CC BY
26
УДК 622.684:629.353
Монастырский Юрий Анатольевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильного транспорта, Криворожский национальный университет, Украина, г. Кривой Рог, ул. ХХ11 партсъезда, 11 e-mail: mo nastirskivQ 8 @ramb ler.ru
DOI: 10.18454/2313-1586.2016.02.077
Monastyrskiy Yuriy A.
Doctor of technical sciences, professor, the head of the automobile transport department, Krivorojsky National University, 11 XXII Partsjezda, Krivoy Rog , Ukraine e-mail: monastirskiyQ 8 @ramb ler.ru
Веснин Артем Вячеславович
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой подъемно-транспортных машин, Криворожский национальный университет e-mail: artem vesnin@mail.ua
Vesnin Artem V.
candidate of technical sciences, assistant professor, head of the Handling, Road and Reclamation Machinery and Equipment Department, Krivorojsky National University e-mail: artem vesnin@mail.ua
Систук Владимир Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра автомобильного транспорта, Криворожский национальный университет e-mail: vladimir. sistuk@vandex.ru
Sistuk Vladimir A.
PhD, assistant professor of the automobile transport department, Krivorojsky National University e-mail: vladimir.sistuk@yandex.ru
Богачевский Антон Александрович
ассистент,
кафедра подъемно-транспортных машин, Криворожский национальный университет e-mail: mr.bogachevskv@mail.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЛАКОВОГО ПОКРЫТИЯ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ КАРЬЕРНОГО САМОСВАЛА БЕЛАЗ-75131 МЕТОДОМ CAE-МОДЕЛИРОВАНИЯ
Bogachevskiy Anton A.
assistant of the Handling, Road and Reclamation Machinery and Equipment Department, Krivorojsky National University e-mail: mr.bo gachevsky@mail.ru
THE LACQUER COATING TEMPERATURE INDICATORS DETERMINATION OF THE BELAZ-75131 OPEN PIT TRUCK DRIVE MOTOR ARMATURE WINDING BY CAE-SIMULATION METHOD
Аннотация:
Компьютерным 3-D моделированием установлены диапазон и частоты температурных показателей лакового покрытия участка якорной обмотки тягового двигателя ЭК-590 карьерного самосвала БелАЗ-75131 в конкретных эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: карьерный самосвал, термический анализ, температурные колебания, эксплуатационные условия, тяговый электрический двигатель, якорная обмотка, CAE-моделирование
Abstract:
Both the range and frequency of temperature indicators of EK-590 drive electromotor armature winding area lacquer coating of BelAZ-75131 open pit truck in specific operating conditions are identified by computer 3D modeling.
Key words: open pit truck, thermal analysis, temperature oscillations, operating conditions, driver motor, armature winding, CAE-simulation
На основе анализа простоев карьерных самосвалов БелАЗ-75131, которые задействованы при транспортировке горной массы на железорудных карьерах Криворожского бассейна, установлено, что простои, связанные с выходом из строя электромеханической трансмиссии, составляют 16 % от общих потерь рабочего времени данных машин. При устранении неполадок электромеханической трансмиссии до 60 % времени приходится на ее электрическую составляющую [1]. Для уточнения причин отказов тяговых электрических машин был проведен дефектоскопический анализ их элементов [2]. Установлено, что значительное количество отказов вызвано разрушением лакового покрытия якорных обмоток тяговых электрических двигателей с локализацией на их лобовых частях [3].
Нами было сделано предположение, что разрушение лакового покрытия обусловлено особенностями эксплуатации самосвалов. На Криворожских карьерах автодороги характеризуются большим удельным весом участков с максимально допустимыми продольными уклонами, которые чередуются с горизонтальными участками, что вызывает изменения тяговых сил на ведущих колесах и, соответственно, токовых нагрузок в обмотках тяговых электродвигателей во время транспортирования. Кроме того, дополнительные изменения токовых нагрузок связаны и с состоянием дорожного покрытия, а именно с колебаниями суммарного сопротивления движению из-за неровностей дороги. Пульсирующие нагрузки приводят к перепадам температуры в элементах тяговых электродвигателей, что в итоге может вызывать чередующиеся знакопеременные деформации в лаковом покрытии обмотки, провоцируя возникновение трещин и снижая общий ресурс работы электрических машин.
