Введение к работе
Актуальность работы. Железнодорожный транспорт играет важнейшую роль в развитии хозяйственно-экономического комплекса России. На железнодорожный транспорт приходится до 85% грузовых и до 60% пассажирских перевозок, выполняемых в стране. К настоящему времени в тяговом подвижном составе преобладают локомотивы, построенные более 20 лет назад. В течение всего жизненного цикла на содержание и ремонт локомотивов (в том числе, тяговых электродвигателей) уходит до 64% всех эксплуатационных расходов, из которых свыше 35% - на электроэнергию и топливо. Износ основных фондов в локомотивном хозяйстве превысил 65%. Для того, чтобы снизить темпы старения парка локомотивов, руководство Российских железных дорог приняло программу, связанную с продлением срока службы локомотивов.
К проектированию и созданию перспективного подвижного состава с тяговым электроприводом предъявляется ряд важных требований. К этим требованиям относятся, в частности, внедрение на железнодорожном транспорте асинхронных тяговых электродвигателей и изоляции класса не ниже Н. Однако, асинхронный тяговый привод требует разработки, а также массового производства недорогих и надежных электронных преобразователей. В настоящее время для тягового электропривода применяются в основном коллекторные электродвигатели.
Как показали результаты анализа технического состояния локомотивного парка страны, приведенные в ряде работ, самыми ненадежными узлами в силовых цепях локомотива (по количеству отказов) являются электрическая аппаратура и изоляционные конструкции тяговых электродвигателей.
В условиях эксплуатации тяговые электродвигатели локомотивов работают в широком диапазоне изменения тока якоря, который может быть выше номинального значения. Как правило, системы охлаждения тягового привода реализуют расходы воздуха, позволяющие обеспечить температуры элементов электродвигателей в номинальных режимах их работы не выше допустимых
4 значений для применяемых классов изоляции. Существующие системы
охлаждения тяговых электродвигателей локомотивов не гарантируют
поддержание температуры обмоток на допустимом уровне во всем диапазоне
изменения тока якоря. Опыт эксплуатации показывает, что более низкая
надежность из-за возможных перегревов обмоток сверх допустимых значений
свойственна тяговым электродвигателям тепловозов. Следует заметить при этом,
что затраты энергии на охлаждение оборудования электровоза достигают 15% от
соответствующих затрат на тягу. На тепловозе затраты мощности на охлаждение
тягового электрооборудования составляют до 6% от мощности энергетической
установки. Поэтому системы охлаждения тяговых электродвигателей
локомотивов должны быть спроектированы с учетом выполнения требований не
только эффективности, но также экономичности их работы.
Несмотря на большое количество известных методов непосредственных и косвенных измерений локальных или средних температур обмоток (неподвижных и вращающихся), только расчет температурных полей для различных режимов эксплуатации тяговых электродвигателей позволяет оптимизировать работу вентиляторов системы охлаждения.
В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется локомотивы нескольких серий, которые оборудованы тяговыми электродвигателями различных конструкций. В связи с этим при заданном режиме работы локомотива каждой модели электродвигателя соответствует, строго говоря, собственное распределение температуры в пространстве объема электродвигателя. Такое распределение (поле) температуры может быть получено, в частности, на основании расчета тепловой схемы замещения, которая должна быть адекватна рассматриваемой конструкции тягового электродвигателя.
Таким образом, определение теплового состояния тяговых электродвигателей различных типов, установленных на локомотивах железных дорог России, является актуальной задачей.
5 Цель работы. Разработка универсальной модели для расчета
температурного поля в электрической машине коллекторного типа, которая
может быть легко адаптирована к соответствующей конструкции тягового
электродвигателя; выполнение расчетов нестационарных температурных полей в
тяговых электродвигателях локомотивов с использованием разработанной в
диссертации универсальной модели.
Методы исследования. Для реализации поставленной цели были использованы методы расчета нестационарных процессов теплопередачи с помощью численного решения (методом балансов с использованием неявной разностной схемы) системы дифференциальных уравнений, определяющих тепловое состояние тягового электродвигателя при заданной его нагрузке и расходах воздуха в системе охлаждения, соответствующей (специально разработанной в диссертации) обобщенной гидравлической модели охлаждения тягового электродвигателя.
Научная новизна работы заключается в следующем:
реализован новый подход к составлению эквивалентных тепловых схем замещения тяговых электродвигателей локомотивов, основанный на блочной структуре;
с использованием блочной структуры разработана универсальная модель для тепловых расчетов электродвигателей коллекторного типа, которая позволила составить программу расчета нестационарного теплового состояния указанного класса электрических машин. Адекватность универсальной модели проверена расчетом нестационарных температурных полей в тяговых двигателях НБ-418К, ЭД118А, ТЛ-2К и НБ-514.
Практическая ценность работы. Разработанный метод составления тепловых моделей тяговых электродвигателей и созданное на его базе программное обеспечение позволяют рассчитывать нестационарные температурные поля в тяговых электродвигателях коллекторного типа при их проектировании, а также для различных температурных условий их
6 эксплуатации; оптимизировать работу системы охлаждения тягового
электродвигателя локомотива; использовать методику подхода к составлению
универсальной тепловой схемы замещения для разработки соответствующей
схемы группы электродвигателей принципиально другого типа (например,
асинхронных).
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов численного моделирования подтверждена специальными исследованиями (анализом устойчивости решения, оценкой точности и сходимости расчета на различных сетках и др.), также результатами сопоставления расчетных данных, полученных в диссертации, с известными из литературных источников экспериментальными данными и расчетными данными известных решений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, а также ее результаты докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях «Неделя науки - 2007», «Неделя науки - 2008»; заседаниях кафедры «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» Московскго государственного университета путей сообщения (МИИТ); международных конференциях «Trans-Mech-Art-Chem», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные, путевые машины и робототехнические комплексы»; научно-техническом совете комплексного отделения «Электрификация и энергоснабжение железных дорог» ОАО «ВНИИЖТ».
Использование результатов. Программа теплового расчета тяговых электродвигателей, разработанная в диссертации, принята ООО «Экспертный центр» к внедрению в процесс сертификации новых и модернизируемых локомотивов. Акт о внедрении прилагается к диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, в том числе три из них - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для данной специальности.
7 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения; пяти глав
текста; заключения; списка использованных источников из 154 наименований;
содержит 186 страниц основного текста, включая 23 таблицы и 77 рисунков.
