CC BY
10
УДК 621.313
Определение коэффициента теплоотдачи коллектора тягового электродвигателя тепловоза
М. А. Шрайбер
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Шрайбер М. А. Определение коэффициента теплоотдачи коллектора тягового электродвигателя тепловоза // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. -Вып. 2. - С. 90-99. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-2-90-99
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос определения коэффициента теплоотдачи поверхностей якоря тягового электродвигателя (ТЭД) тепловоза. Исследовать тепловое состояние ТЭД тепловоза на стенде в условиях локомотивного депо. Проанализировать полученные результаты. Дать рекомендации по проверке нагрева коллектора ТЭД при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Методы: Применяются методы математического моделирования, основные уравнения теплового баланса, теплопередачи и теории нагревания составного твердого тела. Результаты: Приведены зависимости изменения коэффициента теплоотдачи поверхности коллектора от его окружной скорости. Установлено, что следует увеличивать теплопроводность передних лобовых соединений и обмотки якоря ТЭД во избежание перегрева. Охарактеризована необходимость учитывать тепловые потоки связи при расчете и проектировании электрических машин. Даны рекомендации по определению нагрева коллектора ТЭД при тяговых расчетах в случае ведения поезда с остановленным дизелем. Практическая значимость: Тепловые потоки связи нужно учитывать при расчете и проектировании электрических машин. Нужно создать систему охлаждения ТЭД, задающую расход охлаждающего воздуха в зависимости от фактической температуры поверхностей якоря. Полученные рекомендации можно использовать, чтобы не допускать работу тепловоза с отключенной энергетической установкой после движения с токами, близкими к максимальным, а также сохранять интенсивность охлаждения ТЭД при сбросе нагрузки.
Ключевые слова: Тяговый электродвигатель постоянного тока, тепловые процессы электрических машин локомотивов, коэффициент теплоотдачи коллектора.
Введение
Тепловое состояние коллектора тягового электродвигателя (ТЭД) зависит от таких параметров как мощность источника тепловой энергии, теплопроводность и теплоемкость материала, условия теплоотдачи к окружающей среде.
Одной из главных величин, которая может охарактеризовать интенсивность теплоотдачи поверхности якоря ТЭД к окружающей среде, является коэффициент его теплоотдачи. Точность определения этого коэф-
фициента с учетом различных режимов работы ТЭД оказывает влияние на точность математической модели тепловых процессов в электрической машине постоянного тока.
Согласно литературным источникам [1], коэффициент теплоотдачи -это функция многих переменных, таких как гидравлические характеристики движения и физические свойства охлаждающей среды, размеры ТЭД и пр. Так как коэффициент теплоотдачи зависит от множества факторов, аналитически определить его величину - непростая задача, поэтому основными являются экспериментальные методы.
В литературе встречаются различные формулы и графические зависимости для нахождения коэффициентов теплоотдачи цилиндрических тел [2, 3], поверхностей ТЭД [4, 5] и их коллекторов [6, 7]. Но по ним невозможно точно получить величину коэффициента теплоотдачи поверхности коллектора ТЭД, так как применение таких зависимостей для одного и того же коллектора дает существенную разницу в значениях. В настоящее время существует проблема однозначности в порядке определения тепло-отдающих поверхностей коллектора (см. таблицу).
Значения коэффициентов теплоотдачи коллектора ТЭД типа НБ-418, полученные по различным методикам
Авторы работы Коэффициент теплоотдачи, ам, Вт/м2 • оС
Алексеев А. Е. [8] 94,4
Гурин Я. С., Курочкин И. И. [3] 335
Бочаров В. И. и др. [9] 160
Постников И. Н. [10] 225
Рабинович И. Н., Зубов И. Г. [6] 299,5
Сергеев И. С. и др. [11] 299,5
Шляхто И. Н., Гуткин Л. В. [12] 234
Рихтер Р. [7] 262,
78
Климченков В. Т. [13] 234,
127
Поэтому изучение процессов теплоотдачи и уточнение зависимостей теплоотдачи к окружающей среде якоря ТЭД, предназначенных для проведения тепловых расчетов, необходимо проводить на объектах, гидромеханические, тепловые, геометрические условия которых соответствуют реальным ТЭД. В связи с этим экспериментальные исследования тепловых процессов ТЭД целесообразно производить в условиях эксплуатации ТЭД на локомотивах.
