Содержание к диссертации
Введение
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 «MSC Patran-Marc» 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 СДО1 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
5.3.1 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
- Анализ основных факторов и возможных причин выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов по сети железных дорог Восточного полигона обращения
- 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»
- Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо
- Анализ технико-экономической эффективности от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции взамен конвективного
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время рабочий парк новых грузовых электровозов серии «Ермак» Э5К, 2ЭС5К и 3ЭС5К 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. Лисунов, 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 подвер
женных 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:
-
предложить математические модели процесса капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК»;
-
разработать конечно-элементные математические модели для оценки работоспособности изоляции обмоток якорей ТЭД в зависимости от режимов ИК-энергоподвода при ремонте;
-
выполнить количественный и качественный анализ влияния технологических режимов процесса капсулирования изоляции на ее работоспособность в эксплуатации;
-
разработать рациональные режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД типа НБ-514Б с использованием различных пропиточных материалов;
-
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 v13» 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:
-
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;
-
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;
-
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:
-
математическая модель спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода в процессе восстановления свойств изоляции ТЭД с учетом спектрального состава излучателей и оптических свойств пропиточных материалов;
-
конечно-элементные математические модели непрерывного и осциллирующего режимов ИК-энергоподвода в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии «ЕРМАК»;
-
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:
-
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 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 Ир-ГУПСа «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.
Анализ основных факторов и возможных причин выхода из строя изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов по сети железных дорог Восточного полигона обращения
Наиболее пагубное воздействие на изоляцию оказывает влага и теплота [57, 87]. При поглощении изоляцией влаги снижаются её объемное и особенно поверхностное сопротивления, растет угол диэлектрических потерь и несколько повышается диэлектрическая проницаемость, снижается электрическая прочность вследствие перераспределения поля внутри изоляционного материала. При этом насыщенные влагой участки изоляции обладают очень большой диэлектрической проницаемостью, а в менее увлажненных участках резко возрастает напряженность электрического поля. Следствием этого являются пробои и межвитковые замыкания.
Наличие влаги в изоляции объясняется несколькими факторами. Главным из них является несовершенная система вентиляции ТЭД типа НБ-514Б (рисунок 1.5) [62], обусловленная тем, что обмотки лобовых частей его якоря оказываются в конце пути охлаждающего воздуха, который успевает нагреваться до того момента, как их достигнет [30, 82].
При этом если ТЭД снаружи находится под воздействием низких температур, в области его задней прижимной шайбы начинает конденсироваться влага, которая при остановке машины приводит к переувлажнению лобовой части и проникновению воды в глубину паза проводников.
Образование конденсированной влаги возникает также при постановке электровоза в теплое депо с непрогретыми заранее ТЭД в периоды низких температур окружающей среды и при эксплуатации ТПС на участках и перегонах, имеющих протяженные искусственные сооружения (например – Северо–Муйский тоннель). При анализе конструкции ЭМ ТПС была выдвинута гипотеза о том, что влага проникает в изоляцию через открытые лобовые части обмоток, будь это якорь или статор. Активная часть обмотки укладывается в пазы и удерживается от радиального смещения клиньями из (стекло-) текстолита, в этих местах изоляция наиболее защищена от проникновения влаги [3, 119]. В лобовых же частях обмоток проводники не имеют подобной защиты (рисунок 1.6–1.7).
Именно в этом месте вода проникает в паз, вызывая впоследствии МВЗ и пробои изоляции.
В работе С.А. Бабичева было показано, что по статистике лобовая часть статора электрической машины отказывает в 36% случаях [5].
Помимо этого, в месте выхода секции из паза сердечника, в области лобовой части, напряженность электрического поля увеличивается [11].
Такие тлеющие разряды возникают при напряжении в 3-4 раза меньшем рабочего и могут повреждать изоляцию при длительной эксплуатации, а также возможны повреждения резиновых уплотнений.
Краевые разряды устраняются с помощью изменения конструкции изоляции лобовой части обмотки - на ее поверхность наносится полупроводящее покрытие высокого сопротивления [12]. Кроме того, изоляция обмоток может сильно повреждаться при вибрационных нагрузках, оказываемых на ЭМ ТПС.
