Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы электрической прочности изоляции обмоток яговых и вспомогательных электрических машин электроподвижного остава на современном этапе 14 .
1.1 Анализ основных видов повреждений тяговых и вспомогательных лектрических машин электровозов постоянного и переменного тока 19
1.1.1. Анализ статистических данных об отказах электровозов В Л10 19
1.1.2. Анализ статистических данных об отказах электровозов В Л15 24
1.1.3. Анализ основных видов повреждений вспомогательных электрических машин электровозов ВЛ10 31
1.2. Функциональная схема влияния различных факторов на развитие физико-химических процессов, протекающих в изоляции обмоток тяговых и вспомогательных электрических машин 40
1.3. Гипотеза электрического пробоя изоляции обмоток тяговых и вспомогательных электрических машин 48
1.4. Цель и задачи исследования 61
2. Физические основы надежности электрической прочности изоляции бмоток тяговых электродвигателей 68
2.1. Математические и физико-технические основы надежности электри ческой прочности изоляции обмоток тяговых электродвигателей 68
2.1.1. Классификация физико-химических процессов возникновения тказов обмоток тяговых электродвигателей 74
2.1.2. Общие закономерности процессов нарушения электрической проч ости изоляции обмоток тяговых электродвигателей 86
2.2. Общие закономерности процессов механического разрушения элек рической прочности изоляции обмоток тяговых электродвигателей 91
2.2.1. Процессы механического разрушения материалов диэлектриков 96
2.2.2. Механизм образования и развития трещин в материалах диэлектриков 100
2.2.3. Влияние характера изменения нагрузки на процесс разрушения материалов диэлектриков 105
2.2.4. Воздействие поверхностно-активных веществ на процесс разрушения материалов диэлектриков 108
2.2.5. Процессы теплового разрушения материалов диэлектриков 111
2.3. Процессы электрического разрушения электрической прочности золяции обмоток тяговых электродвигателей 112
2.3.1. Электрический пробой изоляции обмоток тяговых электродвигателей 115
2.3.2. Поверхностное электрическое повреждение изоляции обмоток тяговых электродвигателей 119
2.3.3. Вероятностная оценка электрической прочности изоляции обмоток тяговых электродвигателей 123
2.3.4. Тепловой пробой изоляции обмоток тяговых электродвигателей... 127
2.4. Электрическое старение изоляции обмоток тяговых электродви ателей 133
2.4.1. Термическая и окислительная деструкция материалов диэлектриков 135
2.4.2. Кинетика процессов старения электрической изоляции обмоток... 137
2.5. Выводы и предложения 143
3. Экспериментальные исследования механизма электрического про оя изоляции обмоток МПТ 147
3.1. Механизм электрического сквозного пробоя изоляции обмоток ЭД 147
3.2. Исследование процесса электрического пробоя изоляции на при ере установки для производства высоковольтных испытаний изоля оров типа П-4,5 153
3.3. Выводы и предложения 167
4. Внешние механические факторы и электрическая прочность изоля ции обмоток ТЭД 171
4.1. Динамические воздействия пути на колесно-моторный блок 171
4.2. Математические модели и методика качественной и количественной оценки вибрационного поля тяговых двигателей локомотивов 173
4.2.1. Выбор и обоснование расчетных схем электромеханической системы «Обрессоренные массы - ТЭД - рельсовый путь» 174
4.2.2. Математическая модель пространственных колебаний электровоза ВЛ-80 178
4.2.3. Математические модели динамики ТЭД 187
4.2.4. Методика качественной и количественной оценок уровней механических напряжений в изоляционном материале ТЭД 197
4.3. Качественная и количественная оценка воздействия вибраций на МБ на основе натурных испытаний электровозов в условиях эксплу тации 202
4.3.1. Классификация факторов возмущающих усилий 204
4.3.2. Количественная оценка вибрационной надежности тяговых электродвигателей НБ-418 Кб 208
4.3.3. Процесс затухания колебаний КМБ 215
4.3.4. Снижение динамических нагрузок в системе «двигатель-колесо-рельс» на электрическую прочность изоляции обмоток ТЭД 223
4.4. Влияние уровня вибраций на качество коммутации ТЭД 226
4.5. Выводы и предложения 233
5. Тепловое состояние ТЭД в различных режимах эксплуатации, как актор «теплового старения» - снижения электрической прочности золяции обмоток 237
5.1. Количественная и качественная оценка влияния различных пара етров на тепловой режим работы тяговых и вспомогательных элек рических машин 237
5.1.1. Распределение количества охлаждающего воздуха и статического напора между тяговыми электродвигателями электровоза 237
5.1.2. Влияние изменения напряжения в контактной сети на количество охлаждающего воздуха тягового электродвигателя 243
5.1.3. Статистический анализ нагрузки ТЭД НБ-418К6 электровозов ВЛ80 ' в условиях эксплуатации и ее влияние на температуру нагрева обмоток полюсов и якоря 245
5.1.4. Некоторые результаты тепловых испытаний вспомогательных электрических машин 252
5.2. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических ашин и его влияние на ресурс изоляции обмоток полюсов остова и бмотки якоря 254
5.2.1. Влияние расхода охлаждающего воздуха на «тепловое старение» обмоток полюсов остова и обмотки якоря 255
5.2.2. Эквивалентные тепловые схемы и методы теплового расчета обмоток электрических машин 256
