t - Московский государственный университет путей сообщения
реклама
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) На правах рукописи Иванов Владимир Николаевич ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Специальность 05.09.01. – Электромеханика и электрические аппараты Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Смирнов Валентин Петрович Москва 2014 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 5 1. АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ ВОСТОЧНОГО РЕГИОНА .......................................................................................... 14 1.1. Проблема надёжности и ее значение для современной техники ............ 14 1.2. Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин .. 15 1.3. Анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов Восточного региона ...................................................................................................... 24 1.4. Анализ отказов тяговых электрических машин НБ-514 депо Нижнеудинск ВСЖД..................................................................................................... 37 2. МЕТОДИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ ТЕХНОЛГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ................................. 47 2.1. Энергетический подход к анализу технологии капсулирования тепловым излучением ................................................................................................... 47 2.2. Этапы преобразования электрической энергии в технологическом процессе капсулирования лобовых частей ................................................................. 49 2.2.1. Подача энергии к источнику излучения ................................................. 49 2.2.2. Генерирование потока в источнике излучения ...................................... 54 2.2.3. Формирование потока отражателем........................................................ 56 2.2.4. Формирование пространственного распределения потока .................. 58 2.2.5. Формирование поверхностного распределения энергии потока на лобовой части ................................................................................................................ 61 2.2.6. Поглощение энергии ИК-излучения связующим и превращение ее теплоту............................................................................................................................ 64 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КИНЕТИКИ НАГРЕВА ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ .............................................................................................................. 70 3 3.1. Методический подход к выбору математической модели ...................... 70 3.2. Построение математической модели кинетики нагрева изоляции лобовой части обмотки якоря на установке с генератором теплового излучения . 72 3.3. Технология процесса капсулирования открытой лобовой части якорной обмотки тяговой электрической машины при тепловом излучении ........ 92 4. КОМПЛЕКС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТРЕБУЕМОГО ПРОЧНОСТИ УРОВНЯ ИЗОЛЯЦИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЯКОРЕЙ И ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ОТКРЫТЫМИ ЛОБОВЫМИ ЧАСТЯМИ ......... 94 4.1. Основные этапы при проведении экспериментальных исследований ... 94 4.2. Разработка метода и средства по герметизации компаундом изоляции лобовой части якорной обмотки тяговых электрических машин НБ514 ................................................................................................................................... 96 4.3. Выбор инфракрасного излучателя ............................................................. 97 4.4. Выбор пропиточного состава.................................................................... 106 4.5. Испытание экспериментальной установки для пропитки компаундом открытой лобовой части якорной обмотки НБ-514 и терморадиационной сушки с помощью энергии инфракрасного излучения ........................................... 114 4.6. Проведение экспериментов ....................................................................... 116 4.7. Внедрение результатов исследований в производство и их эффективность ............................................................................................................. 125 4.7.1 Расчёт капитальных вложений на изготовление установки .................. 126 4.7.2. Расчёт годовой экономии средств при использовании установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря со стороны противоположной коллектору инфракрасным излучением ................................................................................................................... 129 4.7.3. Расчёт срока окупаемости внедрения установки по капсулированию изоляции открытых лобовых частей якорных обмоток тяговых электрических машин ........................................................................................................................... 130 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .................................................... 134 4 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 135 ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................. 148 Приложение 1 .................................................................................................... 149 Приложение 2 .................................................................................................... 153 Приложение 3 .................................................................................................... 155 Приложение 4 .................................................................................................... 157 Приложение 5 .................................................................................................... 160 Приложение 6 .................................................................................................... 161 Приложение 7 .................................................................................................... 177 5 ВВЕДЕНИЕ Начавшийся третий этап реформы железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для повышения конкуренции в сфере грузовых и пассажирских перевозок, переходу к свободному ценообразованию в конкурентных секторах. Процессы развития научно-технического прогресса являются решающим фактором повышения эффективности железнодорожного транспорта и, в частности, электроподвижного состава в современных условиях, что имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации «Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008 №877-р. Актуальность темы исследования: Анализ статистических данных, полученных на протяжении последних десяти лет сотрудниками кафедры «Тягового подвижного состава» МГУПС (МИИТ) отказов тяговых электрических машин (далее ТЭМ) по причине пробоя изоляции из-за особенностей климатических условий внешней среды и нарушении технологии технического содержания изоляции неоднократно обсуждался в научных и практических трудах специалистов тягового подвижного состава. Причины резкого увеличения пробоев изоляции якорей ТЭМ НБ-514 были неоднократно отражены в работах А.М. Худоногова и В.П. Смирнова [1]. В этих работах отмечалось, что из-за низкой влагостойкости изоляции лобовой части обмотки 6 якоря со стороны противоположной коллектору, конструкционных и эксплуатационных факторов, отсутствия систем по нормализации изоляционных конструкций в период с 1999 по 2002 года, наблюдался резкий рост отказов ТЭМ, в основном по пробою изоляции в лобовой части со стороны противоположной коллектору якоря ТЭМ. Который в свою очередь, был обусловлен условиями эксплуатации электровозов ВЛ85 на участке Тайшет Таксимо (северный ход) и низкой влагостойкостью изоляции якоря тягового электрических машин НБ-514. В летний период 2001 года руководством локомотивного депо Нижнеудинск Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) было принято решение о дополнительной пропитке и последующей сушке изоляции лобовых частей обмоток якоря со стороны противоположной коллектору. В результате введения этой технологии количество отказов ТЭМ типа НБ-514 было снижено более чем в 1,7 раза. Анализ надёжности ТЭМ Восточного региона показывает, что на долю ТЭМ приходится более одной пятой отказов от общего числа отказов. Наблюдается рост повреждений ТЭМ с увеличением срока эксплуатации. Использование электровозов с вышедшей из строя хотя бы одной ТЭМ запрещено. Средняя стоимость устранения отказа ТЭМ в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования. Велик ущерб от задержек поездов при повреждениях ТЭМ. Две трети неисправностей ТЭМ вызваны пробоями изоляции обмоток. Испытания показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки оборудования, а также снижением расхода охлаждающего воздуха существенно меньше допустимых значений. Тепловое и термомеханическое старение изоляции электрических машин электровозов Восточного региона ускоряется из-за значительных колебаний нагрузки при следовании по горно-перевальному профилю дороги, с частыми подъемами и спусками. Исследованиями установлено, что выход из строя ТЭМ по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции вследствие ее недопустимого 7 увлажнения, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава в условиях ВСЖД. Необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых способов и средств сушки пропитанной лаками и компаундами изоляции обмоток ТЭМ. Имеющиеся в настоящее время, в распоряжении ремонтного персонала методы диагностики состояния изоляции ТЭМ основаны на применении мегаомметра, не удовлетворяют современным требованиям, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. Появившиеся на отечественном рынке современные методы и средства диагностировать контроля несколько состояния параметров, как электроизоляции в позволяют эксплуатации, так и непосредственно в процессе сушки пропитанных якорей ТЭМ в калориферных печах. Не менее важно обеспечивать качественную сушку пропитанной изоляции обмоток ТЭМ на используемых в настоящее время электровозах переменного тока. На сети железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, составляющей более половины электрифицированных дорог страны, эксплуатируются несколько видов грузовых электровозов – ВЛ60к, ВЛ80к, ВЛ80т, ВЛ80с, ВЛ80р, ВЛ80тк, ВЛ85. Срок эксплуатации их составляет от 12 до 35 и более лет. Электровозы Восточного региона работают на крутых (17‰ и более), протяжённых расчетных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную. В связи с этим возникает потребность ввода в технологические процессы новых способов, принципов и средств сушки пропитанной изоляции обмоток ТЭМ при выполнении ремонтов. Как показано выше, значительная часть отказов электровозов приходится на ТЭМ. Их состояние изоляции характеризуются от многих параметров. Одним из важнейших является сопротивление изоляции обмотки якоря [2,3,4,5,6]. Электроизоляционные системы ТЭМ составляют примерно 0,03% от массы, но имеют исключительную важность и влияют на возможности 8 конструкторских решений и технологии изготовления ТЭМ, в итоге - на их удельную массу (кг/кВт, кг/кН) и габаритные размеры, на надёжность и долговечность ТЭМ. В связи с этим совершенствование систем изоляционных материалов ТЭМ осуществлялось путем создания новых более прогрессивных материалов и технологических процессов и заменой ими устаревших. Процесс этот, начался с замены бумагомикалентной изоляции, асфальтобитумных лаков стекломикалентной изоляций, кремнийорганическими лаками. В 70-е годы эти системы уступили место более совершенной изоляции типов «ВЭС-2» и «Монолит» на базе стеклослюдинистых лент и эпоксидных компаундов. В дальнейшем в электроизоляционных системах ТЭМ для магистральных электровозов стала применяться изоляция на основе полиамидных материалов с повышенной нагревостойкостью, допускающей рабочую температуру обмоток до 230°С и с более высокой механической прочностью. Применение таких, более совершенных, изоляционных систем позволило повысить мощность ТЭМ более, чем на 20%. Конструктивное совершенствование ТЭМ как машины предельной мощности, возможно при использовании электромагнитных материалов повышенного качества, для выполнения рациональной магнитной цепи. Для ТЭМ необходимо выбирать электротехническую сталь со сниженными удельными потерями, уменьшенным допуском при разной толщине и волнистости листов с повышенным значением магнитной индукции при возможно стабильном характере её свойств. Важное место при оценке технико-экономического уровня КПД принадлежит их коллекторам, следовательно, и материалам из которых они изготовляется. На отказы изоляции приходится от 40 до 70 процентов и уже давно назрел вопрос о создании научно-исследовательного центра по проблемам изоляции ТЭМ, который будет проводить исследования новых лаков, компаундов и других изолирующих материалов для тягового подвижного состава. В качестве объекта исследования рассматривается ТЭМ электровоза ВЛ85. Предметом исследования является новый подход к электротехнологическому продлению ресурса ТЭМ тепловым методом с 9 применением инфракрасного (ИК) излучения, а также процессы, протекающие при капсулирования открытых лобовых частях якоря НБ-514. Степень разработанности проблемы. Проблемам повышения эффективности тягового подвижного состава посвящены труды авторов Ю.