CC BY
26
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
УДК 621.33 Васильев Антон Александрович,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав», Иркутский государственный университет путей сообщения,
e-mail: locomotivschik@mail. ru
ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ
ЧАСТЕЙ ОБМОТКИ СТАТОРА
A.A. Vasilev
THE RESOURCE PROLONGATION OF ELECTRIC TRAINS ASYNCHRONOUS AUXILIARY CARS ON THE BASIS OF CAPSULING FRONTAL PARTS OF WINDING STATOR TECHNOLOGY
Аннотация. Статья посвящена инновационной технологии продления ресурса асинхронных вспомогательных машин электропоездов. В статье рассматривается производственная установка для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора при осциллирующем ИК-энергоподводе.
Ключевые слова: электрические машины, изоляция лобовой части двигателя, капсулирова-ние изоляции обмоток, ИК-энергоподвод.
Abstract. The article is devoted to innovative technology of prolongation of a resource of electric trains asynchronous auxiliary cars. Industrial installation for realization of effective technology isolation encapsulation of a frontal part of a winding stator is considered at oscillate IR-energy supply.
Keywords: electric cars, isolation of a frontal part of the engine, encapsulating isolation, IR-energy supply.
Надежная работа пригородного сообщения имеет большое социально-экономическое значение для страны. Электропоезд предназначен для пригородного сообщения на электрофицирован-ных участках железных дорог, от надежности его работы зависят экономические показатели депо и в первую очередь обеспечение безопасности процесса перевозки пассажиров. Устойчивость работы электропоезда определяется надежностью его отдельных узлов и механизмов, в частности вспомогательные электрических машин, электроаппаратуры и механической части.
Наибольшее количество повреждений вспомогательных электрических машин наблюдается по причине пробоя изоляции асинхронных элек-
тродвигателей. Характерными местами повреждений, ведущих к отказу асинхронного электродвигателя, являются: - пазовая часть, лобовая часть, выход из паза, выводы. Начиная исследовать надежность электропоезда переменного тока серий ЭР9п, т и ЭД9м, мк, т, следует изучить статистику отказов и повреждений в эксплуатационных условиях, то есть проанализировать достоверную информацию об эксплуатационной надежности.
Проведен технический анализ непланового ремонта и повреждений оборудования электропоездов по Дирекции обслуживания пассажиров пригородного движения ВСЖД. Количественные данные по электрооборудованию и механической части электропоездов ВСЖД представлены в табл. 1. Анализируемый период - последние три года, а также первый квартал 2012 года. Рассчитан параметр потока отказа по оборудованию. На рис. 1 представлена гистограмма распределения внепланового ремонта оборудования МВПС ВСЖД.
Разрушение изоляции происходит в результате нагрева, механических усилий (давление, вибрация и удары), влияния влаги и агрессивных сред и других факторов. Постепенное разрушение изоляции в эксплуатационных условиях или во время профилактических испытаний обычно завершается пробоем - результатом значительного снижения электрической прочности изоляции. Кроме того, возможны повреждения изоляции, связанные с износом: продавливание, образование трещин вследствие значительных напряжений при изгибе и т. п. Такие местные дефекты часто развиваются быстро и приводят к пробою изоляции задолго до существенного ухудшения ее свойств.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
В других случаях они возникают и развиваются на фоне общего старения изоляции.
К эксплуатационным воздействиям, оказывающим влияние на износ электродвигателей, относятся как климатические: температура и давле-
ние окружающей среды, влажность,- так и другие факторы эксплуатационного характера: агрессивная среда, вибрации, высокие механические и электрические нагрузки.
Т а б л и ц а 1
Распределение непланового ремонта оборудования электропоездов ВСЖД
№ Год ТЭД Вспомогательные Компрессоры Электрическая Механическая Всего
машины аппаратура часть КП
Количество по- 2009 12 14 9 14 26 75
вреждений, N 2010 9 21 11 19 27 87
2011 6 24 11 17 22 80
1 кв. 2012 2 7 4 6 9 28
Повреждения 2009 0,68 0,79 0,51 0,79 1,48 4,27
на 1 млн. км 2010 0,51 1,19 0,62 1,08 1,53 4,95
2011 0,34 1,36 0,62 0,96 1,25 4,56
1 кв. 2012 0,11 0,39 0,22 0,34 0,51 1,59
Количество
Рис. 1. Распределение непланового ремонта оборудования МВПС ВСЖД
Важнейшими факторами износа и старения изоляции являются механические и термомеханические нагрузки. К первым относятся статическое давление на изоляцию, изгибающие и скручивающие усилия, удары и вибрация. Источниками механических воздействий являются: электродинамические силы, неуравновешенность вращающихся частей, центробежные усилия (в обмотках роторов), толчки и удары, передаваемые машинам со стороны приводимых во вращение механизмов. Кроме того, в обмотках возникают механические напряжения, обусловленные периодическими изменениями температуры. Повреждения изоляции обмотки статора являются основной причиной вы-
хода из строя асинхронных электродвигателей электропоездов. Анализ причин выхода из строя более 60 асинхронных электродвигателей вспомогательных машин позволили установить, что 90 % всех повреждений и вызывались нарушением вит-ковой, корпусной и межфазной изоляции [1].