Вибрацию ЭМ ТПС вызывают силы механического и электрического происхождения [148]. Эти силы делятся на действующие при изменении нагрузки, в аварийных условиях и в стабильном состоянии. Помимо этого, они делятся на силы, действующие на сердечник остова ТЭД (статора), на лобовую часть в целом и на отдельный стержень (катушку) в пазу. В местах выхода стержней или катушек из пазов в районе лобовой части вибрация оказывает наиболее пагубное воздействие на состояние изоляции, вызывая её дальнейшее старение. На основании питающей частоты, лобовая часть может колебаться в двух критических диапазонах, частота сети, обычно, производится механическими силами и двойная частота сети, производимая электромагнитными силами от токоведущих фазных проводников.
Механическая вибрация является результатом вращения якоря ТЭД (ротора АВМ): несбалансированный или смещенный якорь ТЭД (ротор АВМ), поврежденные подшипники и электрические проблемы якоря ТЭД (ротора АВМ), такие как короткое замыкание обмотки или, для АВМ, сломанные стержни в короткозамкну-тых роторах [155].
Вибрацию электрического происхождения вызывают электромагнитные силы между обмотками якоря ТЭД (статора АВМ), создаваемые токами, протекающими через них. В нормальном режиме работы эти силы являются относительно низкими и приходятся на структуру поддержки лобовой части обмотки. Во время крупных стрессовых событий, таких как короткое замыкание, ток может вырасти в 10 раз от номинального значения и в результате воздействие сил на лобовую часть может быть в 100 раз выше, чем при нормальных условиях эксплуатации.
В доказательство слабой защищенности лобовых частей можно привести опыт локомотиво-ремонтного депо ст. Нижнеудинск.
Анализ пространственного распределения ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б в системе «ИК-излучатель-сегмент лобовой части обмотки»
Использование ИК–нагрева в осциллирующем режиме энергоподвода с определением оптимальной скважности периода работы излучателей позволяет наиболее эффективно применять технологию капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС при их ремонте. Несмотря на большой объём работы, выполненной в этом направлении [79], не были решены задачи по выявлению рациональных режимов ИК–энергоподвода, а также влиянию спектрального состава ИК-излучателей.
Изоляция является капиллярно–пористым коллоидным телом, обладающим значительной рассеивающей способностью и характеризующаяся селективными (избирательными по длине волны) оптическими свойствами [27, 44, 75], поэтому учет спектрального состава ИК-излучателей является актуальной задачей.
С этой позиции необходимо проанализировать пространственное распределение ИК–излучения в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД электровоза в системе «ИК-излучатель – сегмент лобовой части обмотки» (рисунок 3.1) [34].
Поток теплового излучения, испускающийся каждой элементарной площадкой dА1 поверхности ИК-излучателя, и облучающий элементарную площадку dА2 лобовой части обмотки якоря ТЭД согласно закону Ламберта [10, 55, 84, 150] находится по формуле 3.1
Определение УКИ является трудоёмким времезатратным процессом. Основные методы по расчету УКИ будут представлены в пункте 3.3 данной главы. Для УКИ справедливо равенство
Согласно закону Стефана - Больцмана, энергетическая светимость ИК-излучателя равна где s1 - коэффициент излучения ИК-излучателя [25]; о - постоянная Стефана - Больцмана (5,66 -Ю8 Вт/мм2 -К4); T1 - абсолютная температура нагрева ИК-излучателя, К. Таким образом, формула 3.3 с учетом 3.5 и 3.6 примет вид Обратный поток теплового излучения (от лобовой части к ИК-излучателю) можно определить как где є2 - коэффициент излучения сегмента лобовой части; Г2 - абсолютная температура нагрева сегмента лобовой части обмотки якоря ТЭД, К. Результирующий поток теплового излучения между поверхностью ИК-излучения и сегментом лобовой части обмотки якоря ТЭД определяется как По закону смещения Вина-Голицина известно, что температура нагрева ИК-излучателя и длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения при данной температуре, находятся в зависимости где Хтах - максимальная длина волны ИК-излучателя, мм. Также стоит отметить, что согласно закону Бугера ИК-излучение при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону [146] М(1) = М0е кл\ (3.12) где М0 - энергетическая светимость ИК-излучения на входе в поглощающий слой вещества толщиной /, Вт/мм2; кх - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны X электромагнитного излучения.
