СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТКИ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.333:621.313.2

А. М. Гардеенков1, Е. Ю. Логинова2, М. А. Буйкин3

'Государственное унитарное предприятие города Москвы «Московский ордена Ленина и ордена Трудового

Красного Знамени метрополитен имени В. И. Ленина (ГУЛ «Московский метрополитен»), электродепо

«Лихоборы», г. Москва, Российская Федерация;

Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)), г. Москва, Российская Федерация;

3Проектно-конструкторско-технологическое бюро по нормированию - филиал ОАО «РЖД» (ПКТБ Н),

г. Москва, Российская Федерация

СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТКИ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Аннотация. Задачей проведенного исследования являлось повышение надежности электрической машины постоянного тока, которая до настоящего времени является основным агрегатом точных регулируемых электроприводов различных систем и механизмов. Показано, что сложная конструкция и использование различных материалов приводит к неравномерному нагреву обмотки якоря и интенсивному тепловому старению, прежде всего изоляционных материалов. Наибольшую интенсивность старения имеет изоляция обмотки якоря электрической машины в лобовых частях, что объясняется диагональным методом укладки обмотки.

Проанализирована возмож ность снижения температуры обмотки якоря электродвигателя постоянного тока за счет модернизации конструкции бандажа. Предлагаемая конструкция бандажа представляет собой чередующиеся слои стекюленты и банда ж ной проволоки. Модернизация банда ж а выполняется таким образом, чтобы обеспечить его механическую прочность при вращении якоря. Разработана тепловая модель тягового электродвигателя постоянного тока. Модель использует метод конечных элементов и позволяет рассчитать температуры элементарных узлов обмотки якоря при различной токовой нагрузке во всем диапазоне изменения температуры и расхода охлаждающего воздуха. Выполнены расчеты распределения температуры по длине обмотки якоря при использовании бандажа серийной конструкции и бандажа модернизированной конструкции. Численный эксперимент показан, что использование комбинированного бандажа обмотки якоря в машине постоянного тока позволяет снизить температуру лобовых частей обмотки якоря на 15 °С. По закону Монзингера для изоляции масса нагревостойкости Н снижение температуры обмотки якоря на 15 "С повышает ресурс электрической машины по показателю температурных износовых отказов более чем в три раза.

Ключевые слови: локомотив, тяговый электродвигатель постоянного тока, бандаж обмотки якоря, тепловая модель обмотки якоря, распределение температур по длине обмотки якоря, ресурс изоляции.

Alexander М. Gardeenkov1, Elena Yu. Loginova2, Maxim A. Buykin3

2State unitary enterprise of the city of Moscow «Moscow Order of Lenin and Order of the Red Banner of Labor Metro named after V.I Lenin» (SUE «Moscow Metro»), electric depot «Likhobory», Moscow, the Russian Federation;

2Russian University of Transport (RUT (MIIT)), Moscow, the Russian Federation;

■'Design, engineering and technological bureau for standardization - branch of JSC «Russian Railways» (PKTB N),

Moscow, the Russian Federation

REDUCING THE TEMPERATURE OF ARMATURE WINDING OF A DC ELECTRICAL MACHINE

Abstract. The objective of the study was to increase the reliability of the DC electric machine, which until now is the main unit ofprecision adjustable electric drives of various systems and mechanisms. It is shown that the complex design and the use of various materials leads to uneven heating of the armature winding and intense thermal aging of insulating materials. The insulation of the armature winding of an electric machine has the greatest aging intensity in the frontal parts, which is explained by the diagonal method of laying the winding.

The possibility of reducing the temperature of the armature Minding of a DC electric motor by modernizing the design is analyzed ofarmature winding bandage. The proposed design of the armature winding bandage is an alternating layers of glass tape and bandage wire. The modernization of the bandage is carried out in such a way as to ensure its mechanical strength during the rotation of the armature. A thermal model of a DC traction motor has been developed. The model uses the finite element method and makes it possible to calculate the temperatures of the elementary nodes of the armature winding at different current loads over the entire range of temperature and cooling air flow. Calculations of the temperature distribution along the length of the armature winding were performed for a bandage of a serial design

тгщщ 2023— т ИЗВЕСТИЯ Транссиба 25

ш

and a bandage of a modernized design. A numerical experiment showed thai the use of a combined armature winding shroud in a DC machine makes it possible to reduce the temperature of the end parts of the armature winding by 15°C. According to the Monsingor law for insulation of heat resistance class H, a decrease in the temperature of the armature winding by 15°C increases the life of the electric machine in terms of thermal wear failures by more than three times.

Keywords: locomotive, DC traction motor, armature winding shroud, armature winding thermal model, temperature distribution along the length of the armature winding, insulation resource.

Электрическая машина постоянного тока широко используется в электроприводе. За счет своей мягкой механической характеристики чаще всего она является основным агрегатом регулируемого электропривода с коэффициентом регулирования координат до кр = 4 — 5. Поэтому в эксплуатации ее нагрузки изменяются в широком диапазоне. Машина постоянного тока может использоваться также в приводе транспортных систем (локомотивы, трамваи и т. д.) и на различных кранах, т. е. может работать в широких диапазонах изменения влажности и температуры. При этом расход воздуха на ее охлаждение либо не меняется, либо меняется по алгоритму, который не учитывает токовые нагрузки, текущие температуру и влажность воздуха, например, на тепловозах.