Таким образом, исследование температурных показателей лакового покрытия якорных обмоток тяговых двигателей большегрузных самосвалов является актуальным для машин, работающих в условиях карьеров Криворожского региона.
Для достижения данной цели рационально применение современных программных продуктов, в основе которых лежит CAE-моделирование [4].
На рынке представлено достаточное количество программного обеспечения, которое позволяет проводить термический анализ твердотельных объектов, самым популярным из которых является программный комплекс SolidWorks компании Dessault Systèmes [5].
Теплопередача в твердых телах моделируется в подпрограмме SolidWorks Flow Simulation с помощью уравнения теплопроводности [7 - 11]:
др пс 9 _ д dt дх
V д9 ^
дх.
+q
ч V ^г у
где с - удельная теплоемкость, 0 - температура, X - теплопроводность, м/с; рп - плотность воздуха, (кг/м3), ^ - время, Цу - удельное ( в единице объема) тепловыделение источника тепла, Вт/м3.
Частью рабочего процесса тягового двигателя является обдув якорной обмотки потоком охлаждающего воздуха. В данной подпрограмме движение и теплообмен воздушной среды моделируются с помощью уравнения Навье-Стокса, которое описывает в нестационарной постановке закон сохранения массы, импульса и энергии. Для моделирования турбулентных течений (они встречаются в инженерной практике наиболее часто) упомянутые уравнения Навье - Стокса осредняются по Рейнольдсу, т. е. используется осредненное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения осредненных по малому масштабу времени составляющих газодинамических параметров потока (давления, скоростей, температуры) учитываются введением соответствующих производных по времени ( д ). Дополнительно используются уравнения состояния компонентов воздушной среды и эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности данных компонентов от температуры.
Система уравнений сохранения массы, импульса и энергии нестационарного пространственного течения имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат (х, г = 1,2,3), вращающейся с угловой скоростью О вокруг оси, которая проходит через ее начало:
I ^ <Р ^ )-О;
д(рщ) д ( ч дРг
—7Т- + Т— (Рпигик - Т 1к ) + ^ = ^ ;
д дхк дхг
д(рпЕ) , д
дг
+ -
дх,„
((РпЕ + р>к + Чк - ТА ) = Вкик + Ч
где т - скорость текучей среды (охлаждающего воздуха), Р - давление воздуха, Па; Е -полная энергия воздуха, Дж; ^ - диффузионный тепловой поток, Дж; & - действующие на массу воздуха внешние силы: 8гротш - действие сопротивления пористого тела, ^тамг™ - действие гравитации, Бгтогаш - действие вращения системы координат, то есть = Вроют + ЗщГау,цу + $1гоШоп ; Е - полная энергия единичной массы текучей среды; ^ -
тепло, выделяющееся тепловым источником в единичном объеме текучей среды; ш -тензор вязких сдвиговых напряжений, нижние индексы означают суммирование по трем координатным направлениям.
Для текучих сред тензор вязких сдвиговых напряжений определяется следующим образом:
Т и = Ц Х О
дхи дхи, 2дхи
2
■ + ■
д х х, д х хг 3 д х х]
7х 5и) ---Р хкх 6,
3
где Ц=Ц/+ Цг, Ц/ - коэффициент динамической вязкости, ц - коэффициент турбулентной вязкости, Ь- - дельта-функция Кронекера, к - кинетическая энергия турбулентности. Коэффициент турбулентной вязкости ц определяется через величины кинетической энергии турбулентности к и диссипации этой энергии е:
Цг = /а х
С х р х к 2
где / =|1 - ехр х Г - 0,025 х Яу)]2 х (1 + 205 ); Яу = ^
Кт ц,
х у р х к2
—^; Кт =-, у - расстоя-
Цг хв
ние от поверхности стенки, Яу и Яг - показатели критерия Рейнольдса, С^ = 0,09.
Кинетическая энергия турбулентности к и диссипации этой энергии е определяются в результате решения следующих двух уравнений:
дх р х к д д Ц дх к .
+ — х(рхик хк) = --х((ц + х--) + 8к,
дх г дх р х в
+ -
дхь д
дх хг
■ х (р х ик х к) =
д х хк д
дх х
Ог
Цг
■х ((Ц г +—) х
д х хк дх к дх х
) + В Е,
где
с к дхиг
Вк = Т--р х В + Ц г х РВ
дх х.
