CC BY
200
62
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
УДК 629.424.3 : 621.313.13 М. А. Грищенко
ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ ОБМОТКИ ЯКОРЯ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
Своевременное выявление неисправностей тяговых машин постоянного тока способствует не только предотвращению поломки дорогостоящего оборудования, но и обеспечению бесперебойной работы подвижного состава. В статье рассматриваются различные методы повышения надёжности тягового электродвигателя, а также способы, позволяющие определить перегрев обмотки электрической машины.
обмотка якоря, тяговый электродвигатель, теплопередача, коллектор.
Введение
В современных условиях постоянного технического усовершенствования подвижного состава, создания новых высокоскоростных моделей локомотивов и вагонов, способных развивать скорость 200 км/ч и более, повышения мощности грузовых тепловозов и электровозов огромную роль играет надежность электрооборудования. Несмотря на это количество неисправностей электрооборудования подвижного состава намного превышает количество неисправностей и отказов по ходовым частям, автотормозному, автосцепному и прочим видам оборудования.
Своевременное выявление неисправностей способно не только предотвратить поломку дорогостоящего оборудования, но и обеспечить бесперебойную работу тягового подвижного состава, безопасность обслуживающего персонала и пассажиров, т. к. огромное количество возгораний связано именно с выходом из строя электрооборудования (электрических машин, аккумуляторных батарей, повреждений изоляции, контакторов, реле и т. д.).
Электрическое оборудование локомотивов вынужденно работает в экстремальных условиях, значительно отличающихся от условий работы стационарного электрического оборудования. Перепады температуры окружающей среды, влажность или чрезмерная сухость воздуха, ограниченное габаритом локомотива пространство, приводящее к перегреву токоведущих частей, различные воздействия электродинамической природы и прочие неблагоприятные факторы снижают эффективность работы электрических машин, применяемых на тяговом подвижном составе.
Наиболее уязвимой при воздействии критических температур является обмотка электрических машин. Механический и тепловой износ изоляции вызывает её повреждения (к наиболее общим видам повреждения изоля-
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
63
ции можно отнести пробой и утечку, а в некоторых случаях - комбинацию данных неисправностей), что является причиной возникновения различных неисправностей электрической (например, повышение напряжения в зоне дефекта) и электродинамической (например, возникновение токов короткого замыкания) природы, а также способствует преждевременному выходу из строя электрической машины.
Перегрев тягового электродвигателя может возникнуть по нескольким причинам, одной из которых является недостаток охлаждающего воздуха. Но независимо от причины возникновения перегрев нарушает контакт между концами проводников обмотки якоря и прорезями петушков коллектора, что вызывает значительное увеличение переходных сопротивлений. Возникновение неравномерных участков нагрева при этом приводит к повреждению изоляции или к обгоранию проводников. Опасные последствия может иметь ослабление бандажей обмотки якорей, так как данная неисправность не имеет каких-либо сигналов, свидетельствующих о ее возникновении.
1 Анализ методов исследования теплового состояния тяговых электродвигателей
До 1977 года для контроля тепловых процессов в электрических машинах широко применялись методы термометра сопротивления и термоэлектрический. Но в 1977 году Харьковским институтом инженеров транспорта были проведены работы по выяснению возможности диагностирования неисправностей тяговых электродвигателей с помощью термоиндикаторов плавления марки ТП. Для выбора точек контроля были изучены данные о характере повреждений этих машин на ряде дорог, и анализ показал, что в общей сложности на долю якоря приходилось около 76% неисправностей, поэтому объектом контроля стали в первую очередь обмотка якоря и коллектор, затем катушка полюсов, межкатушечные соединения, выводы и подшипники. На эти места были нанесены термоиндикаторные метки.