Известно, что капиллярно-пористые коллоидные тела, такие как пропитанная в ЭИМ изоляция обмоток ЭМ ТПС, при капсулировании ИК-излучением имеют значительные градиенты содержания смолы и растворителей (до 90% при пропитке лаками) и интенсивно прогреваются [72].
Быстрое повышение температуры пропитанной изоляции после критической точки приводит к длительному воздействию высокой температуры на изоляцию, что вызывает ухудшение её технологических свойств. Значительный температурный градиент, направленный противоположно градиенту содержания смолы и растворителя, замедляет перемещение растворителя из внутренних слоев пропитанной изоляции к поверхности, что также отрицательно влияет на качество процесса капсулирования.
Отсюда возникает необходимость в прерывистом (осциллирующем) режиме ИК-энергоподвода, т.е. в сочетании нагрева пропитанной изоляции ИК-излучением с охлаждением её воздухом. В период облучения изоляция нагревается со значительным испарением растворителя в поверхностных слоях, а в период паузы она охлаждается в результате испарения растворителя за счет аккумулированной теплоты. Так как испарение происходит в основном в поверхностных слоях изоляции, то в период паузы температура на её поверхности резко падает и температурный градиент меняет свое направление (температура внутри пропитанной изоляции больше, чем на её поверхности). Тогда температурный градиент будет не замедлять, а ускорять подвод растворителя к поверхности изоляции, поэтому содержание растворителя в центре изоляции в период паузы уменьшается.
Следовательно, в период облучения к поверхности изоляции подводится теплота, необходимая для испарения растворителя, а в период паузы растворитель перемещается из центральных слоев к поверхностным. В этом случае нагрев изоляции незначительный (температурный градиент мал), и термодиффузия не препятствует перемещению растворителя.
Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо
Для проведения экспериментальных исследований по ресурсосберегающим методам управления ИК-энергоподводом в процессах капсулирования изоляции, по установившейся в лаборатории «Эффективные методы и средства продления ресурса ЭМ ТПС» традиции [78, 79, 117, 125], нами была продолжена методика поэтапного проведения эксперимента.
Первый этап – проведение предварительных исследований в деповских условиях на штатных установках, для сушки пропитанных лаком или компаундом элементов ЭМ ТПС с целью изучения энергозатрат на процесс и определения качества восстановления изоляции. На этом этапе тщательно проверялись теоретические предпосылки, выдвинутые научной гипотезой. Эти исследования проводились до получения необходимых результатов. Полученные результаты реализовались в технических проектах и технических условиях на разработку моделей лабораторного типа.
Второй этап – проведение экспериментальных исследований на моделях лабораторного типа, то есть на уменьшенных натурных образцах. Результаты исследований ресурсосберегающих методов управления ИК-энергоподводом в процессах капсулирования изоляции на этих установках в динамике вносили необходимые коррективы в окончательные технические условия и технические проекты и послужили исходными данными при разработке и изготовлении экспериментальных ИК-установок производственного типа. К данным лабораторным экспериментальным исследованиям относятся:
– сравнение эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС;
– определение терморадиационных характеристик изоляционных материалов;
– определение электрической прочности и твёрдости изоляционных материалов;
Третий этап – проведение экспериментальных исследований на специальных установках производственного типа. На этом этапе уточнялись оптимальные режимы процессов термообработки элементов реальной ЭМ ТПС и наиболее энергосберегающие схемы управления ИК-энергоподводом, определялись пути интенсификации технологических процессов восстановления изоляции путем использования высококачественных генераторов теплового излучения, проверялись основные технико-экономические показатели различных методов и средств управления ИК-энергоподводом. К данным исследованиям относились:
– физическое моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода с изменением спектрального состава ИК-излучателей на опытно-производственной установке по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС;
– проверка сходимости результатов математического компьютерного моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС с физическим моделированием на опытно-производственной установке.