А. Бахвалова, И.Н. Богаенко, В.И. Бочарова, А.И. Володина, И.И. Галиева, З.Г. Гиоева, М.Д. Глущенко, В.Г. Григоренко, Ю.А. Давыдова, А.А. Зарифьяна, Д.Д. Захарченко, И.П. Исаева, В.А. Камаева, А.Л. Курочки, В.А. Кучумова, А.Л. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.Б. Меделя, М.Д. Находкина, М.П. Пахомова, А.В. Плакса, В.В. Привалова, В.В. Стрекопытова, В.П. Феоктистова, А.Н. Савоськина, И.В. Скогорева, В.А. Четвергова, В.Г. Щербакова, В.П. Янова и др. Существенный вклад в решение вопросов надёжности наиболее «слабых» узлов ТЭМ – изоляционных конструкций внесли В.Д. Авилов, В.Г. Галкин, И.П. Гордеев, Г.Б. Дурандин, Ш.К. Исмаилов, М.Ф. Карасев, В.И. Карташев, А.С. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.Т. Осяев, В.М. Попов, А.С. Серебряков, В.В. Харламов, А.М. Худоногов и др. Цель работы капсулирования - продление изоляции лобовых ресурса частей коллекторных обмоток ТЭМ якорей путём тепловым излучением. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Проанализировать состояние надёжности ТЭМ электровозов ВСЖД для выявления наиболее слабых узлов электрических машин. 2. Для продления ресурса ТЭМ разработать методику энергетического подхода к анализу технологии капсулирования лобовых частей тепловым излучением. 3. Усовершенствовать математическую модель кинетики нагрева пропитанной изоляции в технологии капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин тепловым излучением, позволяющую обеспечить 10 требуемый уровень механической и электрической прочности изоляционных конструкций ТЭМ. 4. Выполнить комплекс экспериментальных исследований по обеспечению требуемого уровня механической и электрической прочности изоляционных конструкций якорных обмоток ТЭМ с открытыми лобовыми частями. 5. Внедрить результаты исследования в производство и определить технико-экономическую эффективность продления ресурса электрических машин тепловым излучением. Методология и методы исследования Экспериментальные исследования проводились в локомотивном депо Нижнеудинск ВСЖД с 2000 по 2012 годы и заключались в измерении параметров, характеризующих режим работы и состояние ТЭМ при тяговоэксплуатационных испытаниях, текущих ремонтах, технических обслуживаниях и нахождении электровозов в ожидании работы при помощи современных средств диагностики состояния степени отпотевания ТЭМ, из-за перепадов температуры. Исследования осуществлялись в соответствии с методами планирования эксперимента. Обработка и анализ опытных данных велись с использованием теорий и методов математической статистики: теории проверки гипотез, теории оценивания, корреляционного и регрессионного анализов. Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Уточнён механизм процесса интенсивного старения изоляции лобовых частей якорных обмоток, который обусловлен действием центробежных сил и силы тяготения на массивные незакрепленные лобовые части. Повышенная температура нагрева при работе с предельными токовыми нагрузками и существенным снижением вентиляции, интенсивное боксование электровозов с наклонными тягами ускоряют процесс износа изоляции. 2. Усовершенствована методика согласования энергетических характеристик ИК-излучателей и оптических характеристик пропиточных жидкостей, позволяющая обеспечить существенное сокращение времени и 11 затрат электроэнергии в процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭМ. 3. Разработана методика капсулирования лобовых частей обмоток электрических машин, предусматривающая снижение потерь на всех этапах прохождения энергии от источника питания до объекта, и кинетику нагрева изоляции прерывистым тепловым излучением при пропитке и полимеризации, обеспечивающую требуемый уровень надёжности электрических машин. 4. Разработана установка для капсулирования лобовых частей якорных обмоток электрических машин с применением ИК-излучения при пропитке и полимеризации изоляции, позволяющая обеспечить требуемую механическую и электрическую прочность конструкции и многократное уменьшение времени и затрат электроэнергии по сравнению с конвективным методом. Теоретическая и практическая значимость работы: 1. Проведенный анализ отказов электровозов ВСЖД, выявил ухудшение показателей надёжности ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток. 2. Разработанный способ капсулирования якорей с открытыми лобовыми соединениями обмоток мобильной установкой для пропитки и сушки с использованием ИК-излучения, позволяет обеспечить процесс восстановления механической и электрической прочности изоляции до требуемого уровня при существенном сбережении времени и электроэнергии (патент №2396669 РФ. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин). 3. Результаты выполненных экспериментальных исследований различных вариантов ИК-сушки пропитанной изоляции позволили разработать технологию, с нанесением распылителями вещества на открытые лобовые соединения якорных обмоток, с последующей их сушкой ИК-излучателями, обеспечивающую требуемый уровень надёжности изоляции электрических машин. 4. Созданы и исследованы несколько вариантов установок по нанесению и сушке пропиточного вещества, что позволило разработать установку, с 12 частотно-регулируемым электроприводом, на основе векторной широтноимпульсной модуляции, обеспечивающим высокие динамические характеристики в процессе вращения якоря относительно генератора теплового излучения, импульсной подачей пропиточного состава, керамическими ИКизлучателями, расположенными обеспечивающую требуемый по уровень окружности кольцевой механической и траверсы, электрической прочности предельно нагруженных ТЭМ с открытыми лобовыми соединениями якорных обмоток. Результаты работы реализованы на ВСЖД при восстановлении изоляции якорных обмоток с открытыми лобовыми частями ТЭМ, поврежденными в период гарантийного срока эксплуатации. Использование материалов диссертационной работы подтверждены актами внедрения, представленными в приложении. Результаты работы переданы в отдел технической политики Дирекции тяги ОАО «РЖД», для изучения и последующего внедрения на сети железных дорог страны, а также внедрены в учебный процесс федерального государственного бюджетного образовательного университета высшего профессионального образования «Иркутского государственного университета путей сообщения» (ИрГУПС). Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса капсулирования открытых лобовых частей якорных обмоток электрических машин с использованием теплового излучения, обеспечением требуемого уровня надёжности изоляции электрических машин, прошедших восстановление механической и электрической прочности открытых лобовых частей якорных обмоток с применением ИК-излучения в период многолетней эксплуатации на направлениях положения Транссибирской диссертационной железнодорожной работы магистрали. докладывались и Основные обсуждались на заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (Иркутск, 2006-2012); III-ей Международной научно–практической конференции "Энергетика, 13 экология, энергосбережение, транспорт" Омск: Иртышский филиал НГАВТ, 2007; II-ой Научно–практической конференции "Безопасность регионов - основа устойчивого развития" Иркутск: ИрГУПС, 2009; Научно–практической конференции "Транспортная инфраструктура Сибирского региона " Иркутск: ИрГУПС, 2009, Межкафедральный семинар МИИТ (Москва апрель 2010); III-ем Региональном научно-производственном семинаре «Чтения И.П.Терских», «Техника и технологии инженерного обеспечения АПК» (Иркутск, 26-29 октября 2010); на заседании кафедры «Тяговый подвижной состав» МГУПС (МИИТ) Москва 2010-2013). Публикации и вклад автора. По результатам проведенных исследований опубликовано пять работ в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ, а также патент РФ №2396669 на изобретение. Автору принадлежит формулировка цели и постановка задач исследований, создание производственного образца технологической установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток с открытыми головками секций и испытание этого образца в условиях ремонтного локомотивного депо, выполнение анализа надёжности ТЭМ локомотивов, значительной части экспериментов, и участие в создание новых устройств для управления процессами тепломассообмена в изоляции электрических машин. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка из 112 наименований и содержит 134 страницы текста, 15 таблиц и 47 рисунков. 14 1. АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ ВОСТОЧНОГО РЕГИОНА 1.1. Проблема надёжности и ее значение для современной техники Качество электрических машин представляет совокупность свойств, определяющих их пригодность для эксплуатации. Надёжность является важнейшим технико-экономическим показателем качества любого технического устройства, в частности электрической машины, определяющим ее способность безотказно работать с неизменными техническими характеристиками в течение заданного промежутка времени при определенных условиях эксплуатации. При широком применении электрических машин в различных системах электроприводов и автоматического регулирования производства в значительной степени определяется надёжностью этих машин. Отказы электрических машин наносят ощутимый материальный ущерб. Повышение надёжности электрических машин, выпуск которых составляет десятки миллионов изделий в год, является важнейшей научно – технической проблемой [3]. Проблема надёжности технических систем за последние два-три десятилетия резко обострилась, что объясняется следующими объективны причинами: - резким увеличением сложности технических систем, включающих сотни тысяч и даже миллионы отдельных узлов и элементов; - экстремальностью условий, в которых эксплуатируется ТЭМ (высокие скорости, значительные ускорения, высокие температуры и давления, вибрация, перепад температур и т. д.); 15 - интенсивностью режимов работы системы или отдельных узлов (при высоких температурах, частотах вращения, давлениях, плотности тока и т. д.); - повышением требований к качеству работы (высокая точность, эффективность и т. д.); - увеличением ответственности функций, выполняемых системой, высокой экономической и технической ценой отказа; - полной или частичной автоматизацией и, как следствие, исключением непосредственного контроля человеком функционирования системы и ее элементов [7,8,9,10,11,12,13,14,15]. 