CC BY
91
УДК 621.33.025
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Е.Ю.Дульский1
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Произведен анализ отказов тяговых электрических двигателей (ТЭД) электровозов Восточного региона с акцентированием внимания на их наиболее низко надёжный в эксплуатации узел - изоляцию. Проанализирована технология сушки магнитной системы ТЭД электровозов Нижнеудинского локомотивного депо Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) при их ремонте в условиях депо. Выявлены основные недостатки данной технологии, обусловленные использованием технически устарелых, малоэффективных и энергозатратных методов сушки, а также представлены наиболее приемлемые пути совершенствования этой технологии с применением новых, более эффективных, современных и экономически выгодных методов энергоподвода процесса сушки. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 1 назв.
Ключевые слова: тяговый двигатель; изоляция; остов (станина); сушка; конвективный; инфракрасное излучение; комбинированный метод сушки.
IMPROVEMENT OF REPAIRING TECHNOLOGY FOR THE MAGNETIC SYSTEM OF ELECTRIC LOCOMOTIVE TRACTION MOTORS E.Y. Dulsky
Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The article analyzes failures of traction electric motors (TEM) of electric locomotives of the Eastern region with the emphasis on their least reliable unit - insulation. It examines a drying technology of TEM magnetic system of electric locomotives from the Nizhneudinsk electric locomotive depot of the East-Siberian Railway under their repair in the depot. The main disadvantages of this technology due to the use of technically outdated, inefficient and energy-intensive methods of drying are revealed. The most appropriate ways to improve this technology with the use of new, more efficient, updated and cost-effective methods of energy supply for drying are presented. 6 figures. 1 tables. 1 source.
Key words: traction motor; insulation; frame (bed); drying, convective; infrared radiation; combined method of drying.
Тяговые электрические двигатели (ТЭД) подвижного состава железных дорог относятся к предельно нагруженному оборудованию. В процессе эксплуатации они подвержены постоянному воздействию тепловых, электромагнитных, механических и климатических факторов, причем на электровозе эти факторы оказывают комплексное воздействие.
Условия эксплуатации ТЭД на различных дорогах резко отличаются не только климатом, но и профилем пути, колебанием напряжения в контактном проводе, грузонапряженностью и интенсивностью движения.
Оценить техническое состояние электровозов и определить надежность их в работе представляется возможным только на основе анализа надежности подвижного состава, который показывает, что тяговые двигатели электровозов ВСЖД являются одним из самых повреждаемых узлов и по количеству отказов занимают второе место (рис. 1).
Из рис. 1 видно, что ТЭД входят в зону «повышенного внимания А» и требуют принятия мер по снижению их отказов и увеличению надежности в эксплуатации.
Наиболее уязвимым элементом ТЭД и в то же время дорогим является изоляция, причем как обмо-
ток якоря, так и обмоток остова. Несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте ТЭД, уровень повреждаемости их изоляции в эксплуатации все же остается на довольно высоком уровне (рис. 2).
В процессе деповского ремонта структуру и физико-механические свойства изоляции ТЭД восстанавливают пропиткой и компаундировкой. Упреждающая пропитка продлевает ресурс ТЭД, её производственный цикл включает в себя операции предварительной сушки изоляции для удаления из нее влаги, собственно пропитки, т.е. заполнения пор и пустот в материале и промежутков в изоляции лаками; сушки изоляции после пропитки лаками для удаления растворителей и полимеризации твердой основы лака; лакировки и окончательной отделки изоляции для придания соответствующих свойств поверхности обмоток [1]. Цель сушки и пропитки изоляции - повышение диэлектрической и механической прочности, химо- и влагостойкости, теплопроводности, т.е. всего того комплекса свойств, которые определяют качество изоляции и, следовательно, надежность и долговечность эксплуатации обмоток.
1Дульский Евгений Юрьевич, аспирант, тел.: 89834034643, e-mail: [email protected] Dulsky Evgeny, Postgraduate, tel.: 89834034643, e-mail: E.Dulskiy @ mail.ru
Рис. 1. Диаграмма Парето по видам отказов оборудования электровозов за 2011 год
Существуют следующие методы сушки обмоток электрических машин:
- конвективный;
- вакуумный;
- терморадиационный;
- индукционный;
- токовая сушка.
Во всех этих методах предусматривается процесс нагрева - передача тепловой энергии от одного тела другому.