Методика стендовых испытаний якоря ТЭД в локомотивном депо г. Тверь
Изучение тепловых процессов в якоре ТЭД проводилось с целью накопления данных, предназначенных для математического моделирования, и было выполнено на сертифицированном стенде взаимной нагрузки цеха капитального ремонта ТЭД локомотивного депо г. Тверь Октябрьской железной дороги (рис. 1) при температуре окружающей среды 16-17 °С. Испытаниям подвергались ТЭД, прошедшие полный цикл среднего или капитального ремонта.
Охлаждение поверхностей якоря осуществлялось от постороннего вентилятора с возможностью изменения интенсивности процесса [4]. Расход воздуха изменялся воздуха от 0 до 1,5 м /с.
Якорь ТЭД нагревался за счет потерь мощности от трения, электрических, электромагнитных и дополнительных потерь мощности [14-16].
Рис. 1. Испытательный стенд ТЭД с измерительным оборудованием в депо г. Тверь
С помощью штатных измерительных приборов производилась регистрация текущих значений тока якоря и обмотки возбуждения, напряжения, частоты вращения якоря. Также были найдены температуры обмоток и поверхности коллектора при различных режимах работы ТЭД. Температура якорной обмотки определялась по методу сопротивления после работы на длительном или часовом режиме [17, 18], температура поверхности коллектора - инфракрасным пирометром АТТ-2508.
Для исследования процесса теплоотдачи поверхности коллектора ТЭД в окружающую среду был использован метод стационарного теплового потока. Он заключается в непосредственном измерении плотности теплового потока, как отношения величины теплового потока (Рк) к площади тепло-отдающей поверхности (^к), и разности температур поверхности коллектора (Тк) и окружающей среды (Т0). Следовательно, величина коэффициента теплоотдачи поверхности составит
Р
а =
к Г. (Т - То )•
(1)
Коэффициент теплоотдачи поверхности коллектора при экспериментальных исследованиях в депо г. Тверь определялся при естественной вентиляции ТЭД без принудительного охлаждения, а также при принудительном охлаждении от постороннего источника с переменным расходом воздуха
На рис. 2 приведены зависимости изменения коэффициента теплоотдачи поверхности коллектора от его окружной скорости.
Рис. 2. Зависимости изменения коэффициента теплоотдачи коллектора: 1 - Ов = 0 м3/с; 2 - Ов = 0,4 м3/с; 3 - Ов = 1,0 м3/с; 4 - Ов = 1,3 м3/с
Для определения коэффициента теплоотдачи поверхности коллектора можно рекомендовать следующее выражение:
а^ = 2,88 Л (А
ч-0.5
(2)
в котором Яв - коэффициент теплопроводности охлаждающего воздуха, Вт/м °С; ук - окружная скорость коллектора, м/с; Вк - диаметр коллектора, м; $в - кинематическая вязкость воздуха, м • с.
Дополнительное охлаждение коллектора ТЭД приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи:
( п \
а = а
к к0
1 + К-®в
Рк V у
(3)
где К - коэффициент повышения интенсивности теплоотдачи (К - 5).
Следовательно, выражения (2) и (3) рекомендованы к использованию для определения коэффициентов теплоотдачи коллектора при выполнении аналитических исследований. Экспериментальная погрешность не превышала 5 %.
Также на стенде локомотивного депо г. Тверь было выполнено изучение остаточных тепловых потоков. Во время испытаний ТЭД ток нагрузки составил 800 А, а расход охлаждающего воздуха - 1,0 м /с. Температура коллектора достигала 91 °С, температура передних лобовых частей - 94 °С, температура активной части якоря - 109 °С.
На рис. 3 показано, как изменяется температура деталей якоря после отключения нагрузки и охлаждения ТЭД при частоте вращения якоря 30 с -1.