1.2. Статистика отказов и анализ повреждаемости электрических машин Традиционный путь исследования надёжности электрических машин – исследование статистических данных об отказах. При первоначальном изучении статистики отказов по типам электрических машин, наибольшее внимание уделяется «слабым» узлам и причинам отказов. При исследовании надёжности систем или отдельных технических изделий пользуются следующими приемами: система разбивается на блоки, затем определяются надёжность каждого блока и результирующая надёжность всей системы. Система разбивается на блоки на основании анализа функционального назначения и физических процессов, происходящих в системе и блоках. Однако нет смысла исследовать все блоки, входящие в систему, так как их надёжность обычно значительно различается. Отказы некоторых из блоков практически невозможны и их учёт при определении результирующей надёжности только усложняет эксперименты и расчёты, практически не меняя окончательный результат. Поэтому при составлении структурных схем пользуются методом 16 «слабых звеньев», выделяя только те блоки, надёжность которых в данных условиях минимальна. В этом аспекте рассмотрим основные типы электрических машин. В асинхронных двигателях при исследовании на надёжность следует выделять как «слабые звенья» обмотку статора и подшипниковый узел. В синхронных машинах следует выделять обмотки статора и ротора, щёточный аппарат и контактные кольца, подшипники (или подпятники), системы охлаждения и пожаротушения и т. д. Машину постоянного тока с точки зрения её надёжности представляют из следующих узлов: коллекторно-щёточный и подшипниковый узлы, обмотки якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационную. Отказы электрических машин можно разделить на конструкционные, технологические (производственные) и эксплуатационные. Конструкционные отказы возникают из-за несовершенства (незнания) или нарушения правил проектирования и конструирования электрической машины, технологические из-за нарушения процесса производства или ремонта, эксплуатационные - из-за неправильного применения, отсутствия защиты, нарушений условий эксплуатации электрических машин. Отказы электрических машин могут быть обусловлены старением материалов и износом узлов, а также случайной концентрацией нагрузки, предвидеть которую практически невозможно. Долгий и кропотливый труд по сбору статистических данных об отказах и их анализу необходим для разработки и уточнения методик расчёта надёжности электрических машин, обеспечения и повышения надёжности, совершенствования технологии изготовления, разработки выбора электрических машин, создания и улучшения систем защиты и правил технической эксплуатации. Проанализируем причины отказов электрических машин различных типов. Асинхронные двигатели. В подавляющем большинстве случаев (85-95%) отказы асинхронных двигателей мощностью свыше 5 кВт происходят, из-за повреждения обмоток и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания – 93%, пробой межфазной изоляции – 5%, пробой пазовой изоляции – 17 2%. На подшипниковый узел приходится 5-8% отказов и небольшой процент связан с такими причинами, как распайка выводных концов, скручивание валов, разрыв стержней ротора и др. Причины отказов технологические – можно 35%; дифференцировать следующим образом: эксплуатационные (главным образом неудовлетворительная защита электродвигателей) - 50% и конструкционные – 15%. В среднем в стране в течение года капитально ремонтируют около 20% установленных электрических машин (в строительстве - 50%, в горнодобывающей промышленности - 30%, в машиностроении - 20%, в чёрной металлургии -13% и в химической промышленности – 9%). Под неудовлетворительной защитой следует понимать отсутствие тепловой защиты или ее отказ. Исследования показали, что разброс времени срабатывания тепловой защиты, даже ненастроенной, практически не влияет на аварийность. При защите электродвигателей плавкими ставками, что имеет место в большинстве случаев, они отказывают вследствие работы на двух фазах. Материалы эксплуатации свидетельствуют о том, что 80% аварий (вследствие работы на двух фазах) происходит из-за отсутствия тепловой защиты и только 20% - от ее неисправности. Одна из распространенных причин повышенной интенсивности отказов электродвигателей – вибрация агрегата, которая влечет за собой отказы подшипников, обмотки, а иногда и трещины в чугунной оболочке электродвигателя и в лапах крепления постамента. Повышенная вибрация объясняется неудовлетворительным сочленением электродвигателя и исполнительного механизма, остаточной неуравновешенностью вращающихся масс, повышенным зазором между телами качения и кольцами шарикоподшипника, искажением формы посадочных мест под установку подшипника или их несоосностью, овальностью колец шарикоподшипника и т.п. Статистические данные свидетельствуют о том, что одной из основных причин отказов синхронных машин являются заводские дефекты. В течение первого периода работы (5-10 тыс. ч) имеет место приработка, когда заменяются 18 и ремонтируются детали, обладающие заводскими дефектами. Затем наступает период нормальной эксплуатации, продолжительность которого в обычных условиях составляет 15-20 лет. В конце этого периода начинается постепенное учащение отказов, связанное с износом и старением изоляционных и других материалов и элементов конструкции. Для оценки эксплуатационной надёжности синхронных генераторов широко применяется понятие удельной повреждаемости (удельного числа аварийных отклонений), которое представляет собой среднее число аварийных отключений на одну машину в год, выраженное в процентах от общего числа отключений. Статистика показывает, что удельная повреждаемость возрастает с увеличением мощности. Проведем анализ повреждаемости основных узлов крупных синхронных машин. Отказ синхронных машин из-за повреждения обмотки статора, как правило, происходит в результате пробоя изоляции обмотки. Участки пониженной электрической прочности в изоляции обмотки могут появляться вследствие дефектов изготовления, повреждений при монтаже обмотки или в процессе эксплуатации, включая ремонтные работы. На процесс разрушения изоляции ускоряющее влияние оказывают концентрации нагрузок: повышенные механические усилия при переходных процессах, перегрузки по току, перенапряжения, вибрации и другие факторы. В этой ситуации наличие участков с пониженной электрической прочностью и приводит к повреждению обмотки, ибо амплитуды практически возможных перенапряжений недостаточны для пробоя доброкачественной изоляции. При изготовлении обмотки возможно попадание на её поверхность ферромагнитных частиц, вибрация которых в магнитном поле приводит постепенному разрушению изоляции. Недостаточно надёжное крепление лобовых частей обмотки создает условие для повреждения изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов. Со временем происходит опускание корзинки лобовых частей обмотки, в связи, с чем появляются более уязвимыми при вибрации и ударах под 19 воздействием внезапных электродинамических усилий (короткое замыкание и несинхронные включения – для генераторов, пуски и реверсы для двигателей). Серьезной опасности изоляция обмотки подвергается также при тепловых перегрузках, вызванных причинами местного характера. Так, при разрушении изоляции листов и местном замыкании сегментов активной стали температура в области замыкания может достигать 200 – 300ºС. Повреждению изоляции обмотки статора способствует также проникновение в машину воды и масла. Причиной повреждения активной стали является в основном ослабление ее запрессовки. Прессовка стали должна производиться примерно через 0,5 м, причем давление прессовки увеличивается с 80 – 100 до 179 Н/см2. При меньших давлениях не обеспечивается необходимая плотность прессовки, при больших – возникает опасность повреждения лаковой плёнки под вентиляционными распорками, где местные давления достигают 1000 – 1200 Н/см2. Механические повреждения роторов происходят несколько реже, чем повреждения неподвижных частей машин, но приводят к тяжелым авариям. Последнее особенно относится к турбогенераторам, роторы которых обладают большим запасом кинетической энергии. Относительно редкие, но тяжелые аварии вызываются разрушением роторных валов. Причиной аварии может быть заклинивание ротора при разрыве бандажа, распространение трещин от зубцов в глубину вала, а также температурные напряжения в теле ротора, вызванные несимметричным распределением тепловых потоков в плоскости поперечного сечения. Например, разность температур поверхности большого зуба и внутренней области ротора у нейтральной оси в турбокомпрессорах с косвенным охлаждением достигает 90 100ºС. При этом напряжение разрыва, направленной вдоль оси ротора, может составлять величину порядка 16000 – 180000 Н/см2. Повреждение обмотки ротора из-за её перемещения при изменениях температуры является одной из основных причин аварий у турбогенераторов с косвенным охлаждением. Применение непосредственного охлаждения обмоток ротора и легированной (с присадкой серебра) меди позволяет существенно 20 уменьшить температурные деформации обмотки: если для чистой меди марки М1 предел текучести составляет 2000 – 3000 Н/см2, то для легированной 15000 – 20000 Н/см2. До 30 – 40% отказов роторов вызывается повреждениями и неисправностями токопроводов и токосъёмных узлов. Внутренние токопроводы крупных турбокомпрессоров обладают высокой надёжностью, однако отмечались случаи нарушения изоляции токоведущих болтов главным образом вблизи контактных колец, обусловленных дефектами изготовления или сборки. Значительно чаще наблюдаются повреждения внешних токопроводов турбогенераторов малой мощности, вызванные в основном усталостным изломом токоведущих пластин около крепления к контактному кольцу или истиранием изоляции на изгибах токопровода. Сравнительно часто в явнополюсных машинах, в частности гидрогенераторах, происходят разрывы токопровода или междуполюсных соединений при длительных форсировках возбуждения. Распространённой неисправностью является снижение сопротивления изоляции цепи ротора из-за загрязнения токопровода маслом и угольной пылью. Снижение сопротивления изоляции может произойти также вследствие загрязнения самой обмотки. Чаще всего повреждения подшипников и подпятников сопровождаются выплавлением баббита, повреждением вкладышей и цапф подшипниковыми токами и вытеканием масла. Выплавление баббита обычно происходит в результате нарушения работы системы маслоснабжения. При быстрой остановке агрегата повреждения цапф оказываются незначительными, так как расплавленный баббит играет роль смазки. Повреждённые вкладыши подлежат замене или перезаливке. Возникновение подшипниковых токов типично для крупных электрических машин. Весьма значительные токи протекают через подшипники при замыкании цепи возбуждения на корпус и наличии заземления во внешней цепи ротора. В этом случае повреждения шеек вала и вкладышей подшипников могут быть весьма серьезными. Однако даже небольшие 21 подшипниковые токи при длительном протекании приводят к повреждению вкладышей и шеек валов. Весьма ответственным узлом гидрогенераторов является подпятник. Повреждения подшипников обуславливают существенный процент отказов электрических машин этого типа. Наиболее характерными повреждениями подпятников являются износ, задиры и выплавление баббитового слоя на поверхности сегментов, а также повреждения от подшипниковых токов. Повышенный износ может быть обусловлен чрезмерной удельной нагрузкой на определенных участках поверхности сегментов, вызванной их температурной деформацией или иными причинами. Повышенная вибрация электрических машин свидетельствует о наличии недостатков конструкции, дефектов изготовления и сборки, а также о возникновении повреждений. Вместе с тем сама вибрация является источником серьёзных повреждений и аварий [3]. В результате повышенной вибрации происходит ослабление прессовки активной стали, нарушение плотности соединений, разрушение сварных швов и деталей вследствие усталости материала и контактной коррозии, снижение газоплотности, ускоренный износ изоляции, нарушение герметичности в системах водо- и маслоснабжения, повышенные потери и нагрев подшипников, расстройство работы и износ контактных колец и щёточного аппарата и т.