Процесс термообработки изоляции может быть разбит на следующие этапы:
- нагрев изоляции до заданной температуры, значение которой определяется назначением термообработки (сушка до или после пропитки);
- удаление из объема изоляции низкомолекулярных соединений (влага - в случае предварительной сушки, растворители - в основном при сушке изоляции, пропитанной лаками);
- полимеризация пропиточного состава (лаковой
200
« 150 --
100
50 ■
основы или связующего компаундов).
Температурные условия термообработки обычно жестко определены изготовителем пропитывающего состава, а длительность ее является функцией технологических свойств материалов, образующих систему изоляции, их массы, конструктивных характеристик обрабатываемого узла, давления, а также способа подвода тепла к изоляции. Эти же факторы, дополненные показателем влажности, определяют длительность режимов предварительной сушки перед пропиткой. Способ нагрева является практически единственным параметром, не ограниченным регламентирующими рамками, и его обоснованный выбор может существенно повлиять на интенсивность и эффективность рассматриваемого технологического процесса.
Анализ вышеперечисленных методов сушки показал, что наиболее эффективным по сравнению с другими методами является терморадиационный метод сушки, плотность теплового потока которого в разы
95,2
97,6
100,0
т 100,0 ,
^ У / У У с/ / / / / / /
/ / /у/у / у УУ " ' '
«р
Рис. 2. Диаграмма Парето по видам отказов ТЭД за 2011 год: МЯП - моторно-якорные подшипники; МВЗ - меж-витковое замыкание; ГП - главный полюс; ДП - дополнительный полюс; КО - компенсационная обмотка
0
больше других. При токовом методе сушки происходят большие тепловые потери мощности, связанные с нагревом меди проводников. Такие же потери присутствуют и при индукционной сушке, но уже в большем количестве, так как здесь происходит нагрев всего стального пакета остова. В случае терморадиационной сушки имеет место лишь селективный нагрев изоляции без дополнительных энергетических потерь.
При ремонте ТЭД наиболее широко используется конвективный метод нагрева. Теплоносителем в данном случае является нагретый воздух, и передача тепла к обрабатываемому изделию происходит путем естественной и искусственной конвекции. Тепловая энергия, поступая с внешней поверхности изоляции, создает условия для первоочередного удаления низкомолекулярных соединений из приповерхностных слоев. Возникающий градиент концентрации обуславливает направленную к поверхности концентрационную диффузию. Однако вследствие высокого температурного градиента, значительной оказывается роль имеющей противоположное направление термодиффузии. Это определяет большую длительность конвективной сушки, а также вероятное возникновение дефектов, особенно при обработке пропитанной в лаках изоляции.
Причина возможного дефектообразования заключается в том, что необходимые для полимеризации температурные условия создаются, прежде всего, на поверхности. Образовавшаяся лаковая пленка препятствует выходу паров растворителя. В результате могут сформироваться полости, являющиеся зонами возникновения частичных разрядов, или произойти локальные разрушения поверхностного лакового слоя.
Все это ведет к снижению функциональных свойств изоляции и на этапе изготовления требует дополнительной интенсификации процесса удаления низкомолекулярных соединений, например, путем ва-куумирования.
Помимо этого, конвективная сушка, особенно это касается крупногабаритных узлов ТЭД (якорь, остов), характеризуется значительными затратами времени на этапе нагрева до заданной температуры (25-30 %
от общей длительности процесса) и неравномерностью в ее распределении между отдельными частями обмоток.
Принципиально иной вид нагрева, основывающийся на поглощении изоляционными материалами энергии субинфра и инфракрасного излучения, используется при терморадиационной сушке. Преобразование энергии излучения в тепловую происходит в некотором слое изоляции, глубина которого определяется длиной волны и оптическими свойствами изоляционных материалов, в основном коротко- и средневолновых с длиной волны 0,8-5,0 мкм. Проходят расстояние от источника излучения до облучаемой поверхности почти без потерь (коэффициенты отражения и поглощения), а основные диффузионные процессы имеют оптимальное направление. Нагретые основным потоком инфракрасных лучей металлические части узлов, в свою очередь, нагревают лакокрасочный материал снизу, способствуя передаче тепла от нижних слоев изоляции к верхним, ускоряя удаление растворителя и тем самым значительно сокращая процесс сушки.
Эффективность метода сушки инфракрасным излучением в значительной степени обусловливается свойствами лакового покрытия - его отражательной способностью, зависящей от цвета и природы лака, а также свойствами основного материала изделия. Покрытия из прозрачных (для инфракрасных лучей) материалов при высоком коэффициенте отражения обладают низкими коэффициентами поглощения, и попытки нагревания лучистой энергией таких изделий не могут сопровождаться успехом. Для эффективного использования инфракрасного излучения и достижения высоких температур необходимо создавать покрытия, обладающие высокой поглощательной способностью инфракрасной части спектра.