Из-за действия температурных деформаций, центробежных сил и динамических усилий узлы якоря повреждается чаще, чем другие узлы машины. [1]. Применительно к коллектору образуется повышенный износ его рабочей поверхности, появляются риски и забоины, наблюдаются подгар и оплавление коллекторных пластин, возможно также ослабление коллекторных болтов, образование трещин.

Для обмотки якоря характерными неисправностями являются снижение сопротивления и пробой изоляции, которые возникают вследствие износовых отказов из-за повышенных температур обмогки. Высокие температуры обмотки и ее колебания приводят к изменению характеристик изоляции, растрескиванию и разрушению.

Конструкция комбинированного бандажа обмотки якоря. Сложная конструкция электрической машины, применение в ней материалов с различными физическими характеристиками приводят к неравномерности нагрева ее узлов. Коллекторный миканит, применяемый в качестве изоляции между ламелями электрических машин, имеет наименьшие допустимые температуры. Поскольку коллектор обладает высоким теплоотводом из-за открытой поверхности охлаждения, перегрев коллекторного миканита происходит только на аварийных режимах работы машины (например, при неисправности системы охлаждения).

Температура обмотки якоря является расчетным параметром для электрической машины - по ее значению выбирают класс нагревостойкости изоляции. Расчеты и эксперименты показали, что максимальную температуру при работе машины имеют лобовые части обмотки якоря со стороны привода, которые определяют износ изоляции и снижение ресурса электрической машины [2].

Плотность укладки обмотки якоря неравномерная. Пазовая часть обмотки имеет осевое расположение с эффективной теплопередачей к охлаждающему воздуху через сталь ярма. Лобовая часть обмотки имеет диагональное расположение. За счет такого способа укладки лобовой части на единицу поверхности охлаждения приходится большее тепловыделение, чем на единицу площади пазовой части. Кроме того, проводники лобовой части обмотки плотно прилегают друг к другу и сверху покрыты бандажом, назначение которого - исключить возможность радиального перемещения обмотки и ее размотку при вращении якоря. Вследствие этого теплопередача к охлаждающему воздуху через бандаж осуществляется менее эффективно, чем в пазовой части обмотки. Это приводит к перегреву обмотки якоря в лобовых частях, закрепляемых бандажами, выше допустимого значения и двукратному снижению ресурса машины из-за снижения сопротивления изоляции относительно рекомендованного заводом-изготовителем. Следовательно, для повышения ресурса изоляции якоря необходимо выполнить модернизацию конструкции бандажа, повысив его те пл о п ровод ноет ь.

26 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ЦИ №4(56) 2023

~= i

Напряжение в бандаже, создаваемое при бандажировке, должно быть больше напряжения от центробежных сил, возникающих при вращении якоря, т. е. должно определяться диаметром якоря, допустимой частотой вращения и массой катушки. Это напряжение должно сохранять свое значение и при нагреве обмотки. Поэтому при расчете параметров бандажа основной величиной является допустимое значение напряжения растяжения <тдоп [3].

Первоначально бандаж в электрических машинах изготавливался из стальной луженой магнитной или немагнитной бандажной проволоки, для которой адоп = 450 • 106 Па [3]. Такой бандаж представляет собой двухслойную намотку проволоки с натяжением около 2,5 кН, витки которой соединяют скобами и пропаивают, создавая жесткую конструкцию [4]. Под проволочный бандаж укладывают подбандажную изоляцию, которая состоит из двух слоев гибкого миканита толщиной 0,5 мм и двух слоев электрокартона толщиной 0,5 мм.

Основным недостатком проволочных бандажей является наведение в них вихревых токов, нагрев от этих токов и термические деформации бандажа, которые приводят к ослаблению натяга и деформации лобовых частей обмотки якоря. Кроме того, при разрыве проволочного бандажа могут разрушаться полюсные катушки. Сопротивление разрыва стальной луженой бандажной проволоки, например, для проволоки марки 20Х12Н12Г6, в соответствии с ГОСТ 9124-85 «Проволока стальная луженая бандажная. Технические условия» составляет 1420 Н/мм2.

К преимуществам проволочного бандажа следует отнести его высокую теплопроводность: для проволоки той же марки коэффициент теплопроводности составляет Лпр = 15 Вт/(м • К) при температуре 20 °С [5].

В конструкции современных машин стальная бандажная проволока заменяется стекловолокном, пропитанным термореактивными лаками. Для намотки бандажей используют нетканую ленту из стекловолокна марки ЛСБ-Р шириной 15-20 мм и толщиной 0,1 и 0,2 мм. Бандажи из стеклоленты имеют адоп = 150 • 10б Па, т. е. в три раза меньше, чем проволочные [5]. Поэтому стеклобандаж имеет большее сечение, чем два слоя бандажной проволоки.