д. Работа с повышенной вибрацией вредна не только для машины и её фундамента, но и для окружающих машин, контрольно-измерительных приборов и обслуживающего персонала. Действующие стандарты определяют следующие допустимые значения амплитуды вибрации: для турбогенераторов – не более 40 мкм, для синхронных компенсаторов – не более 80 мкм, для гидрогенераторов – не более 100 – 180 мкм в зависимости от частоты вращения. Однако регламентируется при этом только вибрация подшипников. В результате проведённого анализа статистических данных отказов тяговых электродвигателей постоянного тока большегрузных автомобилей ДК717А установлено, что наиболее не надёжными элементами являются обмотка 22 якоря и коллекторно-щёточный узел. Число отказов электродвигателей по коллекторно-щёточному узлу колеблются от 21,6% (по предприятиям Минчермета) до 37,8% (по предприятиям Минудобрений) и в среднем по всем отраслям составляет 26,5%; по обмотке якоря – от 19,6% (Минчермет) до 42% (Минуглепром) и в среднем – 27,7%. Закон распределения отказов тяговых электродвигателей ДК-717А представлен как суперпозиция двух законов Вейбулла с соответствующими весовыми коэффициентами [3, 16, 17]. Если представить интенсивность отказов электродвигателей в виде функции λдв = kр f (хi) (где kр – коэффициент, учитывающий условия работы на группах предприятий различных отраслей, хi - прочие факторы), то согласно статистическим данным коэффициент kр составляет: для горнодобывающих предприятий чёрной металлургии – 0,837, для цветной металлургии – 0,919, для угольной промышленности – 1,166, для химической промышленности – 1,137. Рассмотрим характерные повреждения основных узлов машин постоянного тока. К характерным повреждениям коллектора относятся изменение его формы из-за неравномерного износа, нарушение полировки поверхности с появлением на ней царапин, подгорание и оплавление пластин при неблагоприятной коммутации и круговых огнях. При возникновении одного из указанных повреждений машина должна быть остановлена для проведения соответствующего ремонта. Повреждение обмотки якоря происходит по следующим причинам: из-за пробоя корпусной изоляции между обмоткой и пакетом стали якоря, межвитковых замыканий (в якорях с многовитковыми секциями), распайки соединительных петушков коллекторных пластин с обмоткой (в машинах большой мощности), разрушения бандажей, удерживающих обмотку якоря (в высокоскоростных машинах) и др. Повреждения обмоток возбуждения, обмоток добавочных полюсов и компенсационных обмоток – довольно редки. Они представляют собой обычно пробой корпусной изоляции между обмоткой и магнитной системой машины. 23 Из механических частей машин постоянного тока наиболее подвержены износу подшипники скольжения или качения и шейки вала. Характерными признаками повреждений этих узлов являются износ вкладышей, вытекание смазки, нарушение работы смазочных колец, поломка шариков или роликов, разрушение сепараторов, заклинивание шариков, заедание шеек вала во вкладышах подшипников и др. Повреждения щёточной траверсы могут проявляться в виде поломки кольца траверсы, закрепляющего её в подшипниковом или другом устройстве, расстройстве регулировки положения щёткодержателей на пальцах или бракетах траверсы, повреждения пальцев или бракетов, удерживающих щёткодержатели на траверсе и др. Появление любого из указанных повреждений приводит к отказу машины, которая должна быть остановлена для проведения соответствующего ремонта. Приведён (рисунок 1.1) фрагмент характерного локального повреждения изоляции лобовой части якорной обмотки ТЭМ НБ-514 со стороны противоположной коллектору. Рисунок 1.1 - Фрагмент повреждённой изоляции на лобовой части обмотки якорной обмотки электрической машины При таком повреждении наиболее целесообразным и эффективным будет метод продления ресурса изоляции путём капсулирования локального повреждения с использованием пропиточных материалов и теплового излучения. На протяжении последних тринадцати лет в локомотивном ремонтном депо Нижнеудинск сохраняется стабильная тенденция более 40 отказов в год по 24 пробою изоляции и межвитковому замыканию (МВЗ) якоря типа НБ-514. В этой связи была выдвинута гипотеза о том, что пробои изоляции и межвитковые замыкания якорей наиболее часто происходят в результате интенсивных процессов тепломасообмена в изоляции лобовых частей их обмоток с открытыми головками секций [17]. 1.3. Анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов Восточного региона ТЭМ являются самой нагруженной частью электровоза. На их долю приходится большая часть всех отказов. Отказы ТЭМ происходят как из-за условий эксплуатации, так и из-за качества ремонта. Условия эксплуатации тяговых электрических машин на различных дорогах резко отличаются не только климатом, но и профилем пути, колебанием напряжения в контактном проводе, грузонапряжённостью и интенсивностью движения. Эксплуатация ТЭМ при значительных перепадах температур усугубляется резкими изменениями скоростей движения локомотивов, вызывающими столь же резкое изменение нагрузок двигателей, их частоты вращения, толчки и вибрацию. Большие нагрузки, частые пуски приводят к нагреву якорных обмоток и тепловому существующего разрушению уменьшенного изоляции распределения [18]. Неравномерность охлаждающего количества воздуха внутри двигателя, различия в нагрузках оси и диаметров бандажей колесных пар, расхождение скоростных характеристик двигателей приводят к неравномерному перегреву обмоток якоря и полюсных катушек [19, 20]. При превышении допустимой температуры обмоток ТЭМ, их изоляция становится жесткой и хрупкой, и в значительной степени теряет электрическую прочность. При перегреве обмоток, летучие вещества из изоляционных материалов быстро испаряются, что приводит к образованию трещин, 25 расслоений и пористости. Через некачественные уплотнения коллекторных люков, воздухопроводов, а также через незакрытые вентиляционные отверстия двигателей, конструкция которых предусматривает защиту от попадания снега, внутрь двигателей всё-таки попадает вода и снег. Также в двигателях конденсируется влага и при постановке холодного локомотива в теплое помещение. Если двигатели не находятся под нагрузкой, то попадающая в них влага поглощается изоляцией. Проникая в мельчайшие трещины и поры изоляционного материала, она значительно снижает его электрическую и механическую прочность. Подобное увлажнение изоляции происходит особенно интенсивно при повышении влажности с резким увеличением температуры окружающей среды и времени простоя электровоза в нерабочем состоянии. Осенне-зимний период является наиболее неблагоприятным для тяговых двигателей. Перепады температуры, попадание снега внутрь двигателя через, не плотности коллекторных люков и воздухопроводов приводят к увлажнению изоляции. Это способствует резкому снижению ее сопротивления. При повышении температуры воздуха во время суточных колебаний температуры или оттепелей тяговый электродвигатель нагревается медленно. При соприкосновении воздуха с более холодными частями ТЭМ, воздух охлаждается, его влагоемкость уменьшается, и избыток водяного пара оседает на обмотках и коллекторе в виде инея, от этого изоляция намокает и начинается ее разрушение. Образование инея зависит от скорости изменения температуры и относительной влажности воздуха. Так при температурах ниже -20°C, иней не образуется из-за малого перепада температуры на 5-6°C за 6 часов достаточно для инееобразования [1]. Для предотвращения инееобразования перед постановкой в отапливаемый цех ТЭМ нужно подогревать. Для этого используется метод подогрева тяговых двигателей от вентиляторов электровозов. Перед тем как поставить электровоз в цех включают вентиляторы, и двигатели подогреваются до температуры примерно равной той, которая в цехе. И только после этого устанавливают в цех. 26 Отдельные повреждения якорей тяговых двигателей происходят из-за неправильных режимов управления локомотивом, приводящих к боксованию колесных пар, перегрузке тяговых электрических машин. Катушки главных и добавочных полюсов выходят из строя в результате попадания влаги в остова через некачественные их уплотнения, а также ослабления крепления полюсных катушек на сердечниках. В процессе эксплуатации тяговые двигатели подвергаются большим динамическим нагрузкам, что в первую очередь отрицательно сказывается на работе узла щёткодержателя и состоянии рабочей поверхности коллектора, и в конечном итоге приводит к повышенному искрению под щётками, ухудшению коммутации, образованию кругового огня по коллектору и перебросам электрической дуги. Оценить техническое состояние локомотивов и определить надежность их в работе представляется возможным только на основе анализа надёжности подвижного состава, который показывает, что основным повреждаемым узлом являются тяговые электродвигатели. По данным («Желдорреммаш»), на ТЭМ тепловозов приходится 42 % от общего количества отказов, на электрическое оборудование 28 %, на механическое оборудование 16 %, на дизель 12 % и на тормозное и пневматическое оборудование 2 % [21]. На ТЭМ электровозов ВСЖД приходится 53 % от общего количества отказов, по электрическому оборудованию 25 %, по механическому оборудованию 20 %, по тормозному и пневматическому оборудованию 2 % [22, 23]. При этом наибольшее количество отказов в работе приходится на ТЭМ грузовых электровозов. Предположительно это происходит из-за увеличения в последние годы нагрузок на грузовые электровозы. Так по данным обследования технического состояния приписного парка электровозов ОАО «РЖД» в период с 1980 года по 2012 год, средний вес поездов увеличен на 20 - 30 %, что привело к росту числа случаев выхода из строя тяговых электродвигателей (в период с 1999 года по 27 2012 год их количество возросло в 3,3 раза). Это косвенно подтверждает резкое увеличение количества поврежденных ТЭМ поступающих в ремонт. В среднем 50 % ТЭМ требуется ремонт КР не по пробегу, а по состоянию, по причинам повреждений, связанных с межвитковыми замыканиями якоря и катушек полюсов, пробою изоляции якорных обмоток и катушек полюсов, трещинам валов якорей, износу горловин и т.д. Как показывает анализ, наибольшее число выходов из строя тяговых электродвигателей приходится на пробой изоляции. Во многом это определяется сложными условиями эксплуатации ТЭМ: перегрузками, коммутационными перенапряжениями, увлажнением и т.д. [24]. Кроме того, наибольшее число выходов из строя ТЭМ из-за пробоя изоляции наблюдается в период перепада температур, когда сильно возрастает вероятность увлажнения обмоток из-за попадания влаги в ТЭМ. Также установлено, что особенно неудовлетворительное положение по надёжности ТЭМ наблюдается по сети железных дорог Восточных регионов России. Это в наибольшей мере касается ВСЖД, полностью электрифицированной по системе переменного тока, электровозы которой, работая на крутых (17 ‰ и более) и протяженных расчетных подъёмах, имеют нагрузку на 15 - 25 % превышающую нагрузки электровозов остальной сети электрифицированных железных дорог страны, при относительной влажности воздуха до 95 % и с перепадами суточных температур до 30°С и более [25,26,27,28,29,30,31]. Для объектов, работоспособность которых может быть восстановлена после отказа, показатели надёжности определяют по статистическим данным, полученным с помощью планов [N, R, L0]; [N, R, r]. В качестве показателя безотказности применяют параметр потока отказов (l). По определению параметр потока отказов (l) есть среднее число отказов локомотива (или его элементов) за единицу пробега, взятое для рассматриваемого пробега l. Для расчета оценки (l) по статистическим данным применяют формулу 28 N ( l) mi ( l l ) i 1 Nl N mi ( l ) i 1 m Nl , (1.1) где mi(l+l) и mi(l) - накопленное число отказов i- го объекта за пробеги (l+l) и l соответственно; m – число отказов всех N локомотивов за интервал пробега l=(l+l) – l. Формула (1.1) выведена при условии, что все N локомотивов работали с момента l до l+l. Если в течение интервала l число локомотивов изменилось (уменьшилось), следует вместо N∙l использовать суммарный пробег всех Ni работавших локомотивов l i 1 i . Формула (1.2) преобразуется к виду ( l ) m 1 Ni li . (1.2) i 1 Выбор ширины интервала l определяется общей продолжительностью наблюдений, цикличностью периодов эксплуатации, видом объектов, целями анализа. При оценке влияния внешних (например, климатических) факторов интервал может быть выбран равным пробегу за месяц, квартал. Проведен расчет параметра потока отказов ТЭМ, электроаппаратуры, механического оборудования за период эксплуатации с 2000 по 2012 год. Данные сведены в таблицу (таблица 1.1.). Данные параметра потока отказов ТЭМ НБ-514 по сезонам эксплуатации приведены (рисунок 1.2). Для сравнения взят анализ депо Абакан, Боготол, Красноярской ж.д.; Нижнеудинск, Иркутск–Сортировочный, Вихоревка, Северобайкальск ВСЖД. При рассмотрении зависимостей изменения параметров потоков отказов ТЭМ электровозов ВСЖД можно отметить: снижение надежности изоляции во времени эксплуатации; 29 растет параметр потока отказов изоляции; отмечаются существенные изменения из по сезонам эксплуатации; растут отказы якорей ТЭМ с открытыми лобовыми частями; Таблица 1.1 - Виды отказов ТЭД электровозов ВСЖД Тип двигателя Виды отказов и повреждений НБ-418К6 НБ-514 mi , % Пробои изоляции и межвитковые замыкания якорных обмоток Пробои изоляции главных полюсов (ГП) 16,9 21,8 12,4 29,8 Пробои изоляции дополнительных полюсов (ДП) 3,6 11,4 Пробои изоляции компенсационных обмоток (КО) 3,2 3,59 Повреждения соединений ГП 1,37 1,65 Повреждения соединений ДП 5,04 2,48 Повреждения соединений КО 1,37 1,38 0 1,1 Повреждения выводных кабелей 1,37 1,1 Выплавления петушков коллекторов 7,3 0,8 Повреждения кронштейнов траверсы 2,29 1,1 Разрушения бандажей якорей 5,9 0,8 Повреждения моторно-якорных подшипников 12,1 12,7 Повреждения остовов 13,3 6,9 Повреждения поверхности коллектора 1,37 0 Прочие повреждения 12,49 3,4 Повреждения перемычек щеткодержателей наблюдается увеличение характера потока отказов главных, добавочных полюсов и компенсационной обмотки, так как нередко тяговые двигатели продолжительное время работают с токами, превышающими номинальное значение, что ведет к более интенсивному старению изоляции. 