Введение к работе
Актуальность работы. Несмотря на то, что в перспективе существует тенденция к более широкому использованию на локомотивах тяговых электрических машин переменного тока, в настоящее время на тяговом подвижном составе широко применяются тяговые электродвигатели (ТЭД) постоянного тока, благодаря своей устойчивости к перегрузкам и мягкой регулировочной характеристике. Но перепады температуры окружающей среды, влажность или чрезмерная сухость воздуха, ограниченное габаритом локомотива пространство, различные воздействия электродинамической природы и прочие неблагоприятные факторы снижают эффективность их работы на тяговом подвижном составе.
Наиболее уязвимой при воздействии критических температур является обмотка якоря электрических машин. Перегрев коллекторных ТЭД может возникнуть по многим причинам. Но независимо от причины возникновения, перегрев нарушает контакт между концами проводников обмотки якоря и петушков коллектора, вызывает ускоренное старение изоляции, повреждение бандажей, преждевременный выход из строя коллектора и т.п.
По данным ВНИИЖТа, более 50% тяговых электродвигателей требуют ремонта КР (КР-2) не по пробегу, а по техническому состоянию по причинам повреждений, связанных с межвитковыми замыканиями обмотки якоря и катушек полюсов, пробою их изоляции, трещинам валов якорей, износу моторно-осевых горловин и т.д. Поэтому своевременное выявление неисправностей коллекторных ТЭД способно предотвратить не только поломку дорогостоящего оборудования, но и обеспечить бесперебойную работу тягового подвижного состава.
Значительный вклад в решение проблемы повышения надежности и эффективности работы коллекторных ТЭД локомотивов внесли такие известные ученые и специалисты, как Алексеев А.Е., Балычев П.К., Гуревич Э.И., Идиятуллин Р.Г., Киселев В.И., Киселев И.Г., Каримов А.А., Климченков В.Т. Космодамианский А.С., Кузьмич В.Д., Лапотников Ю.И., Логинова Е.Ю., Луков Н.М., Новиков М.Н., Плохов Е.М., Попов В.Н., Попов Ю.В., Серебряков А.С., Смирнов В.П., Тверитин В.Н., Фоменко В.К., Худоногов А.М. и зарубежные специалисты Г.И.Сканави, В.В.Толкунов, А.А.Уоллес, Л.Ф.Ференц и многие другие, но, следует отметить, что данная проблема остается по-прежнему острой и актуальной.
Целью диссертационной работы является повышение остаточного ресурса якорей тяговых электродвигателей, путем совершенствования методов контроля их теплового состояния, и создание методики прогнозирования перегрева обмотки якоря в эксплуатации.
Объектом исследования является тяговый электродвигатель постоянного тока тепловоза.
Предметом исследования являются тепловые процессы в якоре тягового электродвигателя постоянного тока тепловоза.
Основные задачи исследования:
- выполнить анализ и систематизацию теоретических методов исследования теплового состояния тяговых электрических машин и способов повышения надежности коллекторных ТЭД в эксплуатации;
- разработать математическую модель тепловых процессов в якоре ТЭД, позволяющую исследовать процессы нагрева обмотки якоря и коллектора при различных эксплуатационных режимах;
- аналитически исследовать параметры температурного поля якоря ТЭД в осевом и радиальном направлении и установить зависимости их величины от технологических и эксплуатационных факторов;
- предложить технологию бесконтактного непрерывного контроля температуры якоря коллекторного ТЭД в эксплуатации.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи были решены с применением методов математического моделирования, основных уравнений теплового баланса, теплопередачи и теории нагревания составного твердого тела с использованием метода конечных элементов для решения задач теплопроводности. Построение конечно-элементной модели тепловых процессов в якоре ТЭД типа ЭДУ-133 проводилось в программном пакете Solid Works 2005 – COSMOS Works. В процессе анализа полученных результатов на конечно-элементной модели тепловых процессов в якоре ТЭД и экспериментальных данных использовались электронные таблицы Microsoft Excel 2003.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель тепловых процессов в якоре ТЭД локомотива, позволяющая оценить распределение температуры в его узлах и интенсивность теплопередачи от проводников через сердечник в окружающую среду при переменных величинах токов нагрузки и режимах охлаждения.