Собранные статистические данные показывают, что в подавляющем большинстве случаев (85-95%) отказы асинхронных электродвигателей вспомогательных машин электропоездов происходят из-за повреждения обмоток и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания -67,92%, пробой межфазной изоляции - 20,75 %, пробой пазовой изоляции - 11,32 %. Наибольший
процент всех повреждений приходится на изоляцию следующих асинхронных электродвигателей вспомогательных машин, в зависимости от места установки на МВПС и характера работы. Двигатель: вентилятора АОМ-32-4 - 26%, вспомогательного компрессора П-31 - 17%, насоса трансформатора - 8 %, компрессора МАК-160, АОСВ -34 %, фаза расщепителя РФ1Д - 15 %.
Высокая повреждаемость изоляции асинхронных двигателей компрессоров МАК-160, АОСВ (60 % всех повреждений) объясняется тем, что они находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Дефекты конструкции и изготовления изоляции, монтажа и ремонта также являются частыми причинами повреждений (14 двигателей, или 34 %), в большей степени они проявляются у приводов с тяжелыми условиями работы по механическим усилиям. По этим причинам большую повреждаемость имеют двигатели компрессоров и вентиляторов, у которых число пусков достигает 2000 в год.
Необходимо учесть комплекс требований и условий эксплуатации, обеспечивающий ресурс работы без замены изоляции на пробег до 5 млн км. Электротехнологии капсулирования лобовых частей обмоток статора вспомогательных электрических машин, необходимо рассматривать как перспективные [2].
В процессе взаимодействия энергии инфракрасного (ИК) излучения с пропиточной жидкостью выделяется значительное количество газа, который является поглощающей и излучающей средой. В этом случае точное решение уравнений переноса излучения и сохранения энергии с целью нахождения распределения температур и тепловых потоков в поглощающих и излучающих средах весьма сложно и трудоёмко. Требуется индивидуальный подход к составлению, решению и анализу уравнений переноса излучения и сохранения вещества и энергии с целью ресурсосбережения.
Была разработана технология капсулирова-ния лобовых частей вспомогательных электрических машин, например типа АОСВ или МАК-160, путём изготовления оболочки для лобовой части обмотки статора. Тем самым повышены показатели влагостойкости и вибростойкости в ущерб увеличению токовых нагрузок, так как керамическая оболочка значительно снижает теплоотдачу.
Общий вид промышленной установки для реализации этой технологии приведен на рис. 2. Данная установка состоит из двух основных узлов: станины с пристроенным частотно-регулируемым асинхронным электроприводом с редуктором и установленной мощностью 3 кВт и передвижного сменного распылителя-облучателя, состоящего
из трех импульсных керамических преобразователей излучения (с установленной мощностью 0,75 кВт) и трех автоматических пневматических распылителей высокого давления.
Рис. 2. Схема производственной установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки статора при осциллирующем ИК-энергоподводе: 1 - асинхронный электродвигатель с ременной передачей, 2 - понижающий редуктор, 3 - опорно-приводные ролики станины, 4 -станина для размещения статора, 5 - комплект блока управления установки, 6 - инфракрасные излучатели, 7 -распылители высокого давления, 8 - резервуар для пропиточной жидкости
Использован комплект асинхронно-частотно регулируемого электропривода, состоящего из асинхронного двигателя и частотного преобразователя фирмы АВВ. Используя частотный преобразователь, выполняют плавную регулировку частоты вращения с помощью потенциометра. Станина предназначена для размещения, фиксации и обеспечения плавного вращательного движения статора вспомогательной электрической машины в широком диапазоне. Размещение и фиксация на столе осуществляется при помощи приводно-опорного и опорных резиновых роликов.
При рассмотрении вопроса внешнего лучистого теплообмена в непрерывно действующих инфракрасных установках с неравномерным полем энергетического облучения по ходу конвейера возникает необходимость определения максимально возможной длительности цикла работы излучателей, при которой обеспечивается равенство суммарного количества тепла, получаемого любым облучаемым образцом при любой скважности импульса.