30 Увеличенное число отказов изоляционных конструкций, особенно электрических машин НБ-514 электровозов ВЛ85, которые выполняют большую часть работы в грузовом движении ВСЖД, потребовало проведения системного анализа, причин отказов ТЭМ и в первую очередь их изоляционных конструкций. 301 466 16 93 НБ-418К6 НБ-418КР Рисунок 1.2 – Отказы ТЭМ ВСЖД в 2012 году НБ-514 НБ-412 31 2,5 отказ млн.км. 2 1,5 ω 1 0,5 0 I II III IV V VI VII VIII IX Т X XI мес. XII МВЗ ОЯ МВЗ ОГП МВЗ ОДП МВЗ КО Рисунок 1.3 - Надёжность изоляции ТЭМ НБ-514 электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск ВСЖД в 2012 г. 3 отказ млн.км. 2,5 2 1,5 Пробой изоляции и МВЗ ОЯ Пробой изоляции и МВЗ ОГП 1,0 ω Пробой изоляции и МВЗ ОДП 0,5 Пробой изоляции и МВЗ КО 0 2005 2006 2007 Т год Низкая изоляция обмоток ТД 2008 Рисунок 1.4 - Надёжность изоляции ТЭМ НБ-418КР электровозов ВЛ80тк депо Вихоревка ВСЖД 32 N, ед. Рисунок 1.5 – Распределение отказов ТЭМ ВСЖД электровозов 2012 году Рисунок 1.6 - Количество отказов ТЭМ ВСЖД на 1 млн. км пробега в 2012 году 33 Рисунок 1.7 – Распределение отказов ТЭМ электровозов ВСЖД в зависимости от пробега в 2012 году ТЧ-12 Всего отказов ТЭД, ед. Таблица 1.2 - Отказы ТЭМ электровозов ВСЖД в 2012 году Остов 14 57 6 26 10 9 122 Якорь 25 83 35 50 31 28 252 Вал якоря 0 1 0 0 0 7 8 Главный полюс 1 34 8 3 5 19 70 Дополнительный полюс 3 29 2 17 7 35 93 Компенсационная обмотка 2 3 4 2 1 24 36 Коллектор 18 14 8 35 11 4 90 Отказы ТЭД локомотивных депо, ед. ТЧ-9 ТЧ-7 ТЧ-5 ТЧ-2 ТЧ-1 Элементы ТЭД 34 Продолжение таблицы 1.2 Щеточный аппарат 0 7 2 0 0 0 9 Моторно-якорный подшипник 4 21 9 6 5 66 111 Подшипниковый щит 0 15 2 6 2 8 33 Выводная коробка 0 8 0 7 0 16 31 Прочие: 11 2 26 22 0 11 72 Всего отказов 67 274 102 152 72 227 894 Прочие повреждения 16,4% Пробой изоляции 57,6% Повреждение подшипников 10,0% Повреждение коллектора 8,5% Повреждение соединений 7,5% Рисунок 1.8 - Распределение отказов тяговых электрических машин электровозов ВСЖД по элементам в 2012 году Таблица 1.3 - Отказы ТЭМ электровозов ВСЖД в 2012 году Тип ТЭД Отказы, Пробег, 106 км ед. ω, отказ 6 10 км Число ТЭД в эксплуатации, ед. Процент неисправных ТЭД НБ-514 464 63,798859 7,3 3744 0,12 НБ-418К6 721 48,773774 14,8 3556 0,20 НБ-418КР 93 5,752227 16,2 348 0,27 НБ-412к 23 3,784489 6,1 244 0,09 Всего 894 110,465818 8,1 7892 0,11 35 Таблица 1.4 – Распределение отказов якорных обмоток электрических машин НБ-514 электровозов ВСЖД по видам повреждения Наименование неисправности Годы 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 mi, % Пробой изоляции и МВЗ якоря 64,9 68,6 74,2 71,2 75,5 81,6 67,1 51,2 56,0 70,8 62,8 53,1 Низкая изоляция якоря 28,4 25,7 19,7 13,7 15,1 7,9 21,9 28,6 34,7 10,1 12,8 34,4 Разрушение бандажа якоря 5,4 5,7 3,0 8,2 7,5 2,6 6,8 4,8 2,7 11,6 9,37 8,8 В таблице (таблица 1.4) частность отказов mi= Ni / ∑N Рисунок 1.9 - Распределение отказов электровозов 2ЭС5К и 3ЭС5К 36 Рисунок 1.10 - Распределение отказов по элементам ТЭМ НБ-514Б (Ермак) Системный анализ надёжности предельно нагруженного оборудования электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Восточной Сибири показал, что отказы очень существенно различаются по макроклиматическим зонам, которые можно условно разделить на следующие направления: «северное» Тайшет Таксимо, «центральное» Мариинск – Карымская и «южное» Междуреченск Тайшет. А результаты анализа по надёжности ТЭМ электровозов железных дорог Восточной Сибири, проведенный нами за последние пятнадцать лет, свидетельствуют, о увеличении отказов в несколько раз. Исследования показали, что надёжность двигателей НБ-418К6 выше, чем НБ-514 почти в полтора раза. Отказы двигателей НБ-514 «северного направления» Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД) (депо Вихоревка, 37 депо Северобайкальск) более чем в 2,5 раза превышает отказы двигателей этого же типа электровозов «центрального направления» депо Нижнеудинск, депо Иркутск-Сортировочный и депо Улан-Удэ. Данные подтверждают существенные различия отказов ТЭМ на разных направлениях. Это связанно не только с макрои микроклиматическими зонами эксплуатации, но и с сезонностью [32, 33, 34]. Установлено, что параметр потока отказов распределяется по времени эксплуатации неравномерно. Наименьшая надёжность ТЭМ наблюдается в зимний период эксплуатации, а также во время перехода температуры окружающего воздуха через нулевое значение [35, 36, 37]. 1.4. Анализ отказов тяговых электрических машин НБ-514 депо Нижнеудинск ВСЖД Данные о распределении отказов электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск по видам оборудования приведены в таблице (таблица 1.5). Таблица 1.5 - Распределение отказов электровозов по видам оборудования Годы Виды оборудования 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 mi , % Электрическая аппаратура Тяговые Электрические машины Асинхронные вспомогательные машины Механическое оборудование Автотормозное оборудование 30,3 28,7 34,92 37,45 36,68 34,48 32,87 19,8 20,5 17,46 23,41 25,96 22,39 24,87 12,8 14,4 14,35 11,73 13,86 12,13 13,55 7,3 7,1 6,35 10,10 10,82 17,36 14,17 3,9 3,4 7,94 8,7 7,23 9,4 10,29 Приборы безопасности 4,7 4,3 6,29 8,59 5,41 4,22 4,23 Кроме эксплуатационных факторов, существенное влияние на надёжность 38 оказывает качество ремонта ТЭД. При разборах в депо в 12,7 % случаях признана вина ремонта. Установлено, что в (таблице 1.5) дано распределение отказов электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск по видам оборудования в период с 2006 по 2012 годы. Анализируя полученные таблицы, диаграммы можно сделать следующие выводы относительно отказов якорей ТЭД НБ-514 электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск. Из диаграммы Исикавы представленной на (рисунке 1.11) видно, что наибольшее количество отказов по видам оборудования электровоза в процентном отношении имеют: - электрическая аппаратура – 32,87 %; - тяговые электрические машины – 24,87 %; - механическое оборудование –14,29 %. Отказы тяговых электрических машин составили 24,87 % , из них 18,51 %, что обусловлено низким качеством ремонта в депо Нижнеудинске. На протяжении последних лет эксплуатации ежегодно наблюдается около 40 отказов ТЭМ НБ-514 по пробою изоляции и межвитковым замыканиям якоря. Это, в свою очередь, подтверждает гипотезу о необходимости дополнительной пропитки изоляции открытой лобовой части якоря со стороны противоположной коллектору. ТЭМ НБ-514Б электровозов 2ЭС5к, 3ЭС5к, Э5к также имеют открытые лобовые части, как и НБ-514 электровозов ВЛ85. И соответственно, наибольшее число пробоев изоляции якоря по лобовым частям. 39 Электрическая аппаратура (32,87%) Аппаратура 13,89% В ина ТО-2 Электронное оборудование 1,41% 9,22% В ина экспл уатации Аккум ул яторные батареи 1,41% 6,05% В ина ремонта 1,41% Механическая часть (14,17%) Некаче стве нная экспл уатация ТЧ-2 (провороты) 3,2% 3,7% Крышевое оборудование Нагрев МЯП 1,575% Рабочий нагрев буксы КП 1,575% Отказ ы тех.средств Приборы безопасности (4,23%) Конструктивный Некаче стве нн ый ремон т при Т Р-1 недостаток 3,3875% 1,59% Разр уше ние с епаратора В ина ТО-2 3,18% 3,3875% В ина УУЛВ РЗ Деградация изоляционных 1,59% материалов (один ) В ина ремонта 6,775% 18,51% Некачественная экспл уатация 4,57% Некаче стве нн ый ремон т 5.71% Низки е знания работника 33 % 67 % Низки й уровень контроля Автоторм озное оборудование (10,29%) ТЭД (24,87%) В спом. Маш. (13,55%) Рисунок 1.11 - Диаграмма Исикавы причинно-следственных связей отказов оборудования электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск в 2012 году 1 2 3 Таблица 1.6 - Анализ повреждений ТЭМ НБ-514 локомотивного депо Нижнеудинск ВСЖД в 2011-2012 годах Всего повреждений Характер повреждения 2011 2012 Пробег до повреждения, тыс. км На 1 млн.км 2011 2012 От начала эксплуатац ии 2011 Пробой изоляции якорных обмоток Пробой изоляции и МВЗ обмоток главных полюсов Пробой изоляции дополнительных полюсов Пробой изоляции компенсационной обмотки От последнего капитального или среднего заводского ремонта Свыше До 150 150-300 300-450 450-600 600 2012 2011 2012 2011 2012 2011 2012 2011 2012 2011 2012 56 54 2,813 2,629 0 0 21 14 18 26 12 8 3 4 2 2 26 19 1,306 0,925 0 0 10 5 6 7 10 4 0 2 0 1 10 14 0,502 0,681 0 0 4 4 2 3 3 4 1 3 0 0 0 2 0 0,097 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 Низкая изоляция якорных обмоток 8 11 0,401 0,535 0 0 2 4 1 4 5 2 0 0 0 1 Повреждения соединений между главными полюсами 14 15 0,703 0,730 0 0 2 4 4 5 4 3 3 3 1 0 41 Продолжение таблицы 1.6 Повреждения соединений между компенсационными обмотками Повреждения соединений между дополнительными полюсами Повреждение выводов катушек главных полюсов Повреждение выводов компенсационных обмоток Повреждение перемычек между щеткодержателями на траверсе и др. Повреждения выводных кабелей Выплавление припоя из петушков 1 3 0,050 0,146 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 3 6 0,150 0,292 0 0 0 4 2 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0,048 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 2 0 0,100 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 6 0,200 0,292 0 0 1 0 0 1 3 4 0 1 0 0 5 6 0,251 0,292 0 0 1 3 1 1 3 2 0 0 0 0 6 7 0,301 0,340 0 0 1 4 4 1 1 1 0 1 0 0 Выработка коллектора 2 5 0,100 0,243 0 0 0 3 0 0 2 2 0 0 0 0 Биение коллектора 4 6 0,200 0,292 0 0 1 3 1 1 2 1 0 1 0 0 Оплавление пластин коллектора Заклинивание траверсы 6 10 0,301 0,486 0 0 1 5 4 1 1 3 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Повреждения траверс 5 4 0,251 0,194 0 0 1 3 2 1 2 0 0 0 0 0 42 Продолжение таблицы 1.6 Повреждение якорных подшипников Ослабление крышек, подшипниковых щитов, втулок уплотнений Излом или задир вала якоря Повреждение остова (трещина) Прочие повреждения 15 21 0,753 1,022 0 0 5 4 2 7 5 8 3 2 0 0 8 13 0,401 0,639 0 0 3 4 2 4 1 1 1 3 1 1 3 3 0,150 0,146 0 0 0 1 2 2 1 0 0 0 0 0 22 17 1,105 0,827 0 0 9 7 3 4 5 6 4 0 1 0 35 50 1,758 2,434 0 0 14 19 12 18 6 7 3 5 0 1 Всего повреждений 235 273 11,807 13,292 0 0 78 92 67 89 66 58 19 27 5 6 4 5 6 Пробег электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск в 2011 году – 19,903627 млн.км, в 2012 году – 20,538682 млн.км. Рисунок 1.12 - Диаграмма отказов ТЭМ электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск в 2011 году Рисунок 1.13 - Диаграмма отказов ТЭМ электровозов ВЛ85 депо Нижнеудинск в 2012 году 44 Рисунок 1.14 - Надёжность изоляции якорных обмоток электрических машин НБ514 Осенне-зимне-весенний период является наиболее неблагоприятным для ТЭМ [38,39]. Через воздухопроводов, а некачественные также через уплотнения незакрытые коллекторных вентиляционные люков, отверстия двигателей, конструкция которых предусматривает защиту от попадания снега внутрь двигателей, возможно попадание воды и снега. Также в двигателях конденсируется влага и при постановке холодного локомотива в теплое помещение. Динамика изменения параметра потока отказов изоляции ТЭД электровозов железных дорог Восточного региона показана на (рисунок 1.15). Если двигатели не находятся под нагрузкой, то попадающая в них влага поглощается изоляцией. Проникая в мельчайшие трещины и поры изоляционного материала, она значительно снижает его электрическую и механическую прочность. Подобное увлажнение изоляции происходит особенно интенсивно при повышении влажности с резким увеличением температуры окружающей среды [40]. 