5.2.3. Методика теплового расчета температурного режима изоляции якорей тяговых электрических машин 268
5.3. Выводы и предложения 277
6. Распределение токов по силовым цепям электровоза, как фактор арушения температурного режима изоляции обмоток тяговых лектродвигателей 281
6.1. Статистика граничных значений шунтирующих сопротивлений системы регулирования возбуждения ТЭД 287
6.2. Приборы и устройства технического диагностирования электрооборудования электровозов 295
6.3. Оценка влияния отклонения параметра сопротивления собственно реостата ОП на тяговые характеристики электровоза в условиях эксплуатации 299
6.4. Методика и технология корректировки реостатов ослабления поля... 304
6.5. Выводы и предложения 311
7. Условия коммутации и прочность изоляции обмоток коллекторных электрических машин 313
7.1. Теоретические предпосылки к анализу условий коммутации 313
7.1.1. Инструментальная оценка качества коммутации электрических машин 320
7.1.2. Влияние качества коммутации на надежность работы тяговых электродвигателей 328
7.2. Экспериментальные обоснования необходимости усиления конт оля за диагностированием и ремонтом ТЭД и ВЭМ 336
7.2.1. Структура диагностирования ТЭД на испытательной станции 341
7.2.2. Испытательные станции депо и заводов 344
7.3. Методика и технология настройки коммутации тяговых и вспо огательных электрических машин электровозов 356
7.3.1. Качество сборки магнитной системы ТЭДТЛ-2К1 356
7.3.2. Трехмерная математическая модель коммутационных свойств ТЭДТЛ-2К1 365
7.3.3. Технология настройки коммутации электрических машин постоянного тока 373
7.3.4. Коммутационные испытания электрических машин 376
7.3.5. Методика настройки коммутации ТЭД ТЛ-2К1 377
7.4. Выводы и предложения 379
8. Определение экономической эффективности от внедрения техни еских и технологических решений по повышению ресурса изоляции бмоток ТЭД и ВЭМ 382
8.1. Показатели оценки экономической эффективности 382
8.2. Расчет экономического эффекта 384
Заключение и основные выводы 389
Список использованных источников 391
Приложение 419
- Функциональная схема влияния различных факторов на развитие физико-химических процессов, протекающих в изоляции обмоток тяговых и вспомогательных электрических машин
- Общие закономерности процессов механического разрушения элек рической прочности изоляции обмоток тяговых электродвигателей
- Исследование процесса электрического пробоя изоляции на при ере установки для производства высоковольтных испытаний изоля оров типа П-4,5
- Математические модели и методика качественной и количественной оценки вибрационного поля тяговых двигателей локомотивов
Введение к работе
От надежности работы локомотива как сложной системы зависят не только экономические показатели депо, отделения, дороги, но и сохранность грузов, и жизнь людей. В свою очередь надежность электровоза определяется надежностью его отдельных элементов, узлов и механизмов. В связи с этим вопросы надежности работы, ресурса тяговых электродвигателей (ТЭД) и вспомогательных электрических машин (ВЭМ) приобретают актуальность.
Серьезное внимание исследованию надежности электрических машин (ЭМ) начали уделять в 50 - 60-х годах двадцатого столетия. Объясняется это тем, что до названного времени электромашиностроение развивалось главным образом в направлении повышения использования активных материалов, увеличения электромагнитных нагрузок и снижения массы ЭМ на единичную мощность. Параллельно с этим совершенствовались методы проектирования, внедрялись новые виды активных, изоляционных и конструкционных материалов, совершенствовалась система вентиляции и охлаждения.
В процессе эксплуатации на электрическую прочность изоляции обмоток ЭМ воздействуют перенапряжения, вызванные природными явлениями, коммутационными изменениями режимов работы электровоза, системы тягового электроснабжения и т. д., поэтому уровень электрической прочности изоляции обмоток главных полюсов (ГП), дополнительных полюсов (ДП), компенсационной обмотки (КО), обмотки якоря ТЭД и ВЭМ должен быть скоррелирован с величиной перенапряжений.
При разработке конструкции и технологии изготовления электрических машин следует учитывать, что в процессе эксплуатации на них воздействует одновременно целый ряд факторов, снижающих электрическую прочность. Это факторы механической природы; электродинамической природы (броски тока, токи короткого замыкания); электрической природы (перенапряжения) и, безусловно, тепловой фактор, вызванный нагревом обмоток при больших токовых нагрузках. Обоснованный выбор изоляционных материалов, соблюдение технологии изготовления изоляции, оптимальная работа мотор-вентиляторов и равномерное распределение количества охлаждающего воздуха и статического напора для различных ТЭД одного электровоза и т. д. могут в значительной степени компенсировать отрицательное воздействие
указанных факторов и обеспечить требуемую надежность электрической прочности изоляции обмоток ЭМ электровоза.
Анализ отказов, вызвавших плановые и неплановые ремонты электровозов, на примере Западно-Сибирской железной дороги показывает, что их значительная доля приходится на ТЭД и ВЭМ. Отмечен тот факт, что от 50 до 65% отказов ЭМ составляют электрические пробои, межвитковые замыкания обмоток и повреждение изоляции кабелей.