^ = Се1 х 7 х (/1 х ТК х + Ц ] х СВ х РВ ) - С е2 х /2 х
к дх х,. к
тК = Ц , х (.
дх и дх и, 2 д
+
хи
2
---х ■
& „ 1 д х р
дх х. дх х 3 дх х1
1 х 5г/) - ~ х р х к х 5г;/; РВ =--х — х
3
р д х хг
где gг - составляющая гравитационного ускорения в координатном направлении хг, св = 0,9, Св = 1 при Рв>0 и Св = 0 при Рв < О,/; = 1+(0,05/Д/ = 1-ехрх(-Я2тЛ Се; = 1,44, Се2 = 1,92, Се = 1,3, ск = 1.
Диффузионный тепловой поток моделируется с помощью уравнения:
Чк =
V Р С с J
х Ср х|т, к=1,2,3,
дх.
где сс = 0,9, Рт - число Прандтля, Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Т - температура текучей среды.
в
Переход ламинарного течения в турбулентное и турбулентного в ламинарное моделируется с помощью функций /и, а в пограничных слоях течения около поверхностей твердого тела - с помощью модифицированных универсальных пристеночных функций У [6, 8 - 11].
Исходя из многолетних исследований, местом наибольшего нагрева при эксплуатации тягового электродвигателя является лобовой участок якорной обмотки, которая расположена со стороны щеточно-коллекторного узла [12,13,14]. Поэтому именно этот элемент был выбран для создания БоНё-модели участка якорной обмотки тягового двигателя ЭК-590 карьерного самосвала БелАЗ-75131. Сетка конечных элементов модели состоит из 3772 ячеек (рис. 1).
Рис. 1 - Визуализация сетки конечных элементов
Для определения максимальных значений тепловых показателей лакового покрытия якорной обмотки моделирование температурного состояния проводилось для условий трассы, выбор которой отвечал двум критериям:
- наибольшему проценту наклонных участков в общей длине транспортирования;
- наличию участков с предельно допустимыми продольными уклонами.
Этим критериям соответствует трасса Анновского карьера, которая включает сложный участок с уклоном в 150 промилле протяженностью 100 м (рис. 2).
Рис. 2 - Представление маршрута в виде продольного профиля
Профиль трассы определяет изменения токовых нагрузок в обмотках тяговых двигателей во время движения карьерного самосвала. Действительные токи на каждом участке продольного профиля трассы определялись по тяговой характеристике электродвигателя согласно существующей методике [15]. Величина квадрата силы тока в каждый момент времени определяет текущие значения удельного тепловыделения в проводниках катушки якоря по известной зависимости [16, 17], что и послужило исходными данными для моделирования температурного состояния якорной обмотки.
Результаты расчета удельных тепловыделений для одного из проводников БоНё-модели в графическом виде представлены на рис. 3.
Рис. 3 - Удельное (в единице объема) тепловыделение источника тепла
Характер изменения удельных тепловыделений на трассе позволяет разделить цикл движения во времени условно на два этапа: подъем - когда наблюдается рост тепловыделений проводника; спуск - тепловыделения колеблются в меньшем диапазоне значений.
В результате моделирования температурного состояния участка якорной обмотки установлено, что во время ездки в лаковом покрытии возникают температурные пульсации за относительно короткие промежутки времени, что, как отмечалось ранее, по всей видимости, обусловлено колебаниями действительных токов в связи с изменениями суммарного дорожного сопротивления. Из приведенных эпюр термического состояния можно видеть, что максимальному нагреву подвержены лобовые части БоНё-модели (рис. 4), что подтверждается исследованиями других авторов [12, 13, 14]. Также получена зависимость температуры лакового покрытия от времени движения самосвала на трассе (рис. 5). Из нее видно, что пиковое значение температуры возникает в момент подъема самосвала под уклон в 150 промилле. В это же время наблюдаются и максимальные значения удельных тепловыделений. Несмотря на то что максимальная температура лака не превышает предельно допустимого значения для класса изоляции Н (180°С), она приближается к 160°С, что является порогом срабатывания температурного датчика.