Процесс укладки стеклобандажей сводится к намотке ленты на якорь, пропитке ленты термореактивным лаком и запеканию: якорь выдерживается в печи при 145 - 150 °С в течение 12 ч. За это время лак полимеризуется и бандаж превращается в монолитное кольцо, прочно удерживающее лобовые части обмотки во время работы машины [6].

Опыт эксплуатации показал, что стеклобандажи практически не разрушаются при работе тя го в ы х эл е кт род в и гаге л е й.

Малая теплопроводность является главным недостатком бандажей из стеклоленты. Аст = 0,21 Вт/(м • К) [7]. Расчетные исследования тягового электродвигателя ЭД-118 показывают, что при использовании бандажа из стеклоленты температура лобовой части обмотки со стороны, противоположной коллектору (задняя лобовая часть обмотки), при нормальных условиях (н. у.) на продолжительном режиме работы (ток обмотки якоря 1а = 720 А, частота вращения якоря 585 об/мин) на 12 "С превышает температуру пазовой части обмотки и на 4 °С - среднюю температуру обмотки. Для изоляции нагревостойкости Н повышение температуры обмотки на 8 °С приводит к двукратному снижению ресурса относительно расчетного.

Для повышения ресурса изоляции обмотки якоря тягового двигателя была проанализирована эффективность использования комбинированного бандажа, состоящего из чередующихся слоев стеклоленты и бандажной проволоки.

Конструкция комбинированного бандажа представляет собой последовательное чередование бандажной проволоки и многослойной стеклоленты, пропитанной полиэфирной или акриловой смолой, по высоте равной высоте проволочного бандажа [8] (рисунок I ). Таким образом, теплопередача от лобовой части обмотки якоря осуществляется по параллельным ветвям с низкой (стеклобандаж) и высокой (бандажная проволока) теплопроводностью.

Механическая прочность стеклобандажных лент составляет 720 МПа, что примерно в два раза меньше, чем у стальной бандажной проволоки - 1500 МПа. Поэтому площадь сечения

стеклобандажа принимается в два раза больше проволочного. Однако по высоте стеклобандаж будет соответствовать проволочному бандажу, поскольку не требует подбандажной изоляции [9].

Такая конструкция позволяет при эффективном теплоогводе от лобовой части обмотки якоря обеспечить необходимую прочность бандажа.

Рисунок 1 - Конструкция бандажа обмотки якоря электродвигателя со стороны коллектора: I - стеклолента; 2 - лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала; 3 - бандажная проволока; 4 - ярмо якоря; 5 - обмотка якоря; 6 - коллектор; 8 - воздушный зазор; Ь6 высота бандажа

Чтобы не было значительного усложнения технологии укладки комбинированного бандажа, он по длине делится на четыре секции: двух секций проволочного бандажа, выполненного в два слоя бандажной проволокой (аналогично бандажу тягового электродвигателя ЭД-107), и двух секций бандажа, выполненного из стеклоленты (аналогично бандажу тягового электродвигателя ЭД-118). Ближайшая к коллектору секция должна изготавливаться из бандажной проволоки, поскольку примыкающие к ней узлы обмотки будут иметь наименьшую температуру и создавать наименьший тепловой поток от обмотки к коллекторным пластинам (см. рисунок 1). Такое конструктивное исполнение позволяет обеспечить наилучшие условия для охлаждения коллектора, так как в соответствии с требованиями ГОСТ 2582 допустимое превышение температуры коллектора на 20 — 40 °С ниже, чем обмотки якоря с изоляцией классов нагревостойкосги Р или Н [2].

Со стороны, противоположной коллектору, ближний к ярму якоря участок бандажа выполняется из бандажной проволоки. Это способствует эффективной теплопередаче от обмотки якоря к охлаждающему воздуху (рисунок 2).

Таким образом, предлагаемая конструкция бандажа объединяет характеристики, свойственные проволочным бандажам и стеклобандажам:

- механическая прочность, как у проволочного бандажа;

- низкий нагрев от вихревых токов, как у стеклобандажа;

- отсутствие термической деформации при нагреве обмотки и ее ослабление, как у стеклобандажа;

- высокий уровень теплопроводности, как у проволочного бандажа.

В итоге предполагалось, что комбинированный бандаж машины постоянного тока позволит повысить фактический ресурс тягового электродвигателя постоянного тока за счет повышения эффективности охлаждения лобовых частей обмотки якоря и снижения температуры обмотки якоря в целом.

Рисунок 2 - Бандаж обмотки якоря электрической машины постоянного тока со стороны, противоположной коллектору: I - стеклолента; 2 - лента-прокладка из неэлектропроводного армированного материала; 3 - бандажная проволока; 4 - ярмо якоря; 5 - обмотка якоря; 6 - коллектор; 5 - воздушный зазор;

Ьй - высота бандажа

Математическая модель электродвигателя с комбинированным бандажом. Для

подтверждения целесообразности применения комбинированного бандажа в тяговых электродвигателях постоянного тока было проведено численное исследование нагревания обмотки в эксплуатации при штатном и модернизированном бандаже. С этой целью была разработана конечно-разностная математическая модель электродвигателя как теплового объекта.