В связи с этим большое значение приобретают задачи, связанные с исследованием и разработкой эффективных диагностических средств, технологий и методов качественной и количественной оценки электрической прочности изоляции обмоток. Проблеме повышения ресурса изоляции обмоток посвящены многочисленные исследования ученых В. А. Винокурова, 3. Г. Гиоева, И. П. Исаева, В. Д. Кузьмича, А. Л. Курочки, В. И. Киселева, М. Д. Находкина, О. А. Некрасова, Г. И. Сканави, В. Г. Щербакова, Г. Фре-лиха, Л. Ф. Френца и др.
Фундаментальные работы в области теории коммутации ЭМ, а также экспериментальные и теоретические исследования процесса коммутации, проведенные отечественными и зарубежными учеными (Э. Арнольд, И. Л. Ла-Кур, В. Д. Авилов, Е. А. Алексеев, Р. Ф. Бекишев, О. Г. Вегнер,
A. И. Вольдек, В. Т. Касьянов, М. Ф. Карасев, А. С. Курбасов, С. П. Калини-
ченко, М. П. Костенко, Е. М. Синельников, Г. А. Сипайлов, А. И. Скоро-
спешкин, В. В. Толкунов, В. В. Фетисов, В. С. Хвостов, К. И. Шенфер,
B. А. Яковенко и многие другие) внесли значительный вклад в решение про
блемы коммутации ЭМ.
Комплексный системный подход к задачам оценки и повышения электрической прочности изоляции обмоток полюсов, якоря ЭМ, кабелей и, как дальнейший шаг, развитие научно-методических, технологических концепций в обеспечении конструктивно-технических и технологических решений, представляется актуальным современным направлением исследований.
Целью диссертации является разработка научно обоснованого комплекса технических и технологических решений, направленных на повышение ресурса изоляции обмоток тяговых и вспомогательных электрических машин локомотивов с учетом специфики эксплуатации, ремонта и технического обслуживания их на железнодорожном транспорте.
Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является системный подход к решению проблемы повышения ресурса электрической изоляции обмоток ТЭД локомотивов в условиях эксплуатации, предусматривающей разработку новых методов, технологий, диагностических средств для перехода к техническому осмотру (ТО) и техническому ремонту (ТР) локомотивов по их фактическому состоянию без изменения планово-предупредительной системы ремонта.
Теоретическая часть диссертации базируется на математических и физических моделях, учитывающих воздействие комплекса факторов, обусловленных режимами эксплуатации и физико-химическими процессами в материалах диэлектриков; теории планирования эксперимента; динамических случайных процессах, математической статистики, применения трехмерных математических моделей; графоаналитического метода.
Выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, научно обоснованы применением современных методов математического моделирования с помощью вычислительной техники. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждается экспериментами, проведенными на испытательных станциях, физических моделях, натурных узлах и в эксплуатационных условиях.
Научная новизна диссертации заключается в создании методологии повышения ресурса изоляции обмоток электрических машин на основе системного анализа физико-химических процессов, протекающих в изоляции обмоток, аналитических и экспериментальных исследований, а именно:
Разработаны и обоснованы математические и физические модели воздействия и взаимодействия комплекса факторов механической, электродинамической, электрической природы и теплового воздействия в условиях эксплуатации локомотивов на электрическую прочность изоляции обмоток и проведены натурные экспериментальные исследования развития во времени процесса электрического сквозного пробоя изоляции обмоток ЭМ.
Уточнена физическая модель механизма электрического сквозного пробоя изоляции обмоток, позволившая экспериментально в лабораторных условиях исследовать лидерный канал - токовый шнур, прошивающий изоляцию обмоток.
Выдвинуто и доказано положение о совокупном воздействии комплекса факторов, отрицательно влияющих на электрическую прочность изо-
ляции обмоток, дающее физическое обоснование корреляционной связи между наработкой до отказа по причинам электрической природы и качеством настройки ТЭД, ВЭМ по коммутации.
Разработан метод исследования по оценке влияния параметров динамического воздействия пути на электрическую прочность изоляции обмоток ТЭД.
Разработаны и реализованы методы экспериментальных исследований распределения количества охлаждающего воздуха и его статического напора по ТЭД электровозов в зависимости от номера оси колесной пары и величины напряжения в контактной сети, вызывающего значительные перегревы и ускоренное старение изоляции обмоток двигателей.
Разработан метод корректировки сопротивлений ОП и пусковых реостатов, позволяющий на основании корректировки сопротивлений ОП минимизировать неравномерности распределения тока нагрузки по ТЭД и тягового усилия по осям колесных пар электровоза.
Разработан метод практической оптимизации условий коммутации ТЭД и ВЭМ, включающий в себя:
Трехмерные пространственные математические модели, критерии оптимизации и программное обеспечение коммутационных свойств ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6; ВЭМ ТЛ-1 ЮМ, НБ-431А;
Научно-методическое обоснование, математическое обеспечение графоаналитического метода корректировки магнитной системы ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6; ВЭМ ТЛ-1 ЮМ, НБ-431А, направленное на снижение отрицательного воздействия факторов электрической и электродинамической природы на электрическую прочность (ресурс изоляции обмоток);
Методику расчета единичных показателей надежности ТЭД - зависимости отказов ТЭД по причинам электрической природы от качества коммутации и комплекса факторов, воздействующих на электрическую прочность изоляции в условиях эксплуатации подвижного состава.