45 Рисунок 1.15 - Параметры потоков отказов изоляции ТЭД железных дорог Восточного региона в 2010 году При повышении температуры воздуха во время суточных колебаний температуры, или оттепелей, ТЭМ нагревается медленно. При соприкосновении воздуха с более холодными частями тягового электродвигателя, воздух охлаждается, его влагоёмкость уменьшается, и избыток водяного пара оседает на обмотках и коллекторе в виде инея, от этого изоляция намокает и начинается ее разрушение. Расположение входного и выходного патрубков в системе вентиляции тяговых электрических машин в одной плоскости обуславливает не только значительную неравномерность нагрева обмотки якоря, но и более интенсивное переувлажнение изоляции лобовой части обмотки якоря со стороны выхода воздуха из патрубка. Ситуация усложняется, если на пути движения увлажнённого воздуха устанавливается подшипниковый щит без вентиляционных окон. При эксплуатации ТЭМ в регионах с повышенной абсолютной влажностью воздуха в остове может накапливаться до тридцати литров воды [41]. 46 Неравномерный перегрев и переувлажнение изоляции открытой лобовой части обмотки якоря приводит к локальному снижению надёжности этой части ТЭМ. В процессе ослабления связующего слоя изоляции задней лобовой части, влага через пористые капилляры проникает внутрь паза якоря. Большая часть неисправностей с самым распространенным диагнозом на железных дорогах Восточного региона «якорь-ноль» обусловлена этой причиной. 47 2. МЕТОДИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К АНАЛИЗУ ТЕХНОЛГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 2.1. Энергетический подход к анализу технологии капсулирования тепловым излучением В поле тепловых излучений происходит непрерывный перенос энергии. Впервые понятия о переносе энергии в поле упругих колебаний и о векторе, характеризующем этот перенос, были сформулированы в 1874 г. проф. Н.A. Умовым (1846—1915). Им было дано понятие о приросте или поглощения энергии в единицу времени в некотором объеме как о полном потоке энергии через замкнутую поверхность, ограничивающую исследуемый объект. Через 10 лет (в 1884 г.) вектор Умова был применён Д.Пойнтингом [42,43]. Выражение энергетического баланса для некоторого объема описывается теоремой Умова-Пойнтинга: E 2 H 2 S ds E dV ( )dV . t 2 2 2 (2.1) Левая часть уравнения (2.1) представляет собой поток вектора Пойнтинга, направленный внутрь объёма сквозь любую замкнутую поверхность s, ограничивающую некоторый объем V. Поскольку элемент поверхности ds в любой её точке направлен в сторону, противоположную вектору Пойнтинга, из-за наличия знака минуса, левая часть уравнения (2.1) является величиной положительной. S ds Q . (2.2) 48 Таким образом, поток вектора Пойнтинга есть энергия, доставляемая к некоторому элементу энергетической системы. Первое слагаемое в правой части уравнения (2.1) есть энергия, выделяющаяся в виде теплоты в единицу времени в объёме V. В ряде электротехнологических процессах именно получение тепловой энергии является полезным эффектом, однако, в дальнейшем, отнесём эту энергию к потерям, т.е. ΔQ = ∫v yE2dV. (2.3) Второе слагаемое в правой части уравнения (2.1) есть скорость изменения запаса электромагнитной энергии в единице объёма. Именно эта энергия обеспечивает полимеризацию компаунда (пропиточной жидкости) на выходе некоторого элемента энергетической системы QK t yE 2 H 2 2 2 dV . (2.4) Тогда уравнение энергетического баланса Q = ΔQ + Qк , (2.5) представляет собой исходное уравнение конечных отношений. Показана (рисунок 2.1) схема энергетического баланса элемента Рис. 2.1. Схема энергетического баланса элемента искусственной системы к объекту излучения 49 На энергетической диаграмме элемента (рисунок 2.2) показано, что возможен вариант проведения этапа, который в базовом варианте технологического процесса облучения характеризовался величиной энергоемкости εi, с большей эффективностью, характеризуемой величиной энергоемкости. Q QHi . ε'i Q'Ki εi kЭСМi QKi lH Δl lK l Рисунок 2.2 - Энергетическая диаграмма элемента системы 2.2. Этапы преобразования электрической энергии в технологическом процессе капсулирования лобовых частей 2.2.1. Подача энергии к источнику излучения На первом этапе передачи энергии потери вызваны отклонением величины питающего напряжения от номинального значения. Это сказывается на параметрах ИК- излучения [44]. 50 ΔQi Q IН QIK I Подача электроэнергии к источнику излучения Рисунок 2.3 - Схема для этапа передачи электроэнергии к источнику излучения Зависимость параметров ИК - излучения от величины питающего напряжения выражается формулой, Хф Хн где Uф q x , Uн (2.6) – фактическое значение параметра Х при напряжении питания Uф; – номинальное значение параметра Х при напряжении питания Uн; - значение показателя для данного параметра Х. Отклонения величин от их номинальных значений удобно характеризовать соответствующими коэффициентами отклонения kx Хф Хн . (2.7) При этом напряжение характеризуют относительной величиной kU Uф . (2.8) k x kUgx . (2.9) Uн Следовательно 51 В (таблице 2.1) представлены значения показателей gx для различных параметров ИК-излучателя. Аналогичные данные могут быть представлены и для других типов источника излучения. Для выявления резервов энергоресурсосбережения необходима зависимость срока службы и мощности ИК-излучателей от напряжения питания. Количество энергии Qн, кВт*ч, потребляемой за срок службы излучателей в номинальном режиме Qн = Рн •Тн , (2.10) где, Рн - номинальная мощность ИК-излучателя, кВт; Тн – номинальный срок службы ИК-излучателя, ч. Таблица 2.1 - Значения показателей gx для различных параметров излучателей Наименование параметра Обозначение коэффициента отклонения параметра Обозначение показателя, gx Значение gx, отн.ед. 1.Ток 0,6 2.Мощность 1,6 3.Температура нити 0,33 накала 4.Тепловой поток 3,6 5. КПД 0,98 6.Срок службы 14 На (рисунке 2.4) показана зависимость коэффициентов отклонения параметров ИК-излучателя от величины напряжения питания в относительных единицах 52 Рисунок 2.4 - Зависимость коэффициентов отклонения параметров ИКизлучателя от величины напряжения питания в относительных единицах Затраты на электроэнергию Сн , руб Сн = сэ *Qн , где (2.11) сэ - тариф на электроэнергию, руб/(кВт*ч). Количество сгенерированного потока Нн лм*ч, за срок службы излучателя Нн = Фн * Тн , где (2.12) Фн - номинальный поток излучателя, лм. Стоимость единицы потока излучения С1н, руб/(лм.*ч) С1н = Сн / Нн . (2.13) Пусть условия эксплуатации излучателя задаются гистограммой отклонения напряжений , характеризующей вероятность попадания величины напряжения в соответствующий интервал напряжений. kUi. Коэффициент отклонения мощности kp, отн. ед. k p i1 i kUip , n g (2.14) 53 где n – количество интервалов разбиения гистограммы. Тогда фактическая мощность Рф, кВт. Рф = Рн • kр . Коэффициент отклонения срока службы (2.15) , отн.ед. kT i1 i kUgiT . (2.16) Тф = Тн • kТ . (2.17) n Фактический срок службы Коэффициент отклонения потребляемой энергии kQ i1 i kUip kUgiT . n g (2.18) Фактически потребляемая ИК-установкой энергия Qф, кВт*ч Qф= Qн • kQ . (2.19) Затраты на фактически потребляемую электроэнергию Сф, руб Сф = сэ • Qф . (2.20) Коэффициент отклонения сгенерированного потока за срок службы излучателя k H i1 i kUi kUgiT . n g (2.21) Количество сгенерированного потока за срок службы излучателя Нф, лм•ч Нф = Нн• kн . (2.22) Фактическая стоимость единицы потока излучения С1ф, руб/лм*ч С1ф Сф Нф . (2.23) Коэффициент измерения стоимости единицы потока излучения kC С1ф С1н . (2.24) 54 Необходимое количество излучения Nф может быть определено исходя из того, что количество излучателей обратно пропорционально их сроку службы, т.е. Nф N H TH N H , Tф kT (2.25) где NH - номинальное количество источника излучения. Коэффициент перерасхода источника излучения (из расчета на 1 ед) kN Nф N H Nф 1 kT . (2.26) Следовательно, одной из эффективных мер энергоснабжения для установок с применением излучателя является стабилизация условий питания источника излучения. Стабилизированное напряжение преодолевает срок жизни источника излучения и снижает энергопотребление [45]. В рамках изложенной выше общей концепции научно методических основ оценки эффективности технологического процесса облучения показателем эффективности на этапе подачи электроэнергии к источнику излучения является коэффициент отклонения потребляемой энергии kэнерг = kQ . 2.2.2. Генерирование потока в источнике излучения На данном этапе технологического процесса потери происходят по причине неполного преобразования электрической энергии в энергию потока, что снижает качество сгенерированного источником излучения потока по сравнению с теоретически возможным. 55 ΔQII QIIН QIIK II Генерирование потока в источнике излучения Рисунок 2.5 - Схема для этапа генерирования потока в источнике излучения Возможности эксплуатационных решений на данном этапе более ограничены, поскольку эффективность источника излучения задана при его производстве. Поэтому реальной возможностью энергоснабжения на этом этапе является обоснованный выбор наиболее эффективного источника. Эффективность преобразования электрической энергии в поток характеризуется величиной отдачи источника , отн. ед. η = Φ / Р, где (2.27) Ф – величина генерируемого потока, Вт; Р – электрическая мощность, Вт. Мощность излучателя Р является справочной величиной и может быть найдена по литературным источникам, что не всегда справедливо для величины потока Ф. В ряде случаев найти величину потока можно найти по известным спектральным характеристикам источника излучения. Для тепловых источников, которыми являются излучатели, ИК-излучения интегральный поток Ф, Вт, можно найти, используя закон Стефана-Больцмана, согласно которому Φ = εsσΤ4Sи , где εs - интегральный коэффициент излучения, отн.ед.; (2.28) 56 σ – постоянная Больцмана, σ = 5,67•10 -8 Вт м – 2 К-4; Т – температура излучателя, К; Sи - площадь поверхности излучателя, м². Одной из эффективных мер энергоснабжения для установок с применением излучателем является обоснованный выбор наиболее эффективного источника излучения. В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических основ оценки эффективности технологического процесса излучения показателем эффективности на этапе генерирования потока в источнике излучения является отдача источника. И Р /Ф . (2.29) 2.2.3. Формирование потока отражателем На данном этапе потери происходят по причине изменения спектрального состава отраженного потока селективно отражающей поверхностью излучателя, что сказывается на величине интегрального отраженного потока. ρλ ΔQIII φλ QIIIН QIIIK III Формирование потока отражателем Рисунок 2.6 - Схема этапа формирования потока отражателем ИК 57 Количественная оценка процесса отражения потока на длине волны λ определяется спектральным коэффициентом отражения Рλ = Фрλ / Фλ , (2.30) где Фрλ - отраженный поток, Фλ - падающий поток. Спектральный коэффициент отражения – постоянная характеристика отражателя и не зависят от спектрального состава излучения. На рисунке (рисунок 2.7) показаны зависимости спектральных коэффициентов отражения металлов и белой электротехнической эмали от длины волны падающего излучения [46]. Рисунок 2.7 - Спектральные коэффициенты отражения некоторых материалов Если известен монохроматический поток Φλ, падающий на отражатель, и спектральный коэффициент отражения для такой же единицы волны Рλ, то отраженная часть этого потока Фрλ = Рλ • Фλ . (2.31) Так как любой сложный поток излучения – это сумма потоков, составляющих его, то, очевидно, что суммарный отраженный поток Фр равен сумме его составляющих: 58 2 Ф d . (2.32) 1 Одной из эффективных мер энергоснабжения для установок с применением излучателя является использование отражающего покрытия на излучателе, наиболее подходящим образом производящего спектральную коррекцию генерируемого источника излучения потока. В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических основ оценки эффективности технологического процесса излучения показателем эффективности на этапе генерирования потока в источнике излучения является кривая спектрального коэффициента отражения покрытия излучателя Рλ. 2.2.4. Формирование пространственного распределения потока На данном этапе потери происходят по той причине, что часть потока излучения не попадает на излучаемый объект. Iα QIVН ΔQIV QIVK IV Формирование пространственного распределения потока Рисунок 2.8 - Схема этапа формирования пространственного распределения потока Для характеристики пространственного распределения потока вводится понятие силы излучения I, Вт ср -1, как отношение потока dФ, Вт, к величине телесного угла dω, ср, в котором поток равномерно распределен 59 I dФ . d (2.33) Если отложить во всех направлениях от центра излучения источника величины, пропорциональные силам излучения в данном направлении, то полученная в пространстве объемная фигура называется фотометрическим телом. Пусть источник излучения с заданным пространственным распределением потока помещен над облучаемой поверхностью S, как показано (рисунок 2.9). Элемент поверхности dS характеризуется расстоянием от источника l и углом θ между нормалью к поверхности n и направлением на источник. Поток Фи , Вт, излучаемый источником во всех направлениях ФИ I d . (2.34) 4 Рисунок 2.9 - Формирование потока, падающего от источника на изучаемую поверхность Поток ФП , Вт, падающий на поверхность ФП S Этот поток заключен в I cos dS . l2 пределах телесного (2.35) угла, образованного пространственным конусом, опирающегося на контуры излучаемого тела. 60 Коэффициент использования потока kИП , отн. ед. k ИП ФП . ФИ (2.36) Известное распределение силы излучения в пространстве позволяет рассчитать поток источника. Нахождение потока основано на решении уравнений 2.35 и 2.36. Наиболее просто это выполнить в случае осесимметричного источника, расположенного над центром круглой поверхности (рисунок 2.10). В зависимости от того, каким способом задано распределение силы излучения, можно применить аналитический, метод зональных телесных углов, метод диаграммы Руссо [47,48]. Рисунок 2.10 - К расчету потока, падающего на облучаемую поверхность Наиболее точным является аналитический метод, в соответствии с которым поток источника Ф 1 Вт, при заданной функции распределения силы излучения в пространстве , Вт/ср, находится по формуле 2 Ф 1; 2 2 I sin d . 