Рис. 3. Изменение температуры якоря после отключения нагрузки и охлаждения: 1 - коллектор; 2 - передние лобовые части обмотки якоря; 3 - активная поверхность якоря
После отключения нагрузки и охлаждения возникает быстрый рост температуры коллектора и передних лобовых частей обмотки якоря на 12 и 17 °С при одновременном охлаждении активной части обмотки якоря. Возрастание температуры коллектора и передних лобовых частей длится до определенных значений, после чего из-за потерь энергии перегрев деталей якоря начинает уменьшаться. Превышение величин текущей температуры по отношению к температуре при работе ТЭД под нагрузкой связано с возникновением остаточных тепловых потоков связи между коллектором и обмоткой якоря.
Анализ результатов, полученных при исследовании тепловых процессов якоря ТЭД
В результате изучения тепловых процессов ТЭД было выявлено, что:
1) при одинаковом нагреве деталей якоря ТЭД остаточный поток связи оказывает влияние только на длительность времени достижения установившегося перегрева, если тепловые постоянные времени нагревания взаимосвязанных деталей равны или постоянная времени нагревающегося элемента больше, чем охлаждающегося;
2) температура нагревающейся детали якоря повышается в том случае, когда постоянная времени нагревающегося элемента меньше, чем охлаждающегося, и их предварительный нагрев одинаков;
3) превышение текущего нагрева, когда постоянные времени равны, обусловлено разностью температур деталей в допереходный период. Увеличение температуры нагрева будет выше в случае возрастания разницы между температурами охлаждающейся и нагревающейся деталей.
Следовательно, по результатам аналитических и экспериментальных исследований можно сделать вывод, что остаточный тепловой поток связи «обмотка якоря-коллектор» приводит к перегреву коллектора, а остаточный тепловой поток связи «обмотка якоря-сердечник» - к перегреву обмотки якоря. Максимальное значение остаточного теплового потока связи возникает после изменения режима нагрузки на режим выбега при значительном уменьшении интенсивности или отсутствии охлаждения ТЭД.
В результате температура воздуха внутри ТЭД быстро растет, а при отсутствии охлаждения начинается перегрев якоря, что приводит к ускоренному старению изоляции передних лобовых соединений. При выполнении тяговых расчетов требуется производить проверку нагрева коллектора для участков, где возможно ведение тепловоза с остановленным дизелем.
Уменьшение температуры перегрева коллектора и его передних лобовых частей при нестационарных режимах работы достигается с помощью исключения работы тепловоза с отключенным дизелем при его движении с
токами, приближенными к максимальным значениям. Также следует сохранять интенсивность вентиляции ТЭД при сбросе нагрузки. Увеличение теплопроводности передних лобовых соединений и обмотки якоря позволяет уменьшить тепловые потоки связи. Помимо этого рекомендуется использовать регулируемый электропривод вентиляторов охлаждения ТЭД, у которых расход воздуха зависит от фактической температуры ТЭД.
Библиографический список
1. Луков Н. М. Исследование локомотивных систем регулирования температуры / Н. М. Луков, А. С. Космодамианский, Ю. В. Попов // Локомотив. - 2005. - № 5. -С. 35-36.
2. Арнольд Э. Машины постоянного тока. Конструкция, расчет и применение: в 2 т. / Э. Арнольд, И. Ла-Кур. - М.: Гос. науч.-технич. изд-во, 1931. - Т. 2. - 231 с.
3. Гурин Я. С. Проектирование машин постоянного тока / Я. С. Гурин, М. Н. Ку-рочкин. - Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 352 с.
4. Борисенко А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев. - М.: Энергия, 1974. - 352 с.
5. Карслоу Х. С. Теплопроводность твердых тел / Х. С. Карслоу, Д. К. Егер. - М.: Наука, 1964. - 303 с.
6. Рабинович И. Н. Проектирование электрических машин постоянного тока / И. Н. Рабинович, И. Г. Зубов. - М.: Энергия, 1967. - 350 с.
7. Рихтер Р. Электрические машины. Расчетные элементы общего значения: в 2 т. - Т. 1. Машины постоянного тока / Р. Рихтер. - М.: Госэнергоиздат, 1935. - 408 с.
8. Алексеев А. Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - 2-е изд., перераб. и доп. / А. Е. Алексеев. - Л.: Энергия, 1977. - 445 с.
9. Бочаров В. И. Магистральные электровозы / В. И. Бочаров, П. А. Золотарев. -М.: Машиностроение, 1968. - 302 с.