Выбор мест нанесения меток производился с учетом возможности визуального осмотра через смотровые люки в остове двигателя, температуры окружающей среды и теплоперепадов изоляции (на основании теоретических расчетов), но не учитывалось распределение температур по поверхностям вышеперечисленных узлов электрической машины, а также участки, где температура нагрева достигает максимума. При этом термоиндикаторы плавления было рекомендовано наносить перед приемо-сдаточными испытаниями после заводского или деповского ремонта, а периодический контроль термоиндикаторных меток должен был производиться во время технического (ТО2) и профилактического (ТО3) осмотров, то есть перегрев узлов тягового электродвигателя невозможно было определить непосред-
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
64
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
ственно во время работы электрической машины, превышение допустимой температуры обмотки якоря можно было зафиксировать только как уже случившийся факт на основании срабатывания термоиндикатора плавления.
В дальнейшем многие научно-исследовательские работы были посвящены изучению оценки температурных характеристик тяговой электрической машины в условиях эксплуатации. В качестве одного из методов было предложено использовать для контроля температуры коллектора и обмоток якоря анализ расхода и температуры охлаждающего воздуха на входе и выходе его из электрической машины. Но данный метод имеет ряд существенных недостатков, так как при его использовании не учитываются такие существенные факторы, как химический и физический состав охлаждающего воздуха, качество фильтров, технические характеристики вентиляторов. Кроме того, при использовании подобной оценки теплового состояния узлов электрической машины невозможно определить, какие участки поверхности изоляции обмоток нагреваются за наименьший промежуток времени, а также измерить температуру элементов тягового электродвигателя с достаточно высокой точностью.
Наиболее оптимальным в данном случае является метод непосредственной оценки температуры обмотки. При его использовании существует возможность избежать возникновения погрешностей измерения, так как будет производиться измерение непосредственно температуры поверхностей коллектора и якоря электрической машины, а не температуры воздуха, охлаждающего эти узлы.
2 Построение математической модели процесса теплопередачи от обмотки к железу якоря
Для того чтобы оценить тепловое состояние обмотки якоря тяговой электрической машины, оценить распределение тепловых полей на поверхности ее узлов, была построена компьютерная модель якоря тягового электродвигателя ДКУ-800 (рис. 1) с использованием программного пакета Solid Works, а также его приложения COSMOS Works. Расчет модели производится методом конечных элементов. На рис. 2 представлено построение сетки на поверхности проводников и изоляции обмотки якоря.
В качестве примера компьютерного моделирования в данном программном пакете рассмотрим процесс теплопередачи в пазу якоря от обмотки к железу якоря (рис. 2). Была задана температура проводников как источников теплоты, равная 150°С, а температура поверхностей якоря была приравнена к температуре окружающей среды, т. е. 20°С. При этом, если ранее обмотка якоря в различных расчетах электрических машин заменялась условно однородным телом с усредненными коэффициентами теплопроводности, теплопередачи и т. д., то при использовании в расчете дан-
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
65
ной модели были учтены особенности химических и физических свойств материалов, из которых изготавливаются рассматриваемые узлы тягового двигателя.
Рис. 1. Модель якоря тягового электродвигателя ДКУ-800
Рис. 2. Паз якоря тягового электродвигателя ДКУ-800 с уложенной в него обмоткой
После анализа построенной в программе Solid Works модели для паза якоря и обмотки, состоящей из четырех проводников и уложенной в два слоя, были получены представленные на рис. 3 и 4 эпюры распределения тепловых полей.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
66
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Рис. 3. Моделирование процесса теплопередачи между обмоткой и железом якоря
Рис. 4. Распределение температур на соприкасающихся поверхностях изоляции
обмотки и железа якоря
При использовании построенной математической модели результаты теплового анализа могут быть представлены с достаточной точностью (так как учитывается неоднородность материалов элементов паза якоря, воздушные зазоры между поверхностями проводников и слоями изоляции), также по данной модели можно проанализировать процесс теплопередачи между любыми узлами якоря тягового электродвигателя.
Необходимо отметить, что на данный момент имитационное моделирование является наиболее перспективным направлением анализа состояния узлов подвижного состава, так как можно с достаточной эффективно-
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
2009/1 Известия Петербургского университета путей сообщения
67
стью оценить различные физические и химические процессы, происходящие не только в отдельной сборочной единице, но и в сложной системе, которой является электрическое оборудование локомотива.
