.

Методикой было предусмотрено определение электрической прочности и твердости образцов ленты ЛЭС, пропитанных в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-21, ПК-11 и закапсулированных при конвективном и терморадиационном методах.

Определение терморадиационных свойств изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-21, ПК-11

Пропиточный материал Излучатель кп, о. е.

ФЛ-98 Коротковолновый 0,667

Средневолновый 0,739

Эпласт i 55 Коротковолновый 0,621

Средневолновый 0,645

ПК-11 Коротковолновый 0,565

Средневолновый 0,609

ПК-21 Коротковолновый 0,606

Средневолновый 0,652

Для определения электрической прочности образцов изоляции использовался аппарат АИИ-70; результаты данных исследований представлены на рис. 9. Твердость изоляции в работе определялась с помощью твердомера лакокрасочных покрытий «Константа-ТК». В результате данных исследований

а) Величина напряжения пробоя, кВ - 2,3

• : - .:•-. 1

»

" ' If :\ , » • /

Рис. 8. Десятикратное увеличение закап-сулированной конвективным (а) и терморадиационным (б) методами ленты ЛЭС в лаке ФЛ-98: I — полости (микротрещины)

наибольшую твердость имеет компаунд Эпласт 155 закапсулированный в непрерывном режиме ИК-энергоподвода со средневолновыми излучателями. и„р.кв,--------------------------------------------------------------------------Третьим этапом явля-

лось проведение экспериментальных исследований на спе-

Конвективный энергонолвол

ИК-энергоподвод средневол новым излучением

ИК-энсргоподвол коротковолновым излучением

Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований по определению электрической прочности закапсулированной изоляции

режима ИКс изменением состава ИК-на опытно-

циальных установках производственного типа. К данным исследованиям относились: 1) физическое моделирование осциллирующего энергоподвода спектрального излучателей

производственной установке по капсулированию изоляции обмоток ЭМ машин ТПС; 2) проверка сходимости результатов математического компьютерного моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с физическим моделированием.

Суть первого эксперимента заключалась в исследовании осциллирующего режима ИК-энергоподвода на опытно-производственной установке (рис. 10) в зависимости от спектрального состава ИК-излучателей. Образцы ленты ЛЭС, пропитанные в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, капсулировались в осциллирующем режиме ИК-энергоподвода сначала только коротковолновыми ИК-излучателями, затем только средневолновыми и после — комбинацией этих двух видов излучателей в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода (получено положительное решение на получение патента на изобретение по заявке №

Рис. 10. Общий вид опытно-производственной установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей

ТЭД электровозов: 1 - якорь ТЭД; 2 — генератор теплового излучения; 3 — пульт управления; 4 — редуктор; 5 - муфта; 6 — опорные резиновые ролики; 7 - задняя букса; 8 - асинхронный трехфазный двигатель

2012157499/07). При этом для каждого из режимов длительность процесса кап-сулирования Гц составляла 30 мин при равной скважности, но при различных показателях цикличности:

N.

(9)

Р-N

I ^и

5

где Р - мощность РЖ-излучателя, Вт; ТУик - общее число ИК-излучателей, шт.; тп- полный период облучения, мин; 5 - площадь лобовой части обмотки якоря ТЭД, мм2. При этом обязательно контролировалось

и,|р.кВ

где Л^осц - количество периодов осцилляции, изменяющиеся при различных скоростях вращения якоря ТЭД на установке (0,46; 2,3 и 4,6 об/мин, соответствующих 5, 25 и 50 Гц частоты питающего напряжения при работе привода установки от преобразователя). Сопоставимость данных экспериментальных исследований для всех вариантов запланированных опытов обеспечивалась одинаковой дозой облучения (1,4 МДж/мм2):

а)

б)

(10) в)

Рис. 11. Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при осциллирующем ИК-энергоподводе: а) с коротковолновым изучением, б) со средневолновым изучением, в) с чередованием средне- и коротковолнового изучения

напряжение, подводимое к генератору теплового излучения. Далее у закапсулиро-ванных образцов проверялись электрическая прочность (рис. 11) и твердость.