В модели якорь электродвигателя был представлен как тепловая система, состоящая из п узлов якоря и т узлов потока охлаждающего воздуха (рисунок 3). Состояние каждого узла определяется условием его теплового равновесия:

ГЕГ=Ии-1 • № - ти) + Аик ■ Р1к ■ (Г£ - Тшк) = Л ; I ' (Т; ~~ Тк) = Свз ■ (Твак — Гвз

(1)

где Р( - потери в /-м узле, Вт;

Т{ - температура /-го узла обмотки, °С;

Тк - температура к-го узла охлаждающего воздуха, °С;

Аик ~ теплопередача от /'-го узла обмотки к к-му узлу потока охлаждающего воздуха, Вт/°С;

- теплопроводность между /-м и /- 1-м узлами обмотки, Вт/°С; С учетом уравнений (1) расчетная схема якоря тягового электродвигателя постоянного тока представлена на рисунке 3.

Т4а]

Воздушный т*а4 Г<о} 'и« Гит

I

—1-

~<а10

А "1 А *2 А.,1ст А,1стк А а1€М Анетте

А к

' хЗст А *2сяых А Сем

•V р;?6 ¿2 р.т5 р™6 Л4 к? .V л*?р;?6 -ч >г* -ч ^ -ч

Тх

Тъ:

Ттк!

Гж1

- и ' л " - "я Тж2 Гт} Тл„4

1 -V.

Лх} А„ л„ Л„ -ст Т, А„ Ап л„

I _1 1_1 I ' 1_1 1_J 1__1 1_ _А 1_

Вехти.1яииокныв каналы

Рисунок 3 - Тепловая схема якоря тягового электродвигателя постоянного тока в конечных элементах

Поскольку задачей исследования было определение температуры в лобовых частях обмотки, другие элементы якоря коллектор, пазовая часть обмотки и ярмо ротора в модели были представлены каждый одним узлом. Лобовая же часть обмотки представлена в модели по числу секций бандажа, т. е. четыре узла в передней лобовой части обмотки и четыре узла в лобовой части со стороны противоположной коллектору.

На рисунке 3 приняты следующие обозначения:

РзГ - электрические потери на коллекторе;

Рал3 ~ электрические потери в пазовой части обмогки якоря;

^маг -магнитные потери в стали сердечника якоря;

Я,™6 электрические потери на одном участке лобовых частей обмотки якоря;

Тв - значения температуры воздуха на входе в ТЭД;

Тва, Тва1 н- Г„,10 - значения температуры воздуха в воздушном зазоре над каждым узлом якоря;

^в.к1 7'п.кю ~ значения температуры воздуха в вентиляционных каналах под каждым узлом якоря;

Ак1 - теплоотдача с наружной поверхности коллектора к воздуху в воздушном зазоре;

Ак2 -теплоотдача с внутренней поверхности коллектора к воздуху в вентиляционных каналах;

Акз - теплоотдача от петушков коллектора к воздуху в вентиляционном канале;

Ал1ст -теплопередача от узла передней лобовой части обмотки якоря через стальной бандаж к воздуху;

Дя1.стек ~ теплопередача от узла передней лобовой части обмотки якоря через бандаж из стекловолокна к воздуху;

Ал2лг - теплопередача от узла лобовой части обмотки якоря со стороны привода через стальной бандаж к воздуху;

Ап2.стек ~ теплопередача от узла лобовой части обмотки якоря со стороны привода через бандаж из стекловолокна к воздуху;

Алвн -теплопередача от узлов лобовых частей обмотки якоря к воздуху в вентиляционных каналах двигателя; теплопередача от внутренних поверхностей лобовых частей одинаковая, поскольку они опираются на две одинаковые нажимные шайбы;

Акл -теплопередача от пазовой части обмотки якоря через клинья к воздуху;

Ас1 -теплоотдача от поверхности зубцов сердечника якоря к воздуху в воздушном зазоре;

Ас2 - теплоотдача от сердечника якоря к воздуху в вентиляционных каналах;

Лм1 - тепловая проводимость от пазовой части обмотки якоря к лобовым частям со стороны коллектора;

Лм2 - тепловая проводимость от пазовой части обмотки якоря к лобовым частям со стороны привода;

Ап - тепловая проводимость от обмотки якоря к стали сердечника;

Аг — А7 - тепловые проводимости между узлами лобовых частей.