Первая глава диссертации представлена анализом технического состояния тягового подвижного состава (ТПС) в целом и проблемы электрической прочности изоляции обмоток, в частности, ТЭД и ВЭМ электроподвижного состава (ЭПС) на современном этапе. Сделан акцент на основных технических требованиях, предъявляемых к ЭПС нового поколения. Основой для разработок должен стать принцип модульной компановки подвижного
состава с рациональной унификацией узлов и систем, снижающих стоимость новой техники и ее разработки. Разработана и показана физическая модель воздействия комплекса факторов на развитие физико-химических процессов, протекающих в изоляции обмоток ТЭД и ВЭМ. В заключительной части главы приводится детализированная постановка задачи исследования.
Вторая глава содержит теоретические и экспериментальные исследования, объясняющие механизм разрушения электрической прочности твердого диэлектрика.
Все большее внимание привлекают вопросы, связанные с физико-техническими аспектами, с физикой отказов, которым посвящены работы И. В. Базовского, Г. В. Дружинина, Н. П. Ермолина, И. П. Исаева, А. С. Кур-басова, А. М. Калошкина, А. С. Леоновича, И. М. Меламедова, Б. С. Сотско-ва, Р. Хевиленд и др. При этом показатели надежности любого узла могут быть представлены как функции физических параметров элементов и скорости их изменения в зависимости от различных факторов.
Изучение физических свойств элементов, кинетики процессов, вызывающих их изменения, представляется особенно важным, если иметь в виду, что сущность проблемы надежности заключается, в конечном счете, в изменении свойств материалов во времени при заданных условиях эксплуатации. Этим исследованиям посвящены работы В. Беккер, В. И. Бетехтина, П. Бе-нинг, Ю. Н. Вершинина, А. А. Воробьева, А. Ф. Вальтера, Н. Грасси, С. Н. Журкова, Г. В. Карпенко, С. Н. Койкова, Н. А. Козырева, И. Крамера, В. И. Камийвянского, А. И. Лихтмана, Л. Д. Ландау, В. П. Павлова, П. А. Ре-биндера, Ф. Рейфа, В. Р. Регеля, Г. И. Сканави, Э. Е. Томашевского, Б. М. Та-реева, С. Уайтхэда, К. Хуанг и многих других.
В третьей главе исследован процесс электрического пробоя изоляции обмоток ЭМ (канала протекания тока короткого замыкания). В результате проведения многочисленных исследований установлено, что после возникновения первоначально частичных разрядов в последующем они переходят в объемное электрическое поле и канал сквозного прохода тока лидерного канала (токового шнура). Ток, протекающий по токовому шнуру, прошивает изоляцию обмотки ТЭД, и, вследствие нагрева канала происходит оплавление шинной меди и изоляции обмотки и наступает значительное разрушение изоляции обмотки ТЭД.
Четвертая глава раскрывает влияние фактора динамического взаимодействия пути и подвижного состава на электрическую прочность изоляции обмоток.
Результаты обобщения многочисленных экспериментальных и теоретических исследований процесса коммутации ТЭД локомотивов в условиях эксплуатации, проведенные под руководством профессора М. Ф. Карасева, исследований процесса взаимодействия пути и подвижного состава, проведенные под руководством профессора М. П. Пахомова и многих других отечественных и зарубежных ученых, а также исследования автора позволили качественно и количественно оценить систему моторно-осевой подвески ТЭД НБ-418К6 электровозов ВЛ80Р'Т, ТЭД ТЛ-2К1 электровозов ВЛ10 с точки зрения взаимодействия пары «колесо-рельс» и ее влияние на электрическую прочность изоляции обмоток, качество коммутации и надежность ТЭД в целом.
Пятая глава посвящена оценке теплового состояния ТЭД в различных режимах эксплуатации. В процессе работы в обмотках ЭМ выделяется значительное количество тепла, вследствие активных потерь, и повышается температура, что предъявляет повышенные требования к изоляции по ее термической устойчивости и нагревостойкости.
Исследование и анализ эксплуатационных факторов, а именно токов нагрузки, объема охлаждающего воздуха и его статического напора, на тепловое состояние ТЭД и ВЭМ позволило определить область допустимых режимов их работы с учетом неравномерности нагревания обмоток отдельных электрических машин.
Шестая глава посвящена вопросу снижения перераспределения токов по основным цепям электровоза, вызванного значительным разбросом омического сопротивления реостатов ослабления поля. Нарушение температурного режима и дополнительная частота срабатывания защиты от токов перегрузки являются еще дополнительными факторами, отрицательно воздействующими на электрическую прочность изоляции обмоток полюсов, якоря ТЭД.
В седьмой главе диссертации с учетом специфики эксплуатации, системы и технологии обслуживания в системе МПС автором разработан и внедрен метод практической оптимизации условий коммутации ТЭД и ВЭМ подвижного состава, который основывается на положениях теории оптимальной коммутации.
Восьмая глава посвящена вопросам технико-экономического обоснования внедрения предлагаемых конструктивно-технических и технологических решений. Предполагаемый экономический эффект от внедрения результатов работы может быть оценен в среднем 1232,7 тыс. руб. в год на одно локомотивное депо с приписным парком 100 электровозов.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что на основании проведенного системного анализа воздействия комплекса факторов на электрическую прочность изоляции обмоток полюсов, якоря, разработаны расчетные методики, технологии и технические решения, направленные на повышение ресурса изоляции обмоток ЭМ, а именно:
Предложен и разработан прибор - устройство для количественной оценки малого омического сопротивления электрооборудования подвижного состава.