По результатам исследований можно сделать вывод о том, что наибольшую прочность имеют образцы, закапсулированные при спектрапьно-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода при минимальной скорости вращения якоря ТЭД на установке.

Это объясняется несколькими факторами: во-первых, при использовании двух видов ИК-излучателей (средне- и коротковолновых) первые обеспечивают более плотное распределение тепла, а вторые - более быстрое проникновение ИК-излучения в нижние слои пропиточного материала. Во-вторых, при самой низкой скорости вращения якоря ТЭД 0,46 об/мин, соответствующей частоте питающего напряжения 5 Гц, период охлаждения пропитанной изоляции был самым длительным, и за счет термодиффузии температура пропитанной изоляции успевала полностью выровняться по всей толщине. Это способствовало равномерности процесса полимеризации ЭИМа и более качественному его протеканию.

В основе методики по проверке сходимости результатов математического моделирования режимов ИК-энергоподвода лежит сравнение контрольных точек тепловых полей нагрева сегментов лобовой части обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б при математическом и физическом моделировании (рис. 12). Исходя из проверки можно сделать вывод о том, что при нагреве ИК-излучением температурное распределение по поверхности лобовой части обмотки якоря ТЭД виртуальных математических моделей соответствует реальному распределению на физических моделях (в пределах инженерной ошибки 3 %).

^^НЬц. 700

178.5 "С 158.6 "С \ ^ ^йг^ * м '

а) б)

Рис. 12. Результаты проверки сходимости математических (а) и физических (б) моделей

Пятая глава представляет собой описание результатов усовершенствования технологического оборудования для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б с целью возможности реализации спектраль-но-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, что позволяет повысить качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения.

В заключение главы представлено технико-экономическое обоснование использования терморадиационного метода капсулирования изоляции обмоток вместо конвективного при ремонте ЭМ ТПС.

17

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований выполнены новые научно обоснованные технические и технологические разработки, направленные на совершенствование технологии восстановления изоляции обмоток ТЭД в условиях деповского ремонта. Применение разработанных технологий и технологического оборудования повышает качество ремонта изоляции обмоток и обеспечивает работоспособность ТЭД электровозов в эксплуатации.

¡.Предложена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала, повышая эффективность процесса капсулирования и качество восстановления изоляции ЭМ ТПС.

2. Разработаны конечно-элементные математические модели, имитирующие непрерывный и осциллирующий режимы ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции обмоток ТЭД для обеспечения эффективных температурных режимов. При этом сходимость значений температурных полей математических моделей с реальными лежит в пределах инженерной ошибки (3 %).

3. Выполнен количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции ТЭД на ее работоспособность в эксплуатации, в результате чего установлено, что значения электрической прочности изоляционной ленты типа ЛЭС-0,1-20, закапсулированной конвективным методом, на 30 -35% ниже, чем при использовании терморадиационного метода в непрерывном режиме ИК-энергоподвода.

4. Разработан способ капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС в спек-трально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода, повышающий качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения на 40 - 45%.

5. Усовершенствована и испытана опытно-производственная установка по капсулированию лобовых частей обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б, позволяющая реализовывать способ капсулирования изоляции в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

а) научные работы, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАКом:

1. Дульский, Е. Ю. Энергоаудит безразборной технологии ремонта магнитной системы тяговых двигателей электровозов [Текст] / Е. Ю. Дульский //Мир транспорта/МКЖТМПС России. -М.-2012,-№3 (41). -С. 168-171.

2. Дульский, Е. Ю. Совершенствование технологии ремонта магнитной системы остовов тяговых двигателей электровозов [Текст] / Е. Ю. Дульский // Вестник ИрГТУ / Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск. 2012. - № 4 (63). -С. 103- 108.