3 Ограничение превышения допустимых температур обмотки якоря и коллектора
Проанализировав существующие и ранее применявшиеся методы оценки теплового состояния коллектора и обмотки якоря, можно выделить следующие направления повышения надежности машин постоянного тока.
1. Применение бесконтактных средств измерения теплового состояния коллектора и обмоток якоря позволит получить достаточно точную информацию о температуре составных частей электрической машины. В качестве таких средств бесконтактного измерения температуры поверхности коллектора и якоря могут применяться инфракрасные пирометры.
Принцип действия инфракрасного пирометра основан на измерении абсолютного значения излучаемой энергии одной волны в инфракрасном спектре. На сегодня это относительно недорогой бесконтактный метод измерения температуры. Пирометры могут наводиться на объект с любой дистанции и ограничены лишь диаметром измеряемого пятна и прозрачностью окружающей среды. Также к видимым преимуществам данных средств измерения температуры можно отнести: широкий диапазон измеряемых температур, лазерное наведение, минимальный диаметр измеряемого пятна, высокая точность измерения, возможность применения аналогового или цифрового выхода, запись минимальных, максимальных, усредненных и дифференциальных значений, звуковую сигнализацию при превышении минимального или максимального температурного порога и пр.
2. Рекомендуемые для установки датчиков температуры участки поверхности электродвигателя могут быть выявлены при использовании математической модели тяговой электрической машины (анализ распределения тепловых полей, максимальных и минимальных температур узлов).
Контроль температуры обмоток методом непосредственной оценки может в значительной степени повысить надежность электрической машины, т. к. обслуживающий персонал будет иметь четкое представление о тепловом состоянии коллектора и обмотки якоря, а в случае возникновения перегрева обмотки будет иметь возможность принять срочные меры по устранению неисправности, предупредив тем самым дорогостоящий ремонт электрической машины.
3. Использование сигнала о температуре отдельных элементов тягового электродвигателя в системе автоматического регулирования параметров работы локомотива даст возможность исключить аварийные режимы их работы и увеличить межремонтные пробеги.
Proceeding of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X
68
Известия Петербургского университета путей сообщения 2009/1
Библиографический список
1. Новые электрические машины локомотивов / А. В. Грищенко, Е. В. Козаченко. - М. : ГОУ “Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте”, 2008. - 271 с. - ISBN 978-5-89035-520-1.
2. Проектирование тяговых электродвигателей / А. С. Курбасов, В. И. Седов, Л. Н. Сорин. - М. : Транспорт, 1987. - 536 с.
Статья поступила в редакцию 16.02.2009;
представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.
УДК 534.1 Ф. А. Доронин
ДВИЖЕНИЕ ОДНОМАССОВОГО ВАГОНА ПО СИНУСОИДАЛЬНОМУ ПУТИ
При перемещении вагона по синусоидальному пути под действием горизонтальной силы возможен такой режим движения, при котором происходит интенсивная перекачка энергии двигателя на поддержание вертикальных колебаний кузова. При увеличении тяговой мощности может наблюдаться явление скачкообразного изменения скорости движения вагона.
одномассовый вагон, синусоидальный путь, бифуркация скорости движения, эффект Зоммерфельда.
Введение
Простейшей моделью железнодорожного экипажа является так называемый одномассовый вагон - груз, установленный на вертикальной пружине и демпфере вязкого сопротивления. Эта модель дает возможность выявить некоторые интересные особенности движения вагона, в частности изучить процесс его взаимодействия с двигателем.
1 Составление математической модели
1.1 Постановка задачи. Расчетная схема
Рассмотрим движение одномассового вагона по горизонтальному пути. В качестве расчетной схемы примем груз массы т, установленный на параллельно соединенных пружине с коэффициентом жесткости c и демпфере с коэффициентом вязкого сопротивления b. Груз под действием горизонтальной силы тяги P, развиваемой двигателем мощности N, движется в
ISSN 1815-588 X
Proceeding of Petersburg State Transport University