Сушка инфракрасными лучами пропитанных обмоток более эффективна по сравнению с конвекционным методом сушки.
На рис. 3 представлен механизм процесса распределения температуры по толщине слоя пропитанного материала 1 при конвективном и инфракрасном
Рис. 3. Механизм процесса распределения температуры по толщине слоя пропитанного материала
при различных методах энергоподвода
методах энергоподвода. При запекании теплым воздухом (рис. 3, а) верхний слой, засыхающий первым, затрудняет удаление паров растворителя 2 из нижних слоев. Процесс заканчивается только тогда, когда благодаря повышающемуся давлению паров они проникнут сквозь оболочку в атмосферу и вся пленка затвердеет. Сравнительную замедленность конвективной технологии определяет несовпадение потока тепла (направленного внутрь слоя) и потока удаляемых паров (изнутри наружу).
ИК-энергоподвод иначе распределяет энергию по слою покрытия. Большая часть доставленной инфракрасным излучением энергии (рис. 3, б) поглощается пропитанным материалом и превращается в нем в теплоту. Следовательно, сильнее нагретыми оказываются проводник обмотки 3 и нижний слой пропиточного материала, из которого интенсивно улетучиваются пары растворителя, не встречая заметного противодействия.
Далее проанализируем существующую технологию сушки магнитной системы ТЭД на примере Ниж-неудинского ремонтного локомотивного депо ВСЖД.
По технологии в депо при ремонте сушку магнитной системы ТЭД проводят дважды: первый раз перед пропиткой лаком, при этом время сушки занимает десять часов, и второй раз после пропитки, когда время сушки составляет уже пятнадцать часов. Если же магнитная система не нуждается в пропитке, производят единожды десятичасовую сушку.
Сушку магнитной системы ТЭД осуществляют в электропечи СДО1 (рис. 4) первоначально по паспорту и технической документации, предназначенной для сушки якорей ТЭД. В настоящее время, помимо сушки якорей и остовов ТЭД, в ней осуществляют также сушку статоров асинхронных вспомогательных машин электровозов. Основные технические данные электропечи СДО1 приведены в табл. 1.
Корпус электропечи СДО1 представляет собой теплоизолированную камеру, выполненную из профильного и листового проката. Теплоизоляция выпол-
няется плитами из минеральной ваты.
В печи использован конвективный метод сушки посредством нагрева воздуха в рабочем пространстве печи ТЭНами 1 (рис. 4), расположенными по периметру боковых стенок.
Печь находится в работе все двадцать четыре часа в сутки. Используя табл. 1, несложно подсчитать, что расход электроэнергии в сутки на работу одной печи (а их в депо полностью функционирует четыре) с учетом всех её вспомогательных приводов: привода вентиляционного вентилятора 2 (рис. 4), который также работает все двадцать четыре часа, привода дверцы печи 3, осуществляющего её автоматическое закрытие и открытие и работающего примерно час в сутки, - составляет около 2 МВт/ч.
Таблица 1
Основные технические данные электропечи СДО1
Наименование показателей Значение
Установленная мощность, кВт 80
Номинальное напряжение питающей 380/220
сети, В
Номинальная частота тока питающей 50
сети, Гц
Напряжение на трубчатом нагревателе (ТЭНе), В 220
Рабочая температура, оС 160
Максимальная температура, оС 200
Стабильность температуры, % ±5
Максимальный вес загрузки, кг, не 11000
более
Размеры рабочего пространства, мм 4000x1600x1315
Среда в рабочем пространстве Воздух с парами летучих
Габаритные размеры, мм 4500x2350x2320
Мощность привода вентиляционного 0,75
вентилятора, кВт
Мощность привода дверцы печи, кВт 5,5
Рис. 4. Сушильная печь остовов ТЭД СДО1
Рис. 5. Непроизводственные потери мощности сушильной печи СДО1, связанные с нагревом
её внешних стенок
В процессе эксплуатации при сушке остова в печи возникают огромные непроизводственные потери мощности. Эти потери связаны, во-первых, с главным недостатком конвективного метода сушки, используемого в данной печи, - нагрева воздуха в её рабочем пространстве, который, в свою очередь, и осуществляет процесс сушки, нагревая изоляцию магнитной системы ТЭД.
Во-вторых, при работе печи происходит нагрев её внешних стенок. Это происходит из-за негерметизации процесса сушки, что вызывает большие тепловые и, как следствие, электрические потери мощности. Эти потери представлены на рис. 5 в виде фотографий, сделанных при помощи тепловизора (слева на рисунке) и пирометра (справа). Видно, что имеет место существенный непроизводственный нагрев стенок печи, достигающий температуры до ста сорока градусов по Цельсию.
