Повышение остаточного ресурса тяговых электродвигателей за счет ограничения максимальной температуры обмоток

В современных условиях постоянного технического усовершенствования тягового подвижного состава, создания новых высокоскоростных моделей локомотивов, способных развивать скорость 200 км/ч и более, а также повышения грузоподъемности вагонов и, следовательно, повышения мощности грузовых тепловозов и электровозов, огромную роль играет надежность электрооборудования, которое вынуждено работать в экстремальных условиях, значительно отличающихся от стационарных условий эксплуатации. Перепады температуры окружающей среды, влажность или чрезмерная сухость воздуха, ограниченное габаритом локомотива пространство, приводящее к ухудшению охлаждения и перегреву токоведущих частей, различные воздействия электродинамической природы и прочие неблагоприятные факторы снижают эффективность их работы на тяговом подвижном составе. По этим причинам количество неисправностей электрооборудования тягового подвижного состава остается на высоком уровне и намного превышает количество неисправностей и отказов экипажной части, автотормозного, автосцепного, вспомогательного и прочих видов оборудования.

В среднем, по данным ВНИЖТа [52], 50% тяговых электродвигателей требуют ремонта КР (КР-2) не по пробегу, а по состоянию по причинам повреждений, связанных с межвитковыми замыканиями якоря и катушек полюсов, пробою изоляции якоря и катушек полюсов, трещинам валов якорей, из-^ носу моторно-осевых горловин и т. д.

Анализируя данные по отказам в эксплуатации, следует отметить, что основ ными причинами выхода из строя тяговых электродвигателей в результате пробоя системы изоляции являются [56]:

— нарушения в процессе эксплуатации локомотивов;

— применение электроизоляционных материалов низкого качества;

— несовершенство технологии наложения системы изоляции;

— устаревшее ремонтное оборудование;

— недостаточный уровень квалификации обслуживающего персонала.

Основными критериями, по которым технологи определяют пригодность тех или иных материалов для системы изоляции электрической машины, в т. ч. и тягового электродвигателяявляются класс нагревостойкости материала, электрическая прочность и технологичность. Кроме этого, немаловажную роль играет стоимость материалов.

Несмотря на то, что в перспективе существует тенденция к более широкому использованию на локомотивах тяговых электрических машин переменного то-ка, в настоящее время в основном применяются тяговые электродвигатели (ТЭД) постоянного тока, благодаря своей устойчивости к перегрузкам, мягкой регулировочной характеристике и надежности в эксплуатации.

Наиболее уязвимой при воздействии критических температур является обмотка якоря электрических машин. Перегрев коллекторных ТЭД может возникнуть по многим причинам. Но независимо от причины возникновения, перегрев нарушает контакт между концами проводников обмотки якоря и петушков коллектора, вызывает ускоренное старение изоляции, повреждение бандажей, преждевременный выход из строя коллектора и т. п.

Многие ученые и специалисты, такие как Алексеев А. Е., Аширов С., Балычев П. К., Белов А. Г., Гуревич Э. И., Девликамов P.M., Идиятуллин Р. Г., Исмаилов Ш. К., Каримов A.A., Киселев В. И., Киселев И. Г., Климченков В. Т., Космодамианский A.C., Кузьмич В. Д., Лапотников Ю. И., Логинова Е. Ю., Луков Н. М., Наприенко A.C., Плохов Е. М., Попов В. Н., Попов Ю. В., Серебряков A.C., Смирнов В. П., Солдатенко Д. А., Тверитин В. Н., Фоменко В. К., Худоногов A.M. и многие другие, занимались научно — исследовательским анализом данного вопроса и внесли существенный вклад в повышение надежности й работоспособности тяговых электрических машин локомотивов, но, следует отметить, что данная проблема остается по-прежнему острой и актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение остаточного 0 ресурса якорей тяговых электродвигателей, путем совершенствования методов контроля их теплового состояния, и создание методики прогнозирования перегрева обмотки якоря в эксплуатации.

Объектом исследования является тяговый электродвигатель постоянного тока тепловоза.

Предметом исследования являются тепловые процессы в якоре ТЭД постоянного тока тепловоза.