3. Худоногов, А. М. Инновационная технология повышения и продления ресурса тягового подвижного состава [Текст]/ А. М. Худоногов, Е. М. Лыт-кина, Е. Ю. Дульский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2012. - №4. - (36). - Иркутский rot. ун-т. путей сообщения. - Иркутск.-С. 102- 108.

4. Лыткина, Е. М. Селективный метод сушки увлажненной или пропитанной изоляции обмоток якорей тяговых двигателей электровозов и устройство для его реализации [Текст] / Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - № 1. — (37). — Иркутский гос. ун-т. путей сообщения. - Иркутск. - С. 176-180.

5. Дульский, Е. Ю. Анализ пространственного распределения инфракрасного излучения в процессе капсулирования изоляции электрических машин тягового подвижного состава [Текст] / Е. Ю. Дульский // Вестник ИрГТУ / Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск. - 2013. - № 7. - (78). - С. 132 - 136.

6. Лыткина, Е. М. Алгоритм и программа расчета основных энергетических параметров в технологии капсулирования изоляции электрических машин тягового подвижного состава тепловым излучением с использованием метода Монте-Карло [Текст] / Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский, А. А. Васильев // Современные технологии. Системный анализ. .Моделирование. 2013 №3 (39). Иркутский гос. ун-т. путей сообщения .- Иркутск. - С 89 - 94.

7. Дульский, Е. Ю. Определение угловых коэффициентов излучения в программном комплексе «MSC Marc» [Текст] / Дульский Е. Ю., Гарев H.H., Доцен-ко Н.С. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — 2013. — № 4. - (40). Иркутский гос. ун-т. путей сообщения. - Иркутск. - С. 89-94.

8. Дульский, Е. Ю. Моделирование режимов ИК-энергоподвода в технологии продления ресурса тяговых электрических машин с использованием метода конечных элементов [Текст] / Е. Ю Дульский. // Вестник ИрГТУ / Иркутский гос. техн. ун-т. - Иркутск. - 2013. -№ 12. - (83). - С. 258 - 263.

б) научные работы, опубликованные в других изданиях:

9. Худоногов, А. М. Повышение надежности локомотивов и работоспособности локомотивных бригад - основы безопасного управления поездом [Текст] / А. М. Худоногов, Е. Ю. Дульский и др.// Безопасность регионов - ос-

нова устойчивого развития: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Иркутск, Иркутский гос. ун-т. путей сообщения. 2012. — С. 227 — 230.

10. Худоногов.А. М. Инновационные технологии повышения надежности электрических машин [Текст] / A.M. Худоногов, Е.Ю. Дульский и др.// Локомотив. -№ 10.-2012.-С. 27-28.

11. Худоногов, А. М. Критерий обоснованности выбора пропиточного материала в технологии ремонта тяговых электрических машин подвижного состава [Текст] / А. М. Худоногов, Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский // Повышение тягово-энергетической эффективности и надежности электроподвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2013.-С. 38-43.

12. Гарев, Н. Н. Энергоэффективное ресурсосберегающее управление мощностью генератора теплового излучения установки капсулирования изоляции обмоток тяговых электрических машин [Текст] / Н. Н. Гарев, Е. Ю. Дульский // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы всероссийской научн—практ. конф. с междунар. участием. - Иркутск, Иркутский гос. ун-т. путей сообщения. 2013. — 418 — 422 С.

13. Дульский, Е. Ю. Спектрально-осциллирующий режим ИК-энергоподвода в технологии продления ресурса тяговых электрических машин [Текст] / Е.Ю. Дульский // Транспорт: Проблемы, идеи, перспективы (Неделя науки - 2013). Материалы Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Петербургский гос. ун-т. путей сообщения. - С-Пб.:- 2013. - С.47 - 49.