10. Постников И. И. Проектирование электрических машин / И. И. Постников. -Киев: Гостехиздат УССР, 1960. - 910 с.
11. Сергеев П. С. Проектирование электрических машин / П. С. Сергеев, Н. В. Виноградов, Ф. А. Горяинов. - М.: Энергия, 1969. - 632 с.
12. Шляхто П. Н. Исследование теплоотдачи в тяговых электродвигателях / П. Н. Шляхто, Л. В. Гуткин // Вестн. электропромышленности. - 1953. - № 6. - С. 9-12.
13. Климченков В. Т. Приближенный расчет нестационарных температур и температурных напряжений коллектора электрической машины / В. Т. Климченков // Изв. вузов. Электромеханика. - 1982. - № 1. - С. 40-48.
14. Грищенко А. В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава: учебник для студентов учреждений среднего профессионального образования / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. - М.: Издат. центр «Академия», 2005. - 320 с.
15. Дворкин П. В. Методика построения температурных полей деталей цилиндро-поршневой группы / П. В. Дворкин // Бюл. результатов науч. исследований. - 2017. -Вып. 4. - С. 14-17.
16. Шрайбер М. А. Моделирование теплового состояния тяговых электродвигателей постоянного тока // Бюл. результатов научных исследований. - 2014. -Вып. 4(33). - С. 36-38.
17. Грищенко А. В. Повышение эффективности технического обслуживания локомотивов / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, В. А. Кручек, М. А. Шрайбер // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2012. - Вып. 4. - С. 93-97.
18. Грищенко А. В. Изменение системы технического обслуживания локомотивов / А. В. Грищенко, В. В. Грачев, Д. Н. Курилкин, М. А. Шрайбер // Наука и образование транспорту. - 2017. - № 1. - С. 25-27.
Дата поступления: 02.03.2020 Решение о публикации: 10.03.2020
Контактная информация:
ШРАЙБЕР Марина Александровна - канд. техн. наук, доцент; [email protected]
Determination of the heat transfer factor of the locomotive traction motor commutator
M. A. Schreiber
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Schreiber M. A. Determination of the heat transfer factor of the locomotive traction motor commutator. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 2, рp. 90-99. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-2-90-99
Summary
Objective: To consider determining the heat transfer factor of the surfaces of the diesel locomotive traction electric motor (TEM) armature. To conduct a bench study of the thermal state of the locomotive TEM in a railway depot. To analyze the obtained materials. To give recommendations on checking the TEM armature heating during design, manufacture and operation. Methods: Mathematical modeling methods and basic equations of heat balance, heat transfer, and the composite solid heating theory have been used. Results: The dependences of the armature surface heat transfer factor vs. its peripheral speed have been given. It has been established that the thermal conductivity of the TEM armature frontal end connectors and windings shall be increased in order to avoid overheating. The article describes the need to take into account the communication heat fluxes when calculating and designing electric machines. Recommendations have been given on determining the TEM armature heating during traction calculations for the case of a train with a stopped diesel engine. Practical importance: Communication heat fluxes must be considered when calculating and designing electrical machines. A TEM cooling system shall be created that is capable to set the cooling air flow rate depending on the actual armature surface temperature. The obtained recommendations can be used to prevent the locomotive from operating with the power plant off after driving with currents close to maximum, as well as to maintain the TEM cooling intensity during load shedding.
Keywords: DC traction electric motors, thermal processes of locomotive electric machines, armature heat transfer factor.