В-третьих, при конвективном процессе сушки, помимо технологически необходимого нагрева изоляции обмоток магнитной системы, происходит бесполезный нагрев железа остова (рис. 6).
Как видно из рис. 6, при извлечении остова из печи по завершении процесса сушки изоляции обмоток магнитной системы ТЭД, железо остова имеет температуру нагрева значительно большую, чем сама изоляция обмоток, которую в принципе только и необходимо сушить. Этот нагрев несёт в себе огромные энергетические потери.
Наиболее эффективным и экономически выгодным методом сушки по сравнению с конвективным, который используется в печи СДО1, является сушка посредством применения энергии инфракрасного (ИК) излучения. Помимо значительного сокращения времени сушки (примерно в четыре раза), применение ИК сушки исключает возможность тепловых потерь мощ-
Рис. 6. Непроизводственные потери мощности печи СДО1, связанные с нагревом железа остова
lui
Транспорт
ности, идущих на нагрев тех частей остова, которые в этом не нуждаются. При данном методе сушки нагреву будет подлежать лишь изоляция обмоток, на которую будет направлен ИК лучевой поток.
Но ввиду слишком сложной геометрии расположения обмоток магнитной системы ТЭД и с целью максимизации эффективности процесса сушки необходимо осуществлять комбинированный метод с применением ИК-излучения, конвекции и вакуумного методов. При этом главной задачей является установление оптимальных соотношений мощностей, подводимых к каждому из данных методов сушки, и с учетом этого
реорганизация всей существующей ныне технологии сушки остовов.
В настоящее время ИК-энергоподвод успешно применяется в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД на базе Нижне-удинского ремонтного локомотивного депо с целью повышения их ресурса. Исследования по теории, технологии и техники капсулирования, проводимые учеными кафедры «электроподвижной состав» Иркутского государственного университета путей сообщения, считаются завершенными.
Библиографический список
1. Барэмбо К.Н., Бернштейн Л.М. Сушка, пропитка и компаундирование обмоток электрических машин. М .-Л.: Госэнергоиздат, 1961. 368 с.
УДК 625.76.08
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИН
Л
В.И.Крысенко1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Отмечено, что в настоящее время применяются три системы выполнения работ по техническому обслуживанию и ремонту строительно-дорожных машин. Это система планово-предупредительного ремонта, система фирменного ремонта и система технического сервиса. Система технического сервиса предусматривает применение гибкого подхода к организации технического обслуживания и ремонта строительно-дорожных машин. Обосновано, что система этих воздействий может быть либо плановой, по установленным заранее нормативам, либо может быть организована по результатам контроля технического состояния с использованием методов и средств технического диагностирования. Проведение исследования моторных масел позволяет определить наибольшую величину наработки двигателя до его замены, а следовательно, и изменить периодичность проведения технического обслуживания и ремонта строительно-дорожных машин. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: техническое обслуживание; норматив; наработка; диагностирование; периодичность; моторное масло.
WAYS TO IMPROVE MAINTENANCE EFFICIENCY OF CONSTRUCTION AND ROADMAKING MACHINERY V.I. Krysenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,664074.
There are three systems of maintenance and repair of construction and roadmaking machinery now. These are the system of scheduled and preventive maintenance, the system of post delivery maintenance and the system of technical service. The system of technical service provides a flexible approach to the organization of maintenance and repair of construction and roadmaking machinery. It is proved that the system of these effects can be either planned, according to pre-set standards, or be arranged by the control results of technical inspections with the use of methods and tools of technical diagnosing. The study of motor oils allows to determine the greatest amount of operating time before its replacement, and therefore to change the periodicity of maintenance and repair of construction and roadmaking machinery. 2 tables. 4 sources.
Key words: maintenance; standard; nonfailure operating time; diagnosing; periodicity; motor oil.
Одной из основных задач технической эксплуатации строительно-дорожных машин является эффективное управление их работоспособностью, поскольку знания и применение различных методов позволяет снизить затраты на проведение технических воздей-
ствий и обеспечить эксплуатационную надежность машин.
Анализ опыта работы эксплуатационных организаций показывает, что процессам технической эксплуатации уделяется недостаточное внимание. Это про-
1Крысенко Виктор Иванович, доцент кафедры строительно-дорожных машин и гидравлических систем, тел.: 89086465921. Krysenko Victor, Associate Professor of the Department of Construction Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: 89086465921.