В результате, конечно-разностная тепловая модель якоря электродвигателя при комбинированной констру кции бандажа имеет вид:

30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ни №4(56) 2023

для узлов якоря —

Тв + ТВ.КЛ , д , (гг, Тв + Т

РэТ(Тк, /а) = Ак2(па, С) • (тк - в +2 пл<1) + Ак1 (па, С) ■ (тк - +

+Ак3(па, С) • (тк - /п а+2/па1) - А! • (Тл к1 - Гк) ;

£,лоб(Тл к1,/а) = Алвн(па,С) • - ^ +

(Iва1 Гва2\ ч

Тп.к1 2 ) ~ А2 • (Тя.к2 — Тиа) + А1" (Тл к1 — Тк) ;

( I вк2+7вкз\ д ^ /V / ы а2 + 1 в а3^

РэГб(Тл.к2, /а) = Ал.вн(Па, С) • (Т,к2--2 - ) + Ал1.стек(па, С) ■ у!П.к2 2 ,1

—А3 ■ (Гл к3 - Тл.кг) + Л2 • (Т].к2 - Т1.К1) ;

/ Твк3+Твк4\ (т Тв.аЗ + 7в.аЛ

= Ал.вн(Па- С) • (Гл.к3--2 ' ] + Ал1.стек(Па,С) ' ^л.к3 2 ^

-Л4 • (Тп.к4 ~~ Тп.кз) + А3 • (Тлк3 - Гл.кг) ;

/ Твк4 + Твк5\ л , гл (т ТвМ + Тп,аВ\ Р™6(Тлм4, /в) = Лл.вн(па, С) • (Гл.к4--2 ■•] + Ал1ли№(па, С) ■ у л.к4 2 ^

—Ам1 • (Тм - Гллс4) + А4 • (Тл к4 - Тл.кз) ^ «Г (Г.. 'а) = А.(П. О ' (г. - Щ^) + Л„ ■ Я, - 7-с) + ЛМ1 • (Г„ - Г„4) +

+лм2 ■ (тм - Tn.ni);

ч,. ад = "К. 6) • (г. -+о • (г, - -

-Л.-СГ.-1Э; (2)

/ Гв "I" 7ц

Р,ГЧТ,,П1, /„) = —Лм2 • (Гм - Т„м) + А{па, С) • (/,,„,--' 2 ) +

+А,»»(п0,0 ■ (ГИ1 " + Л5 • (Г„п1 - Г,п2) ;

Рэл°б(Тл.п2./а) - ~Л5 • (Tt.nl ~ Т1.П2) + Ал2 стек(па, С) ■ (Гл.п2 ~ /""П7 2 + +Ал.вн(па, С) • (Тл.п2 - У'в к7 2 7-8) + А6 • (Гл п2 - Тлп3) ;

Рэл°б(Тл п3,1а) = —А6 ■ (Гл п2 — Тл п3) -I- Лл2 стек(гга, С) • ^Тлп3--1!"'8 2—— ^ +

+АЛВН (па, С) ■ (гл.п3 - Гв к8 2 Гв к9) + Л7 ■ (Тл п3 - Тлп4) ; Рэлоб(Тлп4, /а) = -Л7 ■ (Тл.пз - Т1.П4) + Ал2 стек(па,С) ■ (тлп4 —ва9 2 +

, Д (т ^в.а9 + Тз.аЮ^

"■"''л.вн ' ^'л.п4 2 ) '

!№4(56) мая т ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31

ш

для потока воздуха в вентиляционном канале —

ЛК2 ' (Тк 2 ) = ^Р взО^в.к!.) ' Qкaн ' (Твл<1 ~~ ^в) '

^л.вн ' (Тл.к1 2 ) = Срвз(Тв.к2) ' С?кан ' (Тв.к2 — ^влс!.) >

Дп.вн ' л.к2 2 ) = Срвз(^в.кз) ' (?кан ' (ТВ.К3 — ^в.кг))

Ал.Вн " (Тл.к3 " ^ ^ — вз(Тв.к4*) ' Фкан ' (Тв.к4 ^в.кЗ) >

( Тъ I ^В к5\ /"г ч /"

Ал вн • I ТЛ К4 - у = Срвз(Гв.к5) • (2,<ан ' (ТВ к5 — I в.к4) >

лС2 ' (гс — " ) = ср вз(^в.кб) ' (?кан " (7в.кб — Тв.кб) i (3)

^л.вн ' (тл.п1 ^ ^ = Ср вз(Тв к7) • фкан ■ (Твк7 — 7вк6) ;

Лл.вн ' ^Тл.п2 ^ ^ = срвз(Тв.к8) ' (?кан ' (Тв.к8 ~~ ^в.кт) >

^л.вн " ^л.пЗ ^ ^ = ср взС^в.кэ) ' (?кан ' (Тв.к9 ~~ Тв.к8) '

(Тц кд "Ь 7 в кю\ . -

Тп.п4 ^ ^ = Ср вз(Тв.кю) ' (?кан " (Хв.кЮ ~~ ^в.к9) >

, для потока воздуха в воздушном зазоре —

Лк1 ■ (тк---—— — ^ + АкЗ ' (тк---—2 Н а1) = ср вз(Тв.а1) ■ Qа ' (Тв.а1 ~~ Тв) ;

^Л1.стек ' (Тл.к1 ^ ) = срвз(Тв.а2) ' (¿а ' (Тв.а2 — ^в.а1)'

^л1.стек ' (тл.к2 2 —) = Срвз(Тв.аз) " (?а ' (Тв.аЗ — Тв.а2) ;