-
Предложена методика расчета температурных полей якоря коллекторного ТЭД с использованием метода конечных элементов, позволяющая оценивать его тепловое состояние с учетом особенностей конструкции и режимов работы.
-
Уточнены кривые нагревания ТЭД при различных токах якоря и расходах охлаждающего воздуха. Определены зависимости изменения температуры коллектора и обмотки якоря при нестационарных режимах работы в эксплуатации при движении локомотива по равнинному и перевалистому профилю пути.
-
Проведено теоретическое обоснование и построены зависимости, описывающие остаточные тепловые процессы в системах «обмотка якоря – сердечник якоря» и «коллектор – обмотка якоря».
-
Получены уточненные зависимости изменения коэффициента теплоотдачи поверхности якоря от величины тока нагрузки и расхода охлаждающего воздуха.
-
Теоретически обоснована методика бесконтактного непрерывного контроля температур якоря коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра и алгоритм обработки результатов измерений.
Практическую ценность работы составляют:
-
Эксплуатационные и технологические рекомендации по повышению надежности ТЭД в эксплуатации.
-
Технология бесконтактного непрерывного контроля температур якоря коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра.
-
Выработаны рекомендации предотвращения перегрева корпусной изоляции якоря коллекторного ТЭД при вождении длинносоставных и тяжеловесных поездов.
-
Показана необходимость учета тепловых потоков связи при выполнении тяговых расчетов и расчетов перегрева обмотки якоря ТЭД.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель тепловых процессов в якоре коллекторного ТЭД, учитывающая конструктивные особенности и теплофизические свойства материалов, из которых он изготовлен.
3
-
Математические зависимости между температурой узлов якоря ТЭД при его нагревании и охлаждении и такими величинами, как ток якоря и расход охлаждающего воздуха.
-
Теоретическое обоснование влияния качества пропитки и химических свойств пропиточного состава на процессы теплопередачи от проводника обмотки якоря к сердечнику якоря.
-
Технология бесконтактного непрерывного контроля температур узлов якоря коллекторного ТЭД с помощью инфракрасного пирометра, позволяющая учитывать тепловое состояние ТЭД при подаче охлаждающего воздуха и ограничивающая величину максимального тока в зависимости от фактической температуры коллектора, и рекомендации по ее внедрению в эксплуатацию на перспективных локомотивах.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждена путем проверки сходимости результатов моделирования температуры отдельных узлов якоря с данными, полученными в ходе экспериментальных исследований на стенде и в эксплуатации. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 9 %.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции “Современные технологии - транспорту” (г. Санкт-Петербург, 2010), Межвузовских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых “Шаг в будущее. Неделя науки – 2009, 2010” (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010), Международной научно-технической конференции “Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты” (г. Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской научно-технической конференции “Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития”, посвященной 130-летию Свердловской железной дороги (г. Екатеринбург, 2008), Уральской международной конференции молодых ученых по приоритетным направлениям развития науки и техники (г. Екатеринбург, 2009), Всероссийской научно-практической конференции “Актуальные проблемы транспортного комплекса 2009” (г. Самара, 2009), XII Республиканской научной конференции студентов и аспирантов “Новые математические методы и компьютерные технологии в проектировании, производстве и научных исследованиях” (г. Гомель, 2009), Всероссийской научно-практической конференции “Транспорт-2009” (г. Ростов-на-Дону, 2009).
На международном научно-практическом семинаре студентов и аспирантов “Системы автоматизированного проектирования на транспорте” (г. Санкт-Петербург, 2010) представленная на конкурс модель тепловых процессов в якоре тягового электродвигателя была награждена дипломом международной премии имени Н.Г. Неболсина.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано пятнадцать печатных работ, из них две в периодических изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 87 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, включая 68 рисунков и 2 таблицы.