References
1. Lukov N. M., Kosmodamianskiy A. S. & Popov Yu. V. Issledovaniye lokomotivnykh sistem regulirovaniya temperatury [Study of locomotive temperature control systems]. Loko-motiv [Locomotive], 2005, no. 5, pp. 35-36. (In Russian)
2. Arnold E. & La Cour J. Mashiny postoyannogo toka. Konstruktsiya, raschet i prime-neniye. V 2 t. [Direct-current machines. Design, calculation and application. In 2 vol.]. Moscow, State Scientific and Technical Publishing House, 1931, vol. 2, 231 p. (In Russian)
3. GurinYa. S. & Kurochkin M. N. Proyektirovaniye mashin postoyannogo toka [Designing direct-current machines]. Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1961, 352 p. (In Russian)
4. Borisenko A. I., Dan'ko V. G. & Yakovlev A. I. Aerodinamika i teploperedacha v elek-tricheskikh mashinakh [Aerodynamics and heat transfer in electric machines]. Moscow, Ener-giya Publ., 1974, 352 p. (In Russian)
5. Carslaw H. S. & Jaeger D. C. Teploprovodnost' tverdykh tel [Conduction of heat in solids]. Moscow, Nauka Publ., 1964, 303 p. (In Russian)
6. Rabinovich I. N. & Zubov I. G. Proyektirovaniye elektricheskikh mashin postoyannogo toka [Designing direct-current electric machines]. Moscow, Energiya Publ., 1967, 350 p. (In Russian)
7. Richter R. Elektricheskiye mashiny. Raschetnye elementy obshchego znacheniya. V 2 t. T. 1. Mashiny postoyannogo toka [Electric machines. General calculation elements. In 2 vol. Vol. 1. Direct-current machines]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1935, 408 p. (In Russian)
8. Alekseyev A. E. Tyagovye elektricheskiye mashiny i preobrazovateli [Traction electric machines and converters]. 2nd ed., revised and amended. Leningrad, Energiya Publ., 1977, 445 p. (In Russian)
9. Bocharov V. I. & Zolotarev P. A. Magistral'nye elektrovozy [Trunk electric locomotives]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1968, 302 p. (In Russian)
10. Postnikov I. I. Proyektirovaniye elektricheskikh mashin [Designing electric machines]. Kiev, Gostekhizdat USSR Publ., 1960, 910 p. (In Russian)
11. Sergeyev P. S., Vinogradov N. V. & Goryainov F. A. Proyektirovaniye elektricheskikh mashin [Designing electric machines]. Moscow, Energiya Publ., 1969, 632 p. (In Russian)
12. Shlyakhto P. N. & Gutkin L. V. Issledovaniye teplootdachi v tyagovykh elektrodvi-gatelyakh [Study of heat transfer in traction electric motors]. Vestnik elektropromyshlennosti [Bulletin of Electrical Industry], 1953, no. 6, pp. 9-12. (In Russian)
13. Klimchenkov V. T. Priblizhenniy raschet nestatsionarnykh temperatur i tempera-turnykh napryazheniy kollektora elektricheskoy mashiny [Approximate calculation of non-stationary temperatures and temperature stresses of the electric machine armature]. Izvestia vuzov. Elektromekhanika [Proceedings of the Higher Educational Institutions. Russian Elec-tromechanics], 1982, no. 1, pp. 40-48. (In Russian)
14. Grishchenko A. V. & Strekopytov V. V. Elektricheskiye mashiny i preobrazovateli podvizhnogo sostava. Uchebnik dlya studentov uchrezhdeniy srednego professional'nogo obrazovaniya [Electric machines and rolling stock converters. Textbook for students of se-
condary vocational education institutions]. Moscow, Izdat. tsentr "Akademiya" Publ., 2005, 320 p. (In Russian)
15. Dvorkin P. V. Metodika postroyeniya temperaturnykh poley detaley tsilindro-porshnevoy gruppy [Methodology of building temperature distribution fields in the cylinder-piston group parts]. Bulletin of scientific research results, 2017, iss. 4, pp. 14-17. (In Russian)
16. Schreiber M. A. Modelirovaniye teplovogo sostoyaniya tyagovykh elektrodvigate-ley postoyannogo toka [Modeling the thermal state of direct-current traction motors]. Bulletin of scientific research results, 2014, iss. 4(33), pp. 36-38. (In Russian)
17. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kruchek V. A. & Schreiber M. A. Povysheniye effektivnosti tekhnicheskogo obsluzhivaniya lokomotivov [Improving the locomotive maintenance efficiency]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2012, iss. 4, pp. 93-97. (In Russian)
18. Grishchenko A. V., Grachev V. V., Kurilkin D. N. & Schreiber M. A. Izmeneniye sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniya lokomotivov [Changing the locomotive maintenance system]. Nauka i obrazovaniye transportu [Science and Education for Transport], 2017, no. 1, pp. 25-27. (In Russian)
Received: March 02, 2020 Accepted: March 10, 2020
Author's information:
Marina A. SCHREIBER - PhD in Engineering, Associate Professor; [email protected]