Разработана и внедрена:
детализированная технологическая карта диагностирования электрооборудования электровоза ВЛ10 в целом и электрической прочности изоляции обмоток полюсов, якоря ТЭД, ВЭМ;
методика, технология и технологическая карта по корректировке реостатов ОП и пусковых сопротивлений с целью обеспечения более равномерного распределения тока нагрузки, силы тяги на ободе колесной пары.
3. Структурная схема управления техническим диагностированием ЭМ
и структура прохождения технического диагностирования ТЭД на испыта
тельной станции, позволяющие наиболее полно и объективно, количественно
и качественно контролировать выбранные параметры, отражающие техниче
ское состояние ЭМ; оценивать допустимые отклонения от номинальных;
прогнозировать ресурс того или иного узла и выдавать необходимые реко
мендации.
Усовершенствованы схемы испытательных станций по методу взаимной нагрузки с трехмашинными агрегатами, а также с использованием статических преобразователей, оборудованных схемой подпитки-отпитки ДП.
Разработаны и внедрены метод и технология настройки коммутации ЭМ на базе графоаналитического подхода корректировки зазоров по ДП ТЭД и ВЭМ.
Основные положения теоретических и экспериментальных исследований, практические рекомендации, изложенные в диссертации, использованы в локомотивных депо на Западно-Сибирской, Красноярской, Восточно-
Сибирской железных дорогах; на локомотиворемонтных заводах; на Федеральном государственном унитарном предприятии проектно-конструктор-ское бюро локомотивного хозяйства (ФГУП ПКБ ЦТ МПС РФ) и на Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (ФГУП ВНИКТИ МПС России) г. Коломна.
Научные результаты диссертации используются в лекционных и практических курсах «Электрические машины» для студентов очной и заочной форм обучения по следующим специальностям: 18.14.00 - «Электрический транспорт железных дорог», 15.07.00 - «Локомотивы», 10.04.00 - «Электроснабжение железнодорожного транспорта», а также в Институте повышения квалификации и переподготовки для инженерно-технических работников, занимающихся ремонтом, монтажом, испытаниями и эксплуатацией тяговых электрических машин постоянного тока.
Функциональная схема влияния различных факторов на развитие физико-химических процессов, протекающих в изоляции обмоток тяговых и вспомогательных электрических машин
Различные элементы системы (система - ТЭД) изготавливаются из раз-нообразных материалов (металлы, сплавы, изоляционные материалы - органические и неорганические, покрытие - пропиточные лаки и т. д., имеющие различные свойства, структуры). Под воздействием различных факторов и нагрузок в материалах диэлектрика происходят различные физико-химические процессы, которые приводят к разрушению изоляционного материала и последующим отказам изоляции обмоток ЭМ в виде электрического пробоя и межвитковых замыканий [21 - 23].
Функциональная схема комплексного влияния различных факторов на to развитие физико-химических процессов, протекающих в материалах диэлектрика в различные стадии (т. е. в период создания, эксплуатации, ремонта), а также анализ надежности и мероприятий по повышению электрической прочности изоляции обмоток ТЭД, ВЭМ приведены на рис. 1.8. На базе ста тистических данных по отказам обмоток якоря, ДП, ГП, КО и т. д. На стадии эксплуатации и ремонта (плановых, внеплановых) производится анализ причин отказа элементов ТЭД, их неисправностей, исследуются воздействия внешних факторов и условий их рабочих режимов и нагрузок.
Комплекс вредных воздействий на изоляцию обмоток приводит к изменению структуры материала диэлектрика. В результате исследования физико-химических процессов, протекающих в изоляционных материалах, разрабатываются меры по восстановлению структуры и параметров изоляционного материала (электрической прочности изоляции обмоток), по недопущению экстремальных режимов и внешних воздействий, которые вызвали процессы разрушение материала диэлектрика, приведшие в последующем к отказу ТЭД, ВЭМ по пробою изоляции, межвитковому замыканию в обмотках ГП, ДП, КО и в обмотке якоря.
В процессе эксплуатации ЭПС изоляция обмоток ГП, ДП, КО, обмоток якоря, выводов катушек и кабелей работает в тяжелых условиях внешних и внутренних воздействий. Нарушение электрической прочности изоляции происходит в результате как механических воздействий вибрации в вертикальной и горизонтальной плоскостях, передавливания, растяжения, ударов, так и тепловых, электрических и других факторов.
При нахождении материала диэлектрика в высокотемпературном поле происходит частичное разложение материала, которое идет тем интенсивнее, чем выше температура. С течением времени происходит постепенное увеличение пористости изоляционного материала. Это приводит к возникновению местных электрических неоднородностей, сказывающихся на изменении локальной диэлектрической проницаемости, что, в свою очередь, приводит к возникновению местных перенапряжений при наложении на изоляционный материал переменного электрического поля.
В связи с тем, что диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика обычно в несколько раз превышает диэлектрическую проницаемость воздуха, напряженность электрического поля в воздушных включениях будет в несколько раз превышать напряженность в твердом диэлектрике. Поэтому при плавном возрастании напряжения вначале будет происходить пробой воздушных включений. Режим, нагрузки, внешние условия и т. д.