Рис. 4 - Термическое состояние лакового покрытия участка обмотки:
а) - при движении самосвала на подъем от забоя к перегрузочному пункту;
б) - во время разгрузки;
в) - при движении самосвала на спуск от перегрузочного пункта к забою;
г) - во время погрузки
Рис. 5 - График температуры лакового покрытия участка обмотки:
1 - максимальная температура;
2 - средняя температура;
3 - минимальная температура
Таким образом, проведенный термический анализ solid-модели участка якорной обмотки в среде Solidworks Flow Simulation показал, что характер распределения температурных показателей может приводить к пластическим деформациям обмотки со значительными перемещениями в области ее лобовой поверхности, что в дальнейшем вызовет образование микротрещин лакового покрытия. Для определения мест концентрации и величин таких деформаций в дальнейшем будет проведен анализ напряженно-деформированного состояния объекта исследования.
Литература
1. Сютук В.О. Вплив високо дисперсного пилу залiзорудних Kap'epiB на стан електричних машин тягового електроприводу самоскидiв / В.О. Сютук, А.О. Богачевсь-кий // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 118. - С. 168 - 175.
2. Веснш А.В. Порiвняльний аналiз залiзорудного i вугшьного пилу у контекстi 1х впливу на нароб^ок компонентiв електромехашчно'1 трансмiсiiкар'eрнихсамоскидiв / А. В. Веснiн, В. О. Сютук, А. О. Богачевський // Вюник Криворiзького технiчного ушверситету. - Кривий Pir: КНУ, 2014. - Вип. 38. - С. 112 - 119.
3. Vesnin A.V. The analysis of mining conditions influence to operating time of dump trucks traction drive components / A. V. Vesnin, V. O. Sistuk, A. O. Bogachevskiy // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - No. 3. - Dnipropetrovsk. - P. 268 - 271.
4. Vesnin A.V. The industrial dust properties as a wear factor of pit trucks electric machines elements / A.V. Vesnin, V.O. Sistuk, A.O. Bogachevskiy // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - No. 3. - Dnipropetrovsk. - P. 272 - 275.
5. Vesnin A.V. Computer modeling usage for heat mass exchange inside mine dump-truck traction generator and electrical motor research / A.V. Vesnin, V.O. Sistuk, A.O. Bogachevskiy // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - No. 3. - Dnipropetrovsk. - P. 276 -278.
6. Vesnin A.V. Mathematical models analysis for the thermal state of mining trucks traction motors determining / A.V. Vesnin, V.O. Sistuk, A.O. Bogachevskiy // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - No. 3. - Dnipropetrovsk. - P. 279 - 282.
7. Solidworks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. -СПб.: БХВ - Петербург, 2008. - 1040 с.: + DVD - (Мастер).
8. Kurowski Paul. Thermal Analysis with SOLIDWORKS Simulation 2015 and Flow Simulation 2015 / Paul Kurowski. - SDC Publication, 2015. - P. 288.
9. Matsson J. An Introduction to SolidWorks Flow Simulation 2010 / J. Mattson. -SDC Publication, 2010. -297 р.
10. Dassault Systems. НовыевозможностиSolidWorks 2013 / DassaultSystemes. -SolidWorks Corp, 2013. -249 р.
11. Lombard M. Solidworks 2013 Bible. Lombard M. / John Wiley & Sons Inc., 2013. -1299 р.
12. Исмаилов Ш.К. Электрическая прочность изоляции электрических машин локомотивов: монография / Ш.К. Исмаилов. - Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2003. - 272 с.
13. Котеленец Н.Ф. Испытания и надежность электрических машин / Н.Ф. Котеле-нец, Н.Л. Кузнецов. - М.: Высшая школа, 1988. - 232 с.
14. Анализ надежности изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава с учетом особенностей климатических условий внешней среды / А.М. Ху-доногов, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. - С. 232 - 236.
15. Карьерный автотранспорт: состояние и перспективы / П.Л. Мариев, А.А. Кулешов, А Н. Егоров, И.В. Зырянов. - СПб: Наука, 2004.- 429 с.
16. Сипайлов Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. - М.: Высшая школа, 1989. - 239 с.
17. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах / И.Ф. Филиппов. - Л-Энергоатомиздат, 1986. - 256 с.