Основные задачи исследования:

— выполнить анализ и систематизацию теоретических методов исследования теплового состояния тяговых электрических машин и способов повышения надежности коллекторных ТЭД в эксплуатации:

— разработать математическую модель тепловых процессов в якоре ТЭД, позволяющую исследовать процессы нагрева обмотки якоря и коллектора при различных эксплуатационных режимах:

— аналитически исследовать параметры температурного поля якоря ТЭД в осевом и радиальном направлении и установить зависимости их величины от технологических и эксплуатационных факторов:

— предложить технологию бесконтактного непрерывного контроля температуры якоря коллекторного ТЭД в эксплуатации.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи были решены с применением методов математического моделирования, основных уравнений теплового баланса, теплопередачи и теории нагревания составного твердого тела с использованием метода конечных элементов, для решения задач теплопроводности. Построение конечно-элементной модели тепловых процессов в якоре ТЭД типа ЭДУ-133 проводилось впрограммном пакете Solid Works 2005 — COSMOS Works. В процессе анализа полученных результатов на конечно-элементной модели тепловых процессов в якоре ТЭД и экспериментальных данных использовались электронные таблицы Microsoft Excel 2003.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель тепловых процессов в якоре ТЭД локомотива, позволяющая оценить распределение температуры в его узлах и интенсивность теплопередачи от проводников через сердечник в окружающую среду при переменных величинах токов нагрузки и режимах охлаждения.

2. Предложена методика расчета температурных полей якоря коллекторного ТЭД с использованием метода конечных элементов, позволяющая оценивать его тепловое состояние с учетом особенностей конструкции и режимов работы. 0.

3. Уточнены кривые нагревания ТЭД при различных токах якоря и расходах охлаждающего воздуха. Определены зависимости изменения температуры коллектора и обмотки якоря при нестационарных режимах работы в эксплуатации при движении локомотива по равнинному и перевалистому профилю пути.

4. Проведено теоретическое обоснование и построены зависимости, описывающие остаточные тепловые процессы в системах «обмотка якоря — сердечник якоря» и «коллектор — обмотка якоря».

5. Получены уточненные зависимости изменения коэффициента теплоотдачи поверхности якоря от величины тока нагрузки и расхода охлаждающего воздуха.

6. Теоретически обоснована методика бесконтактного непрерывного контроля температур якоря коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра и алгоритм обработки результатов измерений.

Практическую ценность работы составляют:

1. Эксплуатационные и технологические рекомендации по повышению надежности ТЭД в эксплуатации.

2. Технология бесконтактного непрерывного контроля температур якоря коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра.

3. Выработаны рекомендации предотвращения перегрева корпусной изоляции якоря коллекторного ТЭД при вождении длинносоставных и тяжеловесных поездов.

4. Показана необходимость учета тепловых потов связи при выполнении тяговых расчетов и расчетов перегрева обмотки якоря ТЭД.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем проверки сходимости результатов моделирования температуры отдельных узлов якоря с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований на стенде и в эксплуатации. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 9%.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель тепловых процессов в якоре коллекторного ТЭД, учитывающая конструктивные особенности и теплофизические свойства материалов, из которых он изготовлен.

2. Математические зависимости между температурой узлов якоря ТЭД при его нагревании и охлаждении и такими величинами, как ток якоря и расход охлаждающего воздуха.

3. Теоретическое обоснование влияния качества пропитки и химических свойств пропиточного состава на процессы теплопередачи от проводника обмотки якоря к сердечнику якоря.

4. Технология бесконтактного непрерывного контроля температур узлов якоря Коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра, позволяющая учитывать тепловое состояние ТЭД при подаче охлаждающего воздуха и ограничивающая величину максимального тока в зависимости от фактической температуры коллектора, и рекомендации по ее внедрению в эксплуатацию на перспективных локомотивах.

Структура диссертационной работы представлена на рис. 1.1.

Рис. 1 Л. Структура исследования теплового состояния коллекторного ТЭД.

Выводы по 5 главе.

1. Экспериментальные исследования показали, что наиболее сильно нагревается медь, лежащая в пазах якоря, лобовые соединения охлаждаются несколько лучше. Значительная часть теплоты из обмотки якоря переходит в ст, аль якоря и совместно с потерями в стали выводится через внешнюю поверхность стали якоря и вентиляционные каналы. При малых нагрузках возможна и обратная картина: часть потерь в стали переходит в медь и рассеивается обмоткой.

2.' Доказана необходимость для повышения надежности работы ТЭД при разработке режимных карт вождения поездов и выполнении тяговых расчетов учитывать тепловые потоки связи и не допускать движения тепловоза с выключенной одной секцией.