Внешние проявления отказов, неисправностей Исследование физических процесов, протекающих в изоляционных материалах, и причины их отказов
Исследование воздействия внешних условий, их рабочих режимов и нагрузок Качество изоляционных материалов, их внутренняя структура, показатели Разработка и внедрение мер по восстановлению структуры и параметров изоляционного материала (электрической прочности изоляции обмоток). Недопущение тех режимов и внешних воздействий, которые вызвали процессы в изоляционном материале, приведшие в последующем к пробою изоляции, межвитковым замыканиям в обмотках ГП, ДП, КО и в обмотке якоря. Замена отказавших, изношенных деталей, элементов
Восстановление работоспособности элементов, узлов Таким образом, одним из основных факторов, наряду с электрическими влияющими на срок службы изоляции обмоток ТЭД, ВЭМ, является тепловой фактор. Появляющиеся при этом пористость и растрескивание являются дополнительной (одной из основных) причиной разрушения изоляционного материала при воздействии механических нагрузок, в частности вибрации. Фактор электрической природы завершает процесс разрушения материала диэлектрика электрическим пробоем изоляции обмоток.
Вся эта далеко не полная совокупность факторов значительно усложняет условия работы изоляции, уменьшает наработку до отказа, снижает надежность ЭМ.
Традиционный путь исследования надежности ЭМ сводится к исследованию статистических данных об отказах, т. е. нарушениях работоспособности изделий (деталей, узлов, блоков) (см. рис. 1.8). Изучение статистики отказов и анализ повреждаемости ТЭД в эксплуатации необходимо начинать с четкого разделения отказов по типам ЭМ, «слабым» узлам и причинам отказов, обязательно увязывая их с условиями эксплуатации (режимы работы, параметры внешней среды).
При исследовании надежности систем, подсистем или отдельных технических деталей пользуются следующим приемом: система разбивается на блоки, затем определяются надежность каждого блока и результирующая надежность в целом системы ТЭД. Система разбивается на блоки на основании анализа функционального назначения и физико-химических процессов, происходящих в системе и блоках, однако нет смысла исследовать все блоки,. входящие в систему, так как их надежность обычно неодинакова. Отказы некоторых блоков практически невозможны, и их учет при определении результирующей надежности только усложняет эксперименты и расчеты, практически не меняя окончательного результата, поэтому при составлении структурных схем пользуются методом «слабых звеньев», выделяя те блоки, надежность которых в данных условиях минимальна.
Анализ ТЭД ТЛ-2К1, НБ-418К6 и т. д. показывает, что отказы двигателей, определяющих надежность работы ЭПС, происходят преимущественно (50 - 60 %) в результате нарушения электрической прочности изоляции обмоток ГП, ДП, КО, обмоток якоря и межвитковых замыканий в них [14]. Одной из серьезных причин отказов ТЭД электровозов является возникновение кругового огня, а это вызывает высокую частоту срабатывания зашиты от
Общие закономерности процессов механического разрушения элек рической прочности изоляции обмоток тяговых электродвигателей
В процессе интенсивной эксплуатации ТЭД ЭПС в изоляции обмоток полюсов, якоря постепенно накапливаются местные, в основном усталостные повреждения. Вследствие развития усталостных трещин нарушается монолитность изоляции. Значительную долю всех повреждений ТЭД составляют обрывы-отгары выводов катушек ГП и ДП. Практически первопричиной и здесь является механическое повреждение.
До недавнего времени считались общепринятыми классические представления о пластической деформации и разрушении материалов как о критических событиях, наступающих тогда, когда действующие в материале напряжения достигают критической величины. Согласно этим представлениям, при напряжениях, меньше предела упругости, пластическая деформация вообще не может развиваться, а разрушение тела происходит (практически мгновенно) только тогда, когда напряжения достигнут предела прочности. Однако в последние годы этому взгляду противопоставляется другой подход, согласно которому разрушение материала рассматривается не как критическое событие, а как постепенный кинетический термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале с момента приложения к нему нагрузки, в том числе меньше критической [72]. Разрушение является безактивационным процессом лишь при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю) или при действии напряжений, равных пределу теоретической прочности (прочности атомных связей).
В соответствии с этой кинетической теорией, согласно которой одним из фундаментальных свойств прочности является ее зависимость от времени, деформация и разрушение должны характеризоваться не только предельными напряжениями, но скоростью деформации и разрушения, а также долговечностью - временем, требующимся для разрушения. Пределы упругости, текучести и прочности являются с этой точки зрения лишь некоторыми условными характеристиками.
Скорость процессов механического разрушения материалов диэлектриков, снижения электрической прочности изоляции обмоток ГП, ДП, КО и обмотки якоря, а также время до разрушения зависит соответственно, от структуры и свойств изоляционного материала, от напряжения, вызываемого нагрузкой под действием динамических и электродинамических сил, температуры и т. д.