Анализ режимов работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо
В рамках диссертационной работы были проведены исследования эффективности работы конвективных электрических печей типа СДО1 Нижнеудинского локомотиво-ремонтного депо с целью определения эффективности их работы. Исследования проводились с использованием переносного пирометра типа «ADA TemPro 1200» и переносного тепловизора марки «Irisys 4010», с помощью которых осуществлялся энергоаудит данных печей.
Пирометры типа ADA TemPro (рисунок 4.1) – серия высококачественных пирометров [49]. Пирометр типа ADA TemPro 1200 проводит измерения температур нагрева с точностью ±1%. Данный пирометр обладает высоким оптическим разрешением равным 50:1. Благодаря чему возможно измерение температуры нагрева даже мелких объектов на большом расстоянии.
Основные технические данные пирометра «ADA TemPro 1200» представлены в таблице 4.1.
В процессе анализа режимов работы конвективных печей типа СДО1 Ниж-неудинского локомотиво-ремонтного депо (ТЧР-22) было выявлено, что в процессе эксплуатации в печах возникают значительные непроизводственные тепловые потери [35]. Эти потери связаны, во-первых, с главным недостатком конвективного метода капсулирования используемого в данной печи – нагрева воздуха в её рабочем пространстве, который в свою очередь и осуществляет процесс капсули-рования, нагревая изоляцию обмоток ЭМ ТПС. Большая часть электрической энергия затрачивается на нагрев воздуха до необходимой температуры (140 оС) и в дальнейшем на её поддержание. Нагретый воздух, в свою очередь, омывая обмотки ЭМ ТПС, нагревает изоляцию. Используя в данном случае не конвективный, а терморадиационный метод нагрева изоляции обмоток, из этапов нагрева изоляции можно исключить нагрев воздуха, так как перенос тепла в этом случае осуществляется с помощью ИК-излучения напрямую от излучателя на изоляцию обмотки, тем самым значительно сокращая теплопотери.
Во-вторых, при работе печи происходит теплозатратный нагрев её внешних стенок, происходящий из-за нагрева воздухом не только обмоток изоляции ЭМ ТПС, но и всей рабочей камеры печи; а также из-за негерметизации процесса кап-сулирования, вызванного не плотным закрытием дверцы печи (рисунок 4.3).
Негерметичность рабочей камеры печи, как выяснилось при исследовании, возникла в результате стекания ЭИМ (лака, компаунда) с поверхности пропитанных частей ЭМ ТПС (якорь, остов, статор) в основание тележки печи через отверстия, предназначенные для установки якорей ТЭД и дальнейшего капсулирования изоляции их обмоток (рисунок 4.4). Особенно это касается капсулирования изоляции об 106 моток крупногабаритных ЭМ ТПС, таких как якорь и остов ТЭД, на пропитку которых затрачивается большое количество пропиточного материала.
Анализ технико-экономической эффективности от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции взамен конвективного
1. При проектировании и изготовлении генераторов теплового излучения установок по капсулированию изоляции обмоток ЭМ ТПС необходимо обеспечивать автоматическое регулирование мощности ИК-излучателей и контроль температуры нагрева обмотки.
2. Технико-экономический эффект от применения в процессе деповского ремонта терморадиационного метода капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС взамен конвективного позволит значительно снизить затраты электроэнергии на ремонт ЭМ ТПС; капитальные вложения, составляющие 97,8 тысяч рублей, окупятся в течение 2,2 месяца при общей экономии денежных средств 530 тысяч рублей.
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.
Основные выводы, приведенные ниже, отражают качество решения поставленных задач исследования:
1. 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 ТЭД типа НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК».
2. Разработаны конечно-элементные математические модели, имитирующие непрерывный и осциллирующий режимы ИК-энергоподвода в процессе капсулиро-вания 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 её 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. Разработана технология капсулирования изоляции обмоток ТЭД в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода, повышающий качество восстановления изоляции по показателям пробивного напряжения на 40-45%
5. Усовершенствована технологическая установка, позволяющая реализовы-вать способ капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТЭД типа НБ-514Б в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода.