При решении задач исследования по выявлению оптимальной скважности импульса работы излучателей (внутренний перенос тепла и массы)
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
и выработка рекомендаций по расчету максимальной продолжительности цикла осциллирования (внешний теплоперенос) позволят создать наиболее современные промышленные установки для капсулирования изоляции обмоток электрических машин и аппаратов с осциллирующим режимом ИК-энергоподвода.
Решено аналитически данное предложение по промышленной установке для капсулирования изоляции обмоток электрических машин, с помощью метода Монте-Карло (рис. 3). Проведены исследования взаимодействия системы «излучатель - материал» с помощью составления и решения дифференциальных уравнений энергетического баланса. Метод Монте-Карло заключается в статистической выборке событий для определения среднего поведения системы и базируется на теории вероятности и математической статистике.
Метод Монте-Карло несколько более труден в приложении к простейшим задачам, однако он наиболее эффективен при решении задач, в которых рассматриваются сложные геометрические конфигурации и учитываются переменные свойства. Применительно к сложным геометрическим конфигурациям преимущество метода Монте-Карло состоит в том, что путь пучка энергии описывается простыми соотношениями, в то время как в большинстве других методов требуется явное или неявное интегрирование по площадям поверхностей.
Дополнительным фактором, введенным в модель радиационного обмена между излучателем и лобовой частью, разделёнными газовой средой, является длина пути, пройденного отдельным пучком излучения прежде, чем он поглотится или покинет систему. Можно учесть переменность свойств газа вдоль пути пучка; например, искривляя пути пучков, можно учесть изменения показателя преломления среды, химический состав пропиточной жидкости. Если в процессе капсулиро-вания сделать предположение о радиационном равновесии, то, чтобы не происходило накопления энергии, поглощение пучка средой в любой точке должно сопровождаться испусканием нового пучка в той же точке. Новый пучок можно рассматривать просто как продолжение истории поглощенного пучка до тех пор, пока не произойдет передача энергии граничной поверхности.
Для поддержания равновесия внутри системы элементарный объём dV должен испускать и поглощать одинаковый поток:
* = с1Звл,а = 4а/(Л, Т, Р )вль (Л, Т ^УйЛ
В одном из наиболее часто используемых способов предполагается частичное поглощение
излучения в момент достижения пучком поверхности с известной поглощательной способностью. Согласно такой схеме, энергия пучка уменьшается после каждого отражения. История пучка прослеживается до тех пор, пока не произойдет достаточное число отражений, в результате которых энергия пучка станет меньше некоторого заранее заданного уровня. Этот уровень выбирается из условия, чтобы влияние пучка в последующих отражениях было незначительным.
На этом рассмотрение пучка заканчивается. Такая процедура приводит к большей точности для многих задач, так как история каждого пучка содержит в среднем значительно большее число событий, и определение средних величин при заданном числе пучков производится на основе большего числа событий.
Изучение и практическое применение актуальности темы - продления ресурса асинхронных вспомогательных машин электропоездов на основе технологии капсулирования лобовых частей обмотки статора осуществляется на базе моторва-гонного депо станции Иркутск-Сортировочный. На современном этапе развития ИК-техники использование её для решения научных и практических проблем определяется выбором режимов работы современных излучателей. Такое конструктивное решение было предопределено необходимостью применения для технологии капсулирова-ния изоляции осциллирующего (импульсного, прерывистого, импульсно-прерывистого и т. п.) режима ИК-энергоподвода с целью повышения качественных и количественных показателей процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Котеленец Н. Ф., Акимова Н. А., Антонов М. В. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин : учеб. для вузов. М. : ИИ «Академия», 2003. 384с.
2. Повышение ресурса тяговых электродвигателей : сб. докл. и сообщ. Науч.-техн. конф. / под общ. ред. А. Т. Осяева. М., 2004. 127.
3. Худоногов А. М., Иванов В. Н., Стецив Д. В., Оленцевич Д. А. Метод повышения ресурса изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава // Безопасность регионов - основа устойчивого развития : материалы Второй науч.-практ. конф., Иркутск, 28 сент. - 01 окт. 2009. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. Т. 2. С. 156-160.
4. Зигель Р., Хауэл Дж. Теплообмен излучением. М. : Мир, 1975. 934 с.
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство _Экономика и управление_
Начало
А.
Ввод исходнвых данных
N, Хи>к
Установка
счётчиков
SJ = 0.1 < 7 <
= = 0
п = 0
Испускание пучка данным ^элементарным объёмом под новым углом
Г х ^
7 = ТЯШС — 1 +1
UхJ
Б = Б +1
Определение элементарного объёма, в котором поглощается пучок
Рис. 3. Блок-схема программы расчёта методом Монте-Карло теплообмена излучением между системой «излучатель - материал»