Отечественными и зарубежными учеными предложен ряд эмпирических формул, описывающих зависимость времени до разрыва т (или скорости разрушения Ve) от этих факторов. Наибольшее признание получила установленная экспериментально для многих материалов (чистых металлов, сплавов, полимерных материалов, полупроводников, органического и неор ганического стекла и др.) следующая температурно-временная зависимость прочности - зависимость между напряжением а, температурой Т и временем т от момента приложения постоянной механической нагрузки до разрушения образца [55, 72 - 74]:
В уравнениях (2.16) и (2.17), характеризующих кинетический процесс разрушения, U = U0 -уст имеет смысл энергии активации процесса разрушения, причем С/0 представляет собой начальную энергию активации (величину начального энергетического барьера) процесса разрушения при а = 0, постоянную для данного материала в широкой области температур Г и не зависящую от обработки материала (наклепа, термической Рис. 2.1 Типичная зависимость обработки, легирования и т. д.); г0 и Долговечности материала от напряжения при различных темпеQ =coQ - параметры, совпадающие по раТураХ (Г, Г2 Г3 Г4) величине соответственно с периодом и частотой собственных тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке твердого тела (равными 1СГ12 -ПО-14сек и 1012-И014Гц), постоянные для всех исследованных металлов и сплавов, полимеров, ионных кристаллов, не зависящие от обработки материалов и условий нагружения; а - напряжение материала, обусловленное механической нагрузкой, уменьшающее начальную энергию активации на величину уст, активирующее таким образом процесс разрушения и создающее направленность процесса; у - структурный коэффициент, определяющий степень уменьшения начального энергетического барьера, под действием приложенного напряжения (характеристика чувствительности материала к напряжению). Все изменения прочностных свойств материалов, происходящие при изменении их чистоты, при тепловой обработке и деформировании, связаны с изменением только величины у. Следовательно,
Для изучения и объяснения механизма электрического сквозного пробоя изоляции обмоток ТЭД (см. рис. 3.6) канала протекания тока на установке для производства высоковольтных испытаний фарфорового подвесного изолятора типа П-4,5 (рис. 3.7) в лаборатории «Техника высоких напряжений и электротехнических материалов» кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа проведены многочисленные исследования с целью определения возникновения первоначально частичных разрядов, переходящих в последующем в объемное электрическое поле и канал сквозного прохода тока.
Испытания изоляторов производились с помощью специального трансформатора мощностью 25 кВА с выходным эффективным значением напряжения 100 кВ и получены следующие значения: - возникновение короны на сухой поверхности изолятора происходит при напряжении 18 - 20 кВ; - частичные разряды появляются при напряжении 30-35 кВ; - дуговые разряды возникают при напряжении 50-55 кВ; - перекрытия по сухой поверхности изолятора происходят при напряжении 60 кВ.
Изолятор с конической головкой представлен на рис. 3.8, а. При приложении к такому изолятору растягивающей нагрузки, направленной вдоль оси изолятора, цементное тело конической формы, расположенное в гнезде головки, работает как клин, стремящийся расширить головку изолятора. Внешняя поверхность головки, имеющая форму конуса, также образует клин, который снимается при вдавливании в цементную прослойку между шапкой и головкой. В результате фарфор в боковых стенках головки испытывает в основном напряжение сжатия.
Коэффициент температурного расширения у цемента выше, чем у фарфора, поэтому чтобы при изменениях температуры в головке не возникали опасные механические напряжения, предусмотрена возможность некоторого перемещения фарфора относительно цемента. С этой целью наружные и внутренние поверхности головки выполняются гладкими, глазурованными, и с ними цемент не схватывается. Кроме того, для уменьшения силы трения между соприкасающимися поверхностями угол конусности головки делается достаточно большим (не менее 10 - 13).
Недостатком изоляторов с конической головкой являются относительно большие размеры шапки, что неблагоприятно сказывается на разрядных характеристиках гирлянд. Помимо этого так называемая обратная конусность головки не позволяет изготовлять изоляторы высокопроизводительным методом штамповки.
Несколько меньше размеры шапки у изоляторов с цилиндрической головкой (см. рис. 3.8, б). Точнее, головка у этих изоляторов имеет форму, напоминающую усеченный конус, что облегчает процесс штамповки изоляционного тела. Для прочного закрепления шапки боковые поверхности головки покрывают фарфоровой крошкой, которая при обжиге прочно спекается с фарфором. Компенсация температурных деформаций и устранение нехимических напряжений, обусловленных различием коэффициентов температурного расширения фарфора и цемента, достигается путем покрытия поверхности головки битумным составом.
Размеры и форма фарфоровой тарелки у изоляторов с конической и цилиндрической головками одинаковы. Верхняя гладкая поверхность тарелки наклонена под углом 5-10% к горизонтали для того, чтобы обеспечить сте-кание дождевой воды. Край тарелки изогнут вниз и образует так называемую капельницу, не допускающую возникновения непрерывного потока воды с верхней поверхности изолятора на нижнюю. Нижняя поверхность тарелки сделана ребристой для увеличения длины утечки по поверхности и повышения мокроразрядного напряжения. Изоляторы, предназначенные для работы в загрязненных районах, имеют существенно более сложную форму.
Важное достоинство изоляторов тарельчатого типа состоит в том, что при повреждении изоляционного тела, например, в случае пробоя под шапкой, механическая прочность изолятора и, следовательно, всей гирлянды не нарушается. Благодаря этому пробой изолятора в гирлянде не приводит к падению провода на землю.