14. Макаров, В. В. Проектирование и создание лаборатории «Надежность и долговечность тяговых электрических машин» [Текст] / В. В. Макаров, Е. Ю. Дульский и др. // Повышение эффективности эксплуатации коллекторных электромеханических преобразователей энергии: Материалы междунар. научн.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2013. -225 - 230 С.

15. Пат. на изобр. РФ, МПК 51 Н 02 К 15/12. Трехцикловой амплитудно-широтно-прерывный способ сушки изоляции электрических машин. / В. В. Сидоров, Е. Ю. Дульский и др. (Россия). - № 2494517; заявл. 09.12.2011; опубл. 27.09.2013, бюл. № 27. - 5 с.

в) патенты на изобретения:

Типография ОмГУПСа. 2014. Тираж 100 экз. Заказ 202 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИрГУПС (ИрИИТ)

На правах рукописи

04201459558

ДУЛЬСКИЙ Евгений Юрьевич

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

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Худоногов Анатолий Михайлович

ИРКУТСК 2014

Оглавление

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК».........................................................................................................13

1.1 Анализ надежности тяговых двигателей электровозов серии «ЕРМАК»............................................................................................................13

1.2 Анализ основных факторов и возможных причин выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов по сети железных дорог Восточного полигона обращения................................................................................19

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.....................................................................................26

2 ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭМ ТПС...................................................................................................28

2.1 Методы, способы и средства сушки и капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС в процессе их технического обслуживания и ремонта..............28

2.2 Анализ процесса капсулирования изоляции ЭМ ТПС тепловым излучением.....................................................................................................................43

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.....................................................................................54

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ........................................................................................55

3.1 Анализ пространственного распределения ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б в системе «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки»..................55

3.2 Теоретическое обоснование использования метода конечных элементов при моделировании режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК».....................................................................................63

3.3 Моделирование режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» с использованием метода конечных элементов в программном комплексе «МБС Ра1гап-Магс».........................................................74

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.....................................................................................99

4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЯКОРЯ ТЭД ТИПА НБ-514Б ЭЛЕКТРОВОЗОВ СЕРИИ «ЕРМАК».......................................................................100

4.1 Методика экспериментальных исследований..........................................100

4.2 Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СД01 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо..........................................101

4.3 Результаты лабораторных исследований.................................................109

4.3.1 Результаты лабораторных исследований по сравнению эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток при ремонте ЭМ ТПС.....................109

4.3.2 Результаты лабораторных исследований по определению терморадиационных характеристик новых изоляционных материалов...............116

4.3.3 Результаты лабораторных исследований по определению электрической прочности и твердости изоляции.....................................................122

4.4 Результаты исследований на опытно-производственной установке.....128

4.4.1 Физическое моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с изменением спектрального состава ИК-излучателей..............................................128

4.4.2 Проверка сходимости результатов математического и физического моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС...........................................................138

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4...................................................................................142

5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИ В ПРОИЗВОДСТВО

И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ..........................................143

5.1 Вариантное проектирование генераторов теплового излучения на установках по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС................................143

5.2 Анализ технико-экономической эффективности от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции взамен конвективного................................................................................156

5.2.1 Расчет капитальных вложений на изготовление установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б..........156

5.2.2 Расчет годовой экономии денежных средств при замене конвективного метода капсулирования терморадиационным методом................159

5.3.3 Расчет срока окупаемости при внедрении установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б..........160

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5...................................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................163

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................182

ВВЕДЕНИЕ

Высокая надежность работы тягового подвижного состава (ТПС) железных дорог России является залогом успешного экономического развития страны в целом. С этой целью необходимо совершенствовать не только сам парк ТПС, но и технологии его обслуживания и ремонта. Особенно это касается электрических машин (ЭМ) ТПС, в первую очередь от которых зависит нормальное функционирование ТПС.

В последние годы согласно реформам, проводимым корпорацией ОАО «РЖД», происходит замена старых отечественных электровозов, эксплуатируемых на сети железных дорог Восточного полигона обращения, срок службы многих из которых уже давно истек (ВЛ60, ВЛ80с, т, к, р), на новые электровозы (ЭП1П, М, Э5К, 2ЭС5К, ЗЭС5К).