Ал 1.стек ' (Тл.к3 ^ ^ = срвз(^в.а4) " Фа " (Тв.а4 — ^в.аз) >

•^л1.стек ' ^ТЛ к4 ^ ) — СР взО в.аз) ' Qa ' (-^в.а5 — /в.34) ,

АС1 ■ (гс — ^ = срвз(7ва6) • • (7ва6 — 7ва5) ; (4)

^кл ' (тм — " —^ = срвэ(Тва6) • • (Гва6 — 7ва5) ;

Ал вн ' -- — СрВЗ(ТВфК7) " (?Кан " (Тв.к7 — Тв.кб) >

^л2 стек ' ^л.п2 ^ ^ = СрвзС^в.ав) ' Фа ' (Тв.а8 — Тв а7) ;

^л2 стек ' ^ТЛ пз - — ^ = Срвз(Тв а9) • (?а • (Тв ад — Гв а8);

^л2 стек ' ^л.п4 ^ " ^ = СрвзС^в.аю) ' Оа ' (Тв.аЮ — ТВ а9).

В модели учитывалось, что электрические потери в узлах машины зависят от тока нагрузки /а, текущей температуры этих узлов, а магнитные потери в ярме якоря - от значений индукции в зубцовом слое Вг, спинке Ва ярма и от частоты вращения якоря па, т. е. частоты

32 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(56) 2023

перемагничивания стали ярма. Теплофизические параметры охлаждающего воздуха задавались нелинейной функцией от его температуры в каждом расчетном сечении.

Расчет теплоотдачи с каждого узла выполнялся в соответствии с рекомендациями [10], т. е. коэффициенты теплоотдачи с поверхности каждого узла были представлены в модели как нелинейные функции от расхода охлаждающего воздуха G и частоты вращения якоря па. При этом учитывались условия вынужденной конвекции, свободной конвекции и теплового излучения для каждого узла обмотки.

Совместное решение уравнений систем (2) (4) позволило рассчитать распределение температуры вдоль витка обмотки якоря при серийном стеклобандаже тягового электродвигателя ЭД-118 и при модернизированной конструкции бандажа. Результаты расчетов показали, что при н. у. на номинальном режиме работы машины с номинальным охлаждением машины <7Н0М = 1,33 м3/с в случае использования модернизированного бандажа обмотка якоря по всей длине будет иметь температуры на 3 - 15 °С ниже, чем при серийном бандаже (рисунок 4). При этом важно отметить, что модернизированный бандаж позволяет обеспечить более равномерное распределение температуры по длине обмотки якоря, снижая этим неравномерность ее тепловой деформации. Самым значительным эффектом от применения комбинированного бандажа является снижение температуры лобовой части обмотки якоря со стороны, противоположной коллектору. Если в машине используется серийная конструкция бандажа из стекловолокна, то максимальная температура этой части обмотки будет на 11°С превышать среднюю температуру пазовой части обмотки. Фактически тепловой износ изоляции якоря определится лобовой частью обмотки со стороны привода и согласно закону Монзингера для изоляции класса нагревостойкости Н будет в 2,5 раза ниже, чем ресурс изоляции в пазовой части [10].

150 140

0

5. iso

2

| 120

1

§. но

V

I

* 100 + 90

При бандаже из стеклолеиты

Па:оил часть —• ♦ ♦

Передних

Л00012Д

часть

Коллектор

При комбинированном бандаже из стеклолеиты и бандажной проволоки

SO

0 0J 0,4 0,6 08 1

Относительная длина полу витка о&чотки якоря

Рисунок 4 — Изменение температуры обмотки якоря тягового электродвигателя ЭД-118 при работе на номинальном режиме и н. у.

Использование модернизированного бандажа значительно меняет характер распределения температуры по длине обмотки якоря. Прежде всего комбинированный бандаж позволяет на 2 — 5 °С снизить температуру коллектора, передней лобовой части и пазовой части обмотки. При этом наибольший эффект от применения комбинированного бандажа

™ ШШ ИЗВЕСТИЯ Транссиба зз

наблюдается в лобовой части обмотки со стороны, противоположной коллектору, которая и определяет износ изоляции в целом. Здесь за счет применения проволочного бандажа температура несколько снижается по длине обмотки (на 2 °С), а затем несколько повышается из-за наличия слоев стеклобандажа, но не превышает температуры пазовой части обмотки. В результате износ изоляции якоря будет более равномерным и значительно меньшим, чем при стеклобандаже. С учетом же снижения средней температуры обмотки лимитирующая часть при комбинированном бандаже будет нагреваться на 15 °С меньше, чем при стеклобандаже. В соответствии с законом Монзингера снижение температуры изоляции класса нагревостойкости Н на 15 °С приводит к более чем трехкратному повышению ее ресурса.

Таким образом, расчеты показали, что при сохранении своего функционального назначения - механической прочности - бандаж, состоящий из комбинации слоев бандажной проволоки и стеклоленты, позволяет уменьшить неравномерность распределения температуры обмотки якоря со значительным снижением ее в лобовой части со стороны привода. Использование бандажа такой конструкции целесообразно на электрических машинах ответственного электропривода, работающего с большими значениями токовых нагрузок. Несомненно, комбинированный бандаж несколько усложняет технологию его изготовления, однако снижение температуры обмоток машины при эксплуатации позволит повысить ее ресурс, что положительным образом скажется на эффективности и надежности работы всей системы электропривода и проведении планово-предупредительного ремонта.