3. Установлено, что проверка теплового состояния изоляции якоря ТЭД должна производиться по пиковым значениям температуры нагрева, которые свойственны отдельным его элементам, при нестационарных режимах работы тепловоза.

4. Разработана структурная схема устройства защиты на основе анализа современной микропроцессорной элементной базы для реализации системы защиты ТЭД с заданными параметрами, предназначенной для выполнения терминальной функции в нормальных и аварийных режимах.

5. Экспериментально установлено, что влияние обмотки якоря на распределение температуры коллектора в установившемся режиме выражается увеличением превышения его температуры в 1,30. 1,32 раза.

Заключение

.

В настоящей работе решена важная’научно-практическая задача повышения ресурса работы якорей тяговых электродвигателей, благодаря совершенствованию методов контроля их теплового состояния, и создания-методики прогнозирования перегрева якоря в эксплуатации, которая дает возможность в реальном режиме времени определять температуру отдельных узлов и деталей ТЭД (включая вращающиеся).

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Выполнен анализ и систематизация теоретических методов исследования теплового состояния тяговых электрических машин и способов повышения надежности коллекторных ТЭД в эксплуатации, а также определены основные направления повышения остаточного ресурса корпусной изоляции якоря ТЭД.

2. Разработанная конечноэлементная модель тепловых процессов в якоре, реализованная в пакете конечно-элементного моделирования Solid Works,' достаточно полно отражает физическую сущность нагревания отдельных элементов якоря при исследовании нагревания в стационарных и нестационарных режимах работы тепловоза, что дало возможность получить новые результаты по исследованию теплового поля элементов якоря, позволяющая более детально исследовать процессы нагрева и охлаждения обмотки якоря и коллектора при различных эксплуатационных режимах. Максимальная погрешность между вычисленным и измеренным значением температуры отдельных элементов якоря не превышает 9%, что подтверждает практическую применимость разработанной методики расчета температуры отдельных элементов якоря ТЭД.

3″. Аналитически исследованы параметры температурного поля якоря, ТЭД в осевом и радиальном направлении и установлены зависимости их величины от технологических и эксплуатационных факторов, определившие реально существующую неравномерность распределения теплового поля в элементах якоря, достигающую 35. 45 °C, которую невозможно обнаружить при использовании традиционных методик расчёта теплового состояния.

4. Установлено, что при нарушении целостности изоляции) или не качественной ее пропитке местное увеличение температуры, обмотки якоря может достигать 170 °C и выше.

5. Экспериментальным путем уточнены выражения для определения коэффициентов теплоотдачи коллектора ТЭД с учетом нагрузки и расхода охлаждающего воздуха, позволяющие повысить точность тепловых расчетов якоря.

6. Для повышения надежности работы изоляции ТЭД при разработке режимных карт вождения поездов и выполнении тяговых расчетов необходимо учитывать тепловые потоки связи, которые приводят к повышению температуры коллектора до 52. 55 °C. Проверка теплового состояния изоляции якоря ТЭД должна производиться по пиковым значениям температуры нагрева, которые свойственны отдельным его элементам, при нестационарных режимах работы тепловоза.

7. Научно обоснована, разработана и предложена к внедрению в локомотивных депо на базе существующей микропроцессорной системы управления технология бесконтактной непрерывной оценки теплового состояния ТЭД, позволяющая определять превышение температуры лимитирующей по нагреву обмотки якоря при изменяющемся количестве охлаждающего воздуха и отслеживать ее перегрев при нарушениях в режимах управления тепловозом и вождении поездов повышенной длины и веса, что обеспечивает повышение надежности их работы в эксплуатации:

8. Проведены эксплутационные и стендовые испытания разработанной технологии контроля теплового состояния якоря и коллектора ТЭД, которые показали работоспособность и высокую эффективность обнаружения возможного перегрева изоляции якорей.

9. Сформулированы эксплуатационные и технологические рекомендации по повышению надежности ТЭД в эксплуатации. Предложены принципы построения превентивной защиты ТЭД от перегрузки на существующей микропроцессорной базе, позволяющие контролировать в реальном масштабе времени температурный режим обмотки якоря.

10. Обоснована возможность повышения весовой нормы наливных поездов на 600 т и проведена оценка эффективности внедрения системы непрерывного бесконтактного контроля температуры якоря. Экономический эффект от внедрения в одном локомотивном депо разработанной технологии контроля теплового состояния якорей, по оценке ООО «Тран-сОйл», составляет около 2 750 ООО руб. в год.