1 (2.37) Аналогично определяют поток источника ФИ. Для вычисления потока, падающий на облучаемую поверхность ФП, необходимо найти граничный угол aгр. Из (рисунка 2.10) следует, что 61 гр rctg R . h (2.38) Итак, одной из эффективных мер энергосбережения для установок с применением ИК-излучателя является формирование наилучшего пространственного распределения потока. В рамках эффективности изложенных выше технологического научно-методических процесса основ облучения оценки показателем эффективности на этапе формирование пространственного распределения потока излучения является коэффициент использования потока поверхностью излучаемого объекта kпрост= kИП. (2.39) 2.2.5. Формирование поверхностного распределения энергии потока на лобовой части На этапе потери, обусловленные неполным использованием технологического потока излучения. Важной величиной для характеристики интенсивности процессов, протекающих под воздействием излучения, является излучаемость Е, Вт/м², которая определяется как отношение потока излучения dФ, Вт, к площади dS, м², на которую он падает [49]. E dФ . dS (2.40) В общем случае поток по излучаемой поверхности распределяется неравномерно. Характеристикой распределения потока по поверхности является кривая излученности. 62 EX QVIН ΔQV QVIK V Формирование поверхностного распределения энергии Рисунок 2.11 - Схема этапа формирования поверхностного распределения энергии потока Для построения кривой излученности каждой точке с координатой х необходимо сопоставить значения излученности в этой точке I cos 3 E . h2 (2.41) Характерными точками на этой кривой являются максимальное значение излученности Емах; минимальное значение излученности Емin, в точке поверхности с координатой Rкр ; среднее значение излученности Ecp. Равномерность кривой горизонтальной излученности характеризуют коэффициентом равномерности z, отн. ед. z Emax . Ecp (2.42) Существует связь между этими величинами 2 Еmin Emax ( 1). z (2.43) Смысл введения коэффициента z следующий. Можно предположить, что для обеспечения некоторого процесса, протекающего под действием потока на облучаемой поверхности необходимо обеспечить излучаемость не менее Emin. При 63 меньших значения излучаемости процесса, для которого производят излучение, не будет протекать, хотя поток на создание этой излучаемости (а значит, и электрическая энергия) расходуются [50]. Поэтому этот поток следует отнести к потерям, а эффективность использования потока на излучаемой поверхности характеризовать коэффициентом использования полезного потока kИПП, отн.ед., который равен k ИПП ФПП , ФП (2.44) где Фпп - поток, полезно используемый на облучаемой поверхности, Вт; Фп - поток, падающий на облучаемую поверхность, Вт. Расчет потока, полезно используемого на излучаемой поверхности, производится через известное распределение излучаемости по поверхности тела. Наиболее наглядно эта задача решается для круглосимметричного ИК-излучателя, хотя и для несимметричных излучателей решение достаточно просто [50]. Рисунок 2.12 - К расчету потока, полезно используемого на поверхности объекта Итак, одной из эффективных мер энергоснабжения для установок с применением излучателя является формирование требуемого поверхностного распределения потока на поверхности объекта. 64 В рамках изложенной выше общей концепции научно-методических основ оценки эффективности технологического процесса излучения показателем эффективности на этапе формирование пространственного распределения потока излучения является коэффициент использования полезного потока поверхностью объекта. 2.2.6. Поглощение энергии ИК-излучения связующим и превращение ее теплоту На данном этапе технологического процесса потери происходят, из-за не полного использования потока объектом облучения. ΔQVI QVIН QVIK VI Поглощение и превращение энергии объектом Рисунок 2.13 - Схема этапа поглощение энергии ИК-излучения пропитанной изоляцией и превращение ее в теплоту Приемники излучения являются конечными звеньями осветительных установок, вследствие чего изучение свойств приемников совершенно необходимо для проектирования и эксплуатации ИК-установок. Целью ИК-установки является получение положительного результата. Энергия теплового излучения может преобразовываться в любой другой вид энергии: электрическую, энергию химических связей и т.п. Но, как и в любом процессе, преобразование одного вида энергии в другой не обходится без потерь, 65 то есть часть энергии излучения преобразуется в такие виды энергии, которые для решения данной задачи не нужны. Рассмотрим процесс преобразования энергии (рисунок 2.14). Рисунок 2.14 - Пространственное представление эффективного потока как части общего потока В соответствии с законом сохранения энергии для излучения процесс преобразования в общем виде можно описать следующим уравнением: W W Фt dt Wэ Wn , t1 t2 где (2.45) W α - энергия излучения, поглощенная за промежуток времени t2 – t1, Дж; W – энергия оптического излучения, поглощенная за промежуток времени ∆t = t2 – t1; Ф(t) - поток излучения, упавший на приемник, в функции времени, Вт; Wэ - эффективная энергия, Дж; Wn - энергия потерь, Дж. Под величиной эффективной энергии Wэ , следует принимать ту часть поглощенной приемником энергии излучения, которая преобразовалась в необходимый вид энергии, обеспечивающий ожидаемый положительный эффект. Другие виды энергии, которые при этом образовались побочно, следует отнести к потерям Wn . 66 Из вышеизложенного следует вывод: лишь часть энергии потока излучения может быть полезна (т.е. эффективна) для получения определенного эффекта от процесса излучения. Интегральная чувствительность приемника излучения определяется отношением эффективной энергии к энергии излучения, упавшей на приемник g c Wэ , W (2.46) либо g c где Wэ Ф t Ф с э c э , W Фt Ф (2.47) g – интегральная чувствительность приемника; c – коэффициент, определяемый выбором единиц измерения полезной энергии. Под эффективным потоком понимается поток, оцениваемый по уровню реакции на него приемника, или, другими словами, часть интегрального потока, пропорциональная реакции приемника на это излучение. Большинство приемников превращают упавшую на них энергию излучения избирательно, в зависимости от длины волны излучения. Чувствительность приемника к монохроматическому излучению называется спектральной чувствительностью. Тогда, по аналогии с интегральной чувствительностью, для спектральной чувствительности можно записать g с где dФэ ( ) , dФ( ) (2.48) dФэ (λ) - эффективный поток однородного излучения при данной длине волны; dФ(λ) - поток падающего излучения на данной длине волны. Следует иметь в виду, что единицей измерения для dФэ (λ) служит мера реакции приемника на поток. Например, если приемником является фотоэлемент, 67 то dФ (λ) будет измеряться в амперах. Тогда размерность спектральной чувствительности будет А• Вт чувствительность приемника -1 . Как правило, на какой-то длине волны максимальна. Чтобы представить значения спектральной чувствительности в безразмерных единицах, её характеризуют относительной величиной в долях от максимального значения. Полагают так же, что α = 1. K g gmax . (2.49) Тогда спектральную чувствительность выражают графически в виде кривой Кλ , имеющую максимумы (Кλ =1) при определенных значениях длины волны λ. Итак, эффективный поток для монохроматического излучения dФэ Приняв g g g dФ max K dФ max K d . c c c (2.50) , получаем dФэ (λ)= k•φ (λ) К(λ)dλ . (2.51) Тогда эффективный поток 2 Фэ k K d . 1 (2.52) Таким образом, мера реакции приемника на излучение пропорциональна как характеристике потока (его спектральной плотности φ (λ)), так и свойствам приемника (его чувствительности К(λ)), причем реакция приемника проявляется в интервале длин волн λ1…..λ2 . Наглядным пояснением полученной формулы может служить (рисунок 2.15). 68 Рисунок 2.15 - К нахождению эффективного потока Пусть на одном графике, в функции от длины волны λ изображены функции спектральной плотности излучения φ К(λ)dλ (λ) и спектральной чувствительности К(λ). Зафиксируем некоторое значение длины волны λi . Спектральная плотность излучения на этой длине волны равна φλi , спектральная чувствительность приемника равна Кλi. Посмотрим третью кривую, каждое значение которой равно произведению φ (λ) К(λ) . Умножив это значение на ширину спектрального интервала dλ, получим значение эффективного потока на длине волны λi . Просуммировав dФэ (λ) в диапазоне длин волн λ1…..λ2, получим общее значение эффективного потока Фэ. Поэтому следует отметить следующее. Численные значения эффективного потока одного и того же излучения неодинаковы для различных приемников. Они зависят от спектральной чувствительности приемника. Численные значения эффективного потока для одного и того же приемника неодинаковы в случае различных потоков. Возможен случай, когда для различных потоков, облучающих различные приемники, численные значения эффективного потока одинаковы. Одной из эффективных мер энергоснабжения для установок с применением излучателей является повышение эффективности поглощения и превращения энергии излучения объектом. 69 В рамках вышеизложенной общей концепции научно-методических основ оценки эффективности технологического процесса облучения показателем эффективности на этапе поглощения и превращения энергии излучения объектом могут выступать спектральная чувствительность (для селективного приемника) интегральная чувствительность (для неселективного приемника) либо коэффициент поглощения (при поглощении потока без его преобразования). . (2.53) На примере локомотивного депо Нижнеудинск произведен расчёт затрат электроэнергии на процесс восстановления изоляционного слоя якоря НБ-514 электровоза ВЛ85 при проведении ТР-3 от начальной стадии, включающей подготовку на разогрев сушильной печи и до момента комплектования якоря в статорную обмотку [51,52,53,54, 55]. Расчёты приведены в приложении №6. 70 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КИНЕТИКИ НАГРЕВА ПРОПИТАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ЛОБОВЫХ ЧАСТЕЙ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 3.1. Методический подход к выбору математической модели Предварительные экспериментальные исследования процесса капсулирования пропитанной лаком или компаундом изоляции на лабораторных и производственных установках с генераторами теплового излучения указали на целесообразность выбора математической модели полученной на основании анализа дифференциального уравнения энергетического баланса. Такой подход был сделан впервые в диссертационных работах Лебедева П.Д. и Худоногова А.М. [57,58]. Применительно к ТЭМ в осциллирующих режимах ИКэнергоподвода была выполнена работа Е.