Проверка механической прочности тарельчатых изоляторов проводится при плавном увеличении механической нагрузки и одновременном воздействии напряжения, составляющего 75 - 80 % сухоразрядного. При этом механические повреждения изоляционного тела под шапкой обнаруживаются по электрическому пробою. Величина механической нагрузки, повреждающей изолятор при таком испытании, называется электромеханической прочностью изолятора. Эта характеристика указывается в обозначении изолятора. Например, ПФ6 - подвесной фарфоровый с электромеханической прочностью 60 кН; ПС 16 - подвесной стеклянный на 160 кН; ПСГ-22 - подвесной стеклянный для районов с загрязненной атмосферой на 220 кН. Подвесные изоляторы тарельчатого типа выпускаются с электромеханической прочностью от 60 до 400 кН.
Электрическая прочность внешней изоляции линейных и аппаратных изоляторов существенно зависит от состояния их поверхностей и от вида воздействующего напряжения [104 - 108].
Перекрытие изолятора наружной установки может произойти и при рабочем напряжении, если его поверхности достаточно сильно загрязнены и увлажнены. Чтобы пояснить механизм развития разряда в указанных условиях и выявить факторы, влияющие на величину разрядного напряжения, рассмотрим процессы на загрязненной и увлажненной или смачиваемой дождем поверхности в конструкции с твердым диэлектриком в виде цилиндра сложной формы, показанного на рис. 3.9. При этом будем считать, что увлажненное загрязнение или дождевая вода образовали на поверхности слой толщиной А с удельным объемным сопротивлением рп. Далее для краткости этот слой будем называть слоем загрязнения, имея в виду, что аналогичные процессы протекают и в слое дождевой воды.
Под действием приложенного напряжения U в слое загрязнения будет проходить ток утечки /у = UI Ry , где Ry - полное сопротивление утечки по поверхности, определяемое выражением [107]:
Математические модели и методика качественной и количественной оценки вибрационного поля тяговых двигателей локомотивов
Математические модели динамического поведения любой механической системы позволяют проводить детальный анализ критериев качества функционирования системы в зависимости от конструктивных и технологических параметров, а так же от внешних и внутренних факторов, определяющих условия эксплуатации [131 - 138]. Возможность получения оценок динамического состояния уровней вибрационного и электромагнитного полей в ТЭД позволяет еще на стадии проектирования разработать систему мероприятий по обеспечении нормальных условий функционирования узлов и деталей тягового двигателя в различных режимах эксплуатации локомотивов. Достоверность теоретических исследований, полученных на основе математических моделей, во многом зависит от степени идеализации и допущений при выборе и разработке расчетных схем, а также от правомерности использования физических постулатов при описании процессов, происходящих внутри системы. Современное состояние физической науки и вычислительной техники позволяют смоделировать динамическую картину поведения механической системы любой сложности, вплоть до макро и микроскопического состояния материала отдельных узлов и деталей, с учетом электромагнитных, динамических и химических процессов, происходящих на микроуровнях. Однако, чрезмерное увлечение детализацией может привести к математическим моделям столь «громоздкого» уровня, что, несмотря на всю их привлекательность, использование таких моделей в инженерных расчетах становится практически невозможным, Поэтому разработка расчетных схем, обоснование допущений и идеализации, а также выбор физических законов являются одним из главных моментов при математическом моделировании.
Моделирование динамики напряженного состояния узлов ТЭД и электромагнитных процессов, происходящих в двигателе при работе электровоза в различных режимах и условиях эксплуатации, на основе расчетной схемы локомотива как единой механической системы, является не целесообразным. Во первых, такая модель представится системой большого числа нелинейных дифференцированных уравнений, объединяющих различные по своей физической природе процессы. Во вторых, для различных условий эксплуатации (троганье с места, набор скорости, длительная тяга, реостатное и рекуперативное торможение, прохождение крестовин и стыковых неровностей, движение в прямых и кривых участках пути и т. д.) некоторые упрого-диссипативные связи внутри системы могут принимать такие значения, что ими можно либо пренебречь, либо считать абсолютно жесткими. Этот факт позволяет в процессе исследования производить структурное изменение расчетной схемы. Кроме того, при определенных условиях, по некоторым обобщенным координатам воздействия системы на исследуемый элемент можно вообще отнести к внешним факторам.
Одной из задач данной главы является моделирование динамического напряженного состояния узлов и деталей тягового двигателя. Динамика ТЭД формируется под воздействием вибраций колесной пары и обрессоренных частей локомотива. Поэтому в первую очередь необходимо смоделировать динамику локомотива в целом. Для описания пространственных колебаний электровоза с целью дальнейшего анализа их влияния на вибрации тягового двигателя нет смысла учитывать раздельные колебания обрессоренных частей и динамические процессы происходящие внутри ТЭД. С этих соображений производим объединение обрессоренных частей, отнеся их массы к тележке, а массу тягового двигателя отнесем к колесной паре.
Расчетная схема механической системы, подобной электровозу ВЛ-80 представлена на рис. 4.1. Для исследования воздействия стыковой неровности и динамического поведения ТЭД в системе локомотива достаточно воспользоваться расчетной схемой приведенной на рис. 4.2.
При моделировании электромагнитных и механических процессов в системе якоря тягового двигателя воспользуемся расчетными схемами, приведенными на рис. 4.3. а) и б).
На расчетных схемах и в дальнейшем приняты следующие обозначения геометрических и физических величин.