Претерпевает изменения и система технического обслуживания (ТО) и ремонта (ТР) ТПС. В 2014 году планируется передача функций ТО и ТР электровозов во вновь организованную компанию «Трансмашхолдинг - Сервис» (ТМХ - Сервис). В связи с этим развитие новых технологий продления ресурса ЭМ ТПС является актуальной задачей.

На базе Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) сотрудниками кафедры «Электроподвижной состав» (ЭПС) создана проблемная лаборатория «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» [140]. В данной лаборатории представлены опытно-производственные установки по продлению ресурса и восстановлению изоляции обмоток ЭМ ТПС эффективным, по сравнению с применяющимся в настоящее время в депо, способом, а именно капсулированием изоляции обмоток инфракрасным (ИК) излучением (терморадиационным методом). В настоящее время в лаборатории идут исследования по выявлению рациональных режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря тягового электродвигателя (ТЭД) типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК». Данные

исследования требовали проведение многократных экспериментальных испытаний на установке, что до недавнего времени являлось большой проблемой. Проблема обусловливалась наличием в лаборатории лишь одного экземпляра якоря ТЭД, изоляция которого могла быть повреждена в ходе многократных испытаний.

Благодаря современным программным комплексам инженерного анализа, основанным на численном методе конечных элементов, таким как «Ра1хап-Магс» корпорации «М8С-8ой\Уаге», появилась возможность моделировать процесс кап-сулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС при различных режимах ИК-энергоподвода, что исключает необходимость проведения многократных натурных испытаний. В данном случае будет достаточно провести лишь несколько экспериментов по проверке результатов моделирования на сходимость и достоверность.

Общая характеристика работы.

Актуальность исследования. На сегодняшний день рабочий парк новых грузовых электровозов серии «ЕРМАК» Э5К, 2ЭС5К и ЗЭС5К на сети железных дорог Восточного полигона обращения составляет уже порядка 500 единиц.

Несмотря на то, что данные электровозы является современными, в качестве тяговых на них используется коллекторный двигатель типа НБ-514Б, по сути дела не многим отличающийся от ТЭД НБ-514, который применялся на более старых сериях электровозов, таких как ВЛ85. Как показала практика, по количеству отказов среди прочего оборудования данный ТЭД занимал и до сих пор занимает первое место. Проблема надежности этих двигателей перешла и на электровозы серии «ЕРМАК». По данным статистики, отказы ТЭД электровозов этой серии составляют 27% от общего числа всего оборудования.

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

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.22.07. - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрифика-

ция». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследований, направленных на повышение надежности ТПС.

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности по п.2 - системы технического обслуживания, эксплуатации и технологии ремонта устройств электроснабжения и подвижного состава, развитие парков локомотивов и вагонов (глава 2, 4, 5).

Степень разработанности проблемы. Существенный вклад в изучение надежности ТПС железных дорог, систем технического диагностирования и ремонта внесли Ю.А. Бахвалов, В.И. Бервинов, И.В. Бирюков, И.Н. Богаенко, A.B. Бородин, В.И. Бочаров, A.A. Воробьев, А.И. Володин, И.И. Галиев, З.Г. Гиоев,

A.B. Горский, В.Г. Григоренко, A.A. Зарифьян, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаев,

B.А. Камаев, В.И. Киселев, В.Г. Козубенко, В.А. Кучумов, A.JI. Курочка, A.A. Лисицин, В.Н. Лисунов, В.Б. Медель, М.Д. Находкин, В.А. Нехаев, В.А. Николаев, Е.С. Павлович, М.П. Пахомов, A.B. Плакс, В.В. Привалов, H.A. Ротанов, А.Н. Савоськин, И.В. Скогорев, В.В. Стрекопытов, Т.А. Тибилов, В.П. Феоктистов, А.П. Хоменко, В.А. Четвергов, С.Г. Шантаренко, В.Г. Щербаков, В.П. Янов и другие исследователи.