Список литературы

1. Киселев, В. И. Совершенствование конструкции и технологии ремонта тяговых электродвигателей тепловозов / В. И. Киселев, А. И. Федянин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 4 (52). - С. 75-82.

2. Логинова, Е. Ю. Моделирование нестационарных тепловых полей в тяговой электрической машине / Е. Ю. Логинова. - Текст : непосредственный // Электротехника. -1999.-№ 11.-С. 21-24.

3. Проектирование электрических машин : учебное пособие / И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. К. Клоков [и др.]. - Москва : Энергия, 1980. - 496 е., ил. - Текст : непосредственный.

4. Электровозы ВЛ. Якоря тяговых двигателей // ru.poezdvl.com : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://poezdvl.com/ehlektrovozy-i-ehlektropoezda-kahnin/yakorya-tyagovykh-dvigatelei.html/ (дата обращения: 28.08.2023).

5. Металлическая проволока сплав Х20Н80 (NiCr) // ru.mavat.ltd : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://mavat.ltd/metallicheskaya-provoloka/provoloka-splav-x20h80-ni80-сг20/ (дата обращения: 28.08.2023).

6. Бандажи из стеклоленты // ru.stroy-technics.ru : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://stroy-technics.ru/article/bandazhi-iz-steklolenty/ (дата обращения: 28.08.2023).

7. Борисенко, А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах / А. И. Борисенко, В. Г. Данько, А. И. Яковлев. - Москва : Энергия, 1974. - 560 с. - Текст : не посредственн ы й.

8. Патент № 2747567 Российская Федерация, МПК Н02К 3/46 (2006.01). Бандаж обмотки якоря электрической машины постоянного тока : № 2020136545 : заявлено 06.11.2020 : опубликовано 07.05.2021 / Логинова Е. Ю., Нефедов Р. А., Рордеенков А. М. - 11 е.: ил. -Текст: непосредственный.

9. Тепловоз ТЭЗ. Тяговый электродвигатель // scbist.com : сайт. - Текст : электронный. -URL: http://scbist.com/scb/uploaded/teplovozy/te3_17.html (дата обращения: 28.08.2023).

10. Устройство и ремонт электрических машин - бандажирование и балансировка роторов и якорей // leg.co.ua : сайт. - Текст : электронный. URL : https://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/ustroystvo-i-remont-elektricheskih-mashin-13.html/ (дата обращения: 28.08.2023).

34 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ЦИ №4(56) 2023

References

1. Kiselev V.I., Fedianin A.I. Improvement the design and technology of repair the diesel locomotives traction electric motors. Izvestiia Transsiba - Journal ofTranssib Railway Studies, 2022, no. 4 (52), pp. 75-82 (In Russian).

2. Loginova E.Ju. Modeling of unsteady thermal fields in traction electric machine. E/ektrotekhnika - Russian Electrical Engineering, 1999, no. 11, pp. 21-24 (In Russian).

3. Kopylov I P., Goriainov F.A., Klokov B.K. et al. Proektirovanie elektricheskikh mashin: uchebnoe posobie [Design of electric machines: textbook], Moscow, Energiia Publ., 1980, 496 p. (In Russian).

4. Elektrovozy VL. Iakorici tiagovykh dvigatelei [VL electric locomotives. Anchors of traction motors]. Available at: https://poezdvl.com/ehlektrovozy-i-ehlektropoezda-kalinin/yakorya-tyagovykh-dvigatelei.html/ (accessed 28.08.2023).

5. Metallicheskaia provo/oka sp/cn> Kh20N80 (NiCr) [Metal wire alloy Ni80Cr20 (NiCr)]. Available at: https://mavat.ltd/metallicheskaya-provoloka/provoloka-splav-x20h80-ni80-cr20/ (accessed 28.08.2023).

6. Bandazhi iz steklolenty [Fiberglass bandages]. Available at: https://stroy-technics.ru/ article/bandazhi-iz-steklolenty/ (accessed 28.08.2023).

7. Borisenko A.I., Dan'ko V.G., Yakovlev A.I. Aerodinamika i teploperedacha v elektricheskikh mashinakh [Aerodynamics and heat transfer in electrical machines], Moscow, Energiia Publ., 1974, 560 p. (In Russian).

8. Loginova E.Iu., Nefedov R.A., Gordeenkov A.M. Patent RU 2747567 CI, 07.05.2021.

9. Tep/ovoz TE3.Tiagovyi elektrodvigatel' [Diesel locomotive ТЕЗ.Traction electric motor]. Available at: http://scbist.com/scb/uploaded/teplovozy/te3 I7.html/ (accessed 28.08.2023).

10. Ustroistvo i remont elektricheskikh mashin - bandazhirovanie i balansirovka rotorov i iakorei [Design and repair of electrical machines - banding and balancing of rotors and armatures]. Available at: https://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/ustroystvo-i-remont-elektricheskih-mashin-13.html/ (accessed 28.08.2023).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Гардеенков Александр Михайлович

Государственное унитарное предприятие города Москвы «Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени метрополитен имени В. И. Ленина (ГУП «Московский метрополитен»), электродепо «Лихоборы».

Верхнелихобрская ул., д. 5, стр. 1, г. Москва, 127238, Российская Федерация.

Машинист-инструктор локомотивных бригад.

Тел.: +7(499)325-02-14.

E-mail: alexgar@live ru

Логинова Елена Юрьевна

Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).

Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127055, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ).

Тел.: +7(495)681-13-40.

E-mail: [email protected]

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Gardeenkov Alexander Mikhailovich

State unitary enterprise of the city of Moscow «Moscow Order of Lenin and Order of the Red Banner of Labor Metro named after V I Lenin» (SUE «Moscow Metro»), electric depot «Likhobory».

5 building 1, Verkhnelikhobrskaya St., Moscow, 127238, the Russian Federation.

Driver-instructor for locomotive crews.

Phone: +7 (499)325-02-14.

E-mail: [email protected]

Loginova Elena Yurievna

Russian University of Transport (RUT (MllT)).

9, building 9, Obraztsova st., Moscow, 127055, the Russian Federation

Doctor of Sciences in Engineering, professor, professor of the department «Electric Trains and Locomotives», RUT (MIIT).

Phone: +7 (495)681 -13-40.

E-mail: ejy-loginova@mail ru

Буй к ни Максим Андреевич

Проектно- ко нстру кторско-тех нол оги ч ее кое бюро по нормированию - филиал ОАО «РЖД».

Бригадирский пер., д. 6, г. Москва, 105005, Российская Федерация.

Ведущий технолог отдела нормирования материально-технических ресурсов на ремонт и техническое обслуживание локомотивов (ОНлок).

Тел.:+7 (985) 114-92-95.

E-mail: [email protected]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Гардеенков, А. М. Снижение температуры обмотки якоря электрической машины постоянного тока / А. М. Гардеенков, Е. Ю. Логинова, М. А. Буй-кин - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. - № 4 (56). - С. 25 - 36.

УДК 656.225

Buykin Maxim Andreevich

Design, engineering and technology bureau for standardization - a branch of JSC «Russian Railways».

6, Brigadirsky lane, Moscow, 105005, the Russian Federation.

Leading technologist of the department of standardization of material and technical resources for repair and maintenance of locomotives (ONIok).

Phone: +7 (985) 114-92-95.

E-mail: [email protected]

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Gardeenkov A.M., Loginova E.Yu., Buykin M.A. Reducing the temperature of armature winding of a DC electrical machine. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 4 (56), pp 25-36 (In Russian).

А. С. Кучуков, О. В. Шугаев

Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк, Российская Федерация

АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛОНЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ГРУЗОВЫХ ФРОНТОВ УГЛЕПОГРУЗОЧНОЙ СТАНЦИИ ОГ ТЕКУЩИХ РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ

Аннотация. В свят с постоянно растущими объемами перевозок на железнодорожном транспорте время погрузки угля в полувагоны играет важную роль при составлении технологических танов работы углепогрузочных станций и предприятий, что сказывается на времени простоя подвижных единиц и погрузочных установок. В данной статье рассматривается вопрос оптимизации времени погрузки угля бункерным способом на углепогрузочных станциях. Для выявления возможных флуктуации при технологической эксплуатации погрузочного комплекса необходимо разработать математический аппарат, способный по имеющимся показателям работы спрогнозировать дальнейшие параметры времени погрузочных работ. В публикации рассматривается действующая методика расчета технологических норм погрузки и анализируются временные параметры, влияющие на процесс погрузки. Для прогнозирования и оценки времени технологических операции используются методы математической статистики, опирающиеся на эмпирически полученные данные. Обоснована практическая применимость метода расчета математического ожидания и действующей методики. Имекпциеся данные, полученные из графиков исполненной работы технологического объекта «Т» в течение одного месяца, были обработаны с помощью метода определения математического ожидания неслучайной функции от времени и метода скользящей средней и показали значительные флуктуации в режиме работы по некоторым углепогрузочным путям. В ходе анализа выявлено значительное расхождение коэффициентов корреляции по каждому пути на исследуемой станции, что объясняется частыми флуктуациями в работе углепогрузочного комплекса. Для проведения дальнейшего анализа работы углепогрузочных комплексов необходимо получить дополнительные эмпирические данные при их длительной работе в разных эксплуатационных условиях.

Ключевые слови: углепогрузочная станция, полувагон, время погрузки, математическое ожидание, коэффициент корреляции, математическая модель.

Artem S. Kuchukov, Oleg V. Shugaev

Siberian State industrial University (SibSIU), Novokuznetsk, the Russian Federation

ANALYSIS OF THE LOADING TIME DEVIATION FROM THE EXPECTED VALUES AT COAL LOADING STATIONS

Abstract. The increase in the railroad transportation volume imposes pressure on the loading time and scheduling of coal loading stations, which directly affect the downtime of wagons and loaders. This article considers the optimization