Значительный вклад в решение вопросов надежности наиболее «слабых» узлов ТЭД - изоляционных конструкций и коллекторно-щеточного узла ТЭД внесли В.Д. Авилов, А.Е. Алексеев, A.A. Бакланов, В.Г. Галкин, М.Д. Глущенко, А.Т. Головатый, И.П. Гордеев, A.B. Грищенко, Ю.А. Давыдов, P.M. Девликамов, Г.Б. Дурандин, М.Г. Дурандин, C.B. Елисеев, А.П. Зеленченко, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, A.C. Космодамианский, В.А. Кручек, A.C. Курбасов, А.Б. Лебедев, Е.Ю. Логинова, A.C. Мазнев, Р.Я. Медлин,

A.Т. Осяев, А.Д. Петрушин, В.М. Попов, Н.П. Семенов, A.C. Серебряков,

B.П. Смирнов, Л.Н. Сорин, Н.О. Фролов, В.В. Харламов, О.И. Хомутов, В.А. Шевалин и многие другие.

Несмотря на это, анализ современных методов и средств по восстановлению изоляции ЭМ ТПС, применяемых в настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД», отразил низкую их эффективность и высокую энергоёмкость.

Технология капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов с открытыми головками секций серии НБ-514 инфракрасным (ИК) излучением, представленная в работах предшественников, показала свою эффективность с позиции улучшения качества ремонта, экономии энергии и времени на ремонт за счет физики самого процесса капсулирования ИК-излучением. Однако в этих работах не были решены задачи по моделированию рациональных режимов ИК-энергоподвода в данной технологии.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств совершенствования технологии восстановления изоляции ЭМ для обеспечения работоспособности ТЭД электровозов в эксплуатации. Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

1) предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;

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

3) выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на её работоспособность в эксплуатации;

4) разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;

5) усовершенствовать технологическое оборудование для капсулирования изоляции лобовых частей якорей ТЭД типа НБ-514Б.

Объект исследования - технология восстановления изоляции ЭМ ТПС.

Предмет исследования - рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии восстановления изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы для решении задач, поставленных выше, использовались методы математической стати-

стики, методы теории тепломассообмена излучением, численные методы конечно-элементного математического моделирования теплофизических процессов, методы теории планирования эксперимента, метод оценки технико-экономической эффективности использования результатов исследований в производстве и учебном процессе.

Решение вычислительных задач осуществлялось с использованием программы Microsoft Excel 2010®. Для создания виртуальных трехмерных моделей применен пакет программ «КОМПАС 3D vl3» компании АСКОН. Моделирование и инженерный анализ проводились в программном комплексе «Patran-Marc/Sinda» корпорации «MSС Software».

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) получена математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода, позволяющая согласовывать спектральный состав излучателей с оптическими свойствами пропиточного материала для повышения эффективности процесса капсулирования и качества восстановления изоляции ТЭД;

2) разработаны конечно-элементные математические модели, имитирующие различные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ТЭД для обеспечения эффективных температурных режимов и оценки работоспособности изоляции обмоток;

3) предложен спектрально-осциллирующий способ капсулирования изоляции обмоток ТЭД, повышающий качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения (получено положительное решение на получение патента на изобретение по № заявки 2012157499/07).

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 3 % .

Практическая ценность. Полученные математические модели позволяют выполнять оценку эффективности процесса капсулирования изоляции обмоток ТЭД и влияния технологических режимов на работоспособность изоляции в эксплуатации.

Разработанная технология капсулирования изоляции обмоток ТЭД и усовершенствованная установка, реализующая способ капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД НБ-514Б в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода, позволяют повышать качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

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

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

3) спектрально-осциллирующий режим ИК-эн