М. Лыткиной [59]. В настоящей работе продолжены исследования по развитию этих моделей с учётом новых пропиточных составов, применяемых в технологии продления ресурса ТЭМ и компьютерных технологий для получения кривых нагрева при различной мощности ИК-энергоподвода. При аналитическом анализе процесса взаимодействия оптического излучения с влажными материалами Карповым В.Н. и Ракутько С.А. [60,61] была предложена поэтапная модель исследования (рисунок 3.1), в которой предлагается проанализировать процессы передачи электроэнергии к источнику теплового излучения, формирование потока генерирование отражателем, потока в источнике формирование излучения, пространственного распределения потока, формирование распределения энергии потока на объекте облучения: I - передача электроэнергии к источнику излучения; 71 II - генерирование потока в источнике излучения; III - формирование потока отражателем; IV - формирование пространственного распределения потока; V - формирование поверхностного распределения энергии ИК-излучения на объекте облучения; VI - поглощение инфракрасного излучения объектом облучения [62,63]. В силу особенности процесса ИК облучения этапы технологического процесса капсулирования практически не разнесены во времени. Физическими границами этапов капсулирования являются элементы энергетической системы: линия электропитания, источник излучения, поверхности отражателя, среда, поверхность изоляции. Рисунок 3.1 – Схема этапов преобразования энергии в технологическом процессе капсулирования изоляции: 1 – источник электрического питания; 2- источник излучения; 3- отражатель; 4- лобовая часть Среди ряда последовательных этапов превращения электрической энергии в технологическом процессе капсулирования наибольший интерес представляет участок, на котором энергия передается в виде поля теплового излучения. Этапы III-V условно относятся к виртуальному энергетическому блоку. Особенностью его является то, что он непосредственно не связан с элементами энергетической 72 системы. Поэтому моделирование кинетики нагрева пропитанной лобовой части обмотки якоря в технологии капсулирования изоляции представляется весьма проблематичным. Однако классические законы генерирования и взаимодействия электромагнитного излучения базируются на общей теории квантовой механики и волновой теории и опираясь на них можно определить путь по выбору математических моделей капсулирования изоляции. для В расчёта тепловых принципе в режимов в основе технологии каждой операции технологического процесса капсулирования лежит нагрев ИК-излучением. Нагрев лобовой части осуществляется не путем простого перераспределения одного и того же вида энергии по схеме теплота теплота, как обычно наблюдается при использовании конвективного или контактного теплообмена, а преобразованием электрической энергии в тепловую по схеме электрическая энергия теплота электромагнитное излучение теплота. Вначале, за счет нагрева излучателя электрическим током, в нем генерируется энергия ИК-излучения, после чего она передается в виде электромагнитных колебаний к объекту нагрева, в котором энергия электромагнитных колебаний вновь превращается в теплоту, выполняющую ту или иную операцию. Задачей математического описания кинетики нагрева в технологии капсулирования изоляции ИК-излучением, как следует из логической модели, является нахождение связей между плотностью мощности и предельно допустимыми значениями температуры и скорости нагрева лобовой части обмотки якоря [59,64,65]. 3.2. Построение математической модели кинетики нагрева изоляции лобовой части обмотки якоря на установке с генератором теплового излучения Общий вид производственной установки для капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря тепловым излучением показан (рисунок 3.2). 73 Рисунок 3.2 - Общий вид установки для капсулирования изоляции обмотки якоря тепловым излучением: 1 - якорь; 2 – генератор теплового излучения; 3 – щкаф управления; 4 – клиноременная передача; 5 - муфта; 6 – опорные резиновые ролики; 7 – задняя букса; 8 – асинхронный трехфазный двигатель Установка состоит из двух основных узлов. Первым узлом является станина с пристроенным частотно- регулируемым асинхронным электродвигателем и редуктором. Станина предназначена для размещения, фиксации и обеспечения плавного вращательного движения якоря 1. Второй узел – генератор теплового излучения 2. Он состоит из девяти импульсных керамических преобразователей излучения с номинальной мощностью 4,5 кВт, которая регулируется тиристорным регулятором мощности. Размещение и фиксация якоря на станине осуществляется при помощи приводно-опорного и опорных резиновых роликов 6 и задней буксы 7. Частично-регулируемый привод предназначен для обеспечения плавного вращательного движения якорю ТЭМ в широком диапазоне скоростей. Он состоит из: магнитного пускателя и преобразователя частоты (расположенных в шкафу управления 3); асинхронного трехфазного короткозамкнутого двигателя 8; клиноременной передачи 4. Резиновые ролики соединены с асинхронным двигателем с помощью муфты 5. 74 Конструкция генератора теплового излучения позволяет моделировать процесс капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря путём управления температурным режимом в зависимости от состава пропиточных материалов. Математическую модель кинетики нагрева пропитанной изоляции можно получить на основании структурно-логической модели, представленной на (рисунок 3.3). Поэтому, используя классические законы теплового излучения можно все этапы по преобразованию электрической энергии в энергию теплового эффекта в процессе капсулирования представить в виде структурно-логической модели (рисунок 3.3). По функциональному признаку выделено три операции. Целевое назначение ИК-нагрева в операции по удалению влаги (сушка) перед пропиткой заключается не только в удалении излишней влаги из изоляции после очистки и мойки, но и в прогреве лобовой части перед пропиткой с целью удаления старого связующего. Целевое назначение ИК-излучения в операции по пропитке изоляции лобовой части заключается в эффективных режимах транспортировки пропиточной смеси в глубь изоляции вплоть до меди путём использования импульсных керамических излучателей. Целевое назначение ИК-нагрева в операции по запеканию пропиточной смеси на меди и созданию монолитной оболочки на лобовой части заключается в выборе эффективных режимов полимеризации для повышения влагостойкости и вибростойкости при высоких показателях теплопроводности и теплоотдачи. 75 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ 3-х фазный ток 50 Гц НАГРЕВ энергия ИК-излучения ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СУШКА, НАГРЕВ Плотность мощности ИК-излучения р = 1...10 кВт/м2 Удаление влаги после мойки Плотность мощности ИК-излучения р = 1...6 кВт/м2 Термическое разрушение старого связующего Плотность мощности ИК-излучения р = 6...10 кВт/м2 ПРОПИТКА Плотность мощности ИК-излучения р = 10...15 кВт/м2 ИК-НАГРЕВ Компаундами Плотность мощности ИК-излучения р = 11...13 кВт/м2 Лаками Плотность мощности ИК-излучения р = 10...12 кВт/м2 Новыми пропиточными составами Плотность мощности ИК-излучения р = 10...12 кВт/м2 ЗАПЕКАНИЕ Плотность мощности ИК-излучения р = 15...20 кВт/м2 Низкотемпературная полимеризация Плотность мощности ИК-излучения р = 15...17 кВт/м2 Среднетемпературная полимеризация Плотность мощности ИК-излучения р = 16...18 кВт/м2 Высокотемпературная полимеризация Плотность мощности ИК-излучения р = 18...20 кВт/м2 Рисунок 3.3 - Структурно-логическая модель технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток ТЭМ Структурно – логическая модель символически указывает на энергетическую взаимосвязь на всём пути преобразования электрической энергии в конкретной операции с её целевым назначением. Она, вместе с тем, открывает 76 дорогу к выбору математических моделей по обоснованию тепловых режимов в конкретной операции. Задачей аналитического описания кинетики нагрева в технологии капсулирования лобовой ИК-излучением, как следует из логической модели, является нахождение связей между плотностью мощности и предельно допустимыми значениями температуры и скорости нагрева лобовой части обмотки якоря [66,67,68,69]. Математическая модель должна воспроизводить подходящим образом кинетику нагрева ИК-излучением. Кривые нагрева пропитанной изоляции, полученные в диссертационной работе экспериментально в процессе ИКизлучения, будут иметь типичный экспоненциальный характер, описываемый уравнением вида max 1 e T , н где (3.1) – превышение температуры, К; max – максимальное превышение температуры, К; – время процесса, с; Тн – постоянная времени нагрева пропитанной изоляции, с. Это обстоятельство позволяет строить математические модели на основе известных законов, определяющих связь между входами и выходами. В данной ситуации общей методической основой этих моделей может служить дифференциальное уравнение энергетического баланса, при помощи которого можно установить правила соответствия, связывающие взаимодействие системы «излучатель-лобовая часть» в технологии капсулирования. Такой подход впервые был предложен П.Д. Лебедевым [70] при исследовании технологии сушки песка с использованием ИК-энергоподвода. Сделано это было с целью получения более высокой достоверности между теоретическими и экспериментальными исследованиями, так как использование из теории теплового излучения других методик с их многочисленными допущениями и коэффициентами приводит к значительным погрешностям в расчётах тепловых режимов. Для построения конкретной модели необходимо обладать необходимым количеством данных об 77 излучателе и пропиточной смеси, а также в целом о функциональном назначении операции. В каждом конкретном случае, в зависимости от целевого назначения операции, свойств излучателя и пропиточной смеси, возможны видоизменения этого уравнения по количеству членов и некоторым коэффициентам. Такие модели требуют предварительных знаний и экспериментальной проверки адекватности их процессу нагрева ИК-излучением. Все три операции связаны и объединены между собой ещё и тем, что получение математических моделей кинетики нагрева можно организовать на основе дифференциального уравнения энергетического баланса состоящего из двух частей – левой и правой. В левой части уравнения необходимо представить приход энергии к лобовой части, в правой расход энергии на нагрев, испарение жидкости и на конвективные и радиационные потери. Приведём методику составления, и решения дифференциального уравнения энергетического баланса с целью получения математических моделей для расчёта тепловых режимов в технологии капсулирования лобовой части. Капсулирование изоляции лобовых частей обмоток вращающихся электрических машин в оболочку, полученную в результате взаимодействия системы «излучатель- обработанная пропиточной смесью изоляция лобовой части» – это, с одной стороны, сложный процесс одновременно тепломассопереноса, а с другой – технологический процесс, при осуществлении которого нужно повысить ресурс электрической машины [71,72,73]. По классификации, разработанной А.В. Лыковым [74], непропитанные изоляционные материалы можно отнести к группе капиллярно – пористых тел. После пропитки лаками или компаундами эти материалы необходимо отнести к группе капиллярно – пористых – коллоидных тел. По природе и величине энергии связи эти материалы следует отнести к веществам с адсорбционно связанной влагой и растворителем, у которых содержание этих веществ, может составлять до 60 % по объему. Л.М. Никитиной [75] установлено, что при удалении адсорбционной связанной жидкости расход теплоты эквивалентен работе изотермического 78 отрыва её. Л.М. Никитина приводит величины энергии связи жидкости для более 1400 видов материалов, в том числе для растворителей и воды. Теоретический расход энергии для испарения, например, 1 кг воды составляет 0,6 кВт ч. Для пропиточных смесей этот показатель ниже на 30…50 %. Аналитическое выражение по расчету работы отрыва 1 моля воды при изотермическом обратимом процессе без фазовых превращений, предложенное А.В. Лыковым, выглядит так: ЭM A Ry t ln Pн Ry t ln J , Pn (3.2) где А – изменение свободной энергии; J – относительное давление пара, равное отношению давления пара материала при данном влагосодержании, к давлению пара воды Рн (давление насыщенного пара при температуре t); Ry – универсальная газовая постоянная, равная 8,32 кДж/К·моль. Как видно из формулы А.В. Лыкова [76], доля теплоты, необходимая для преодоления энергии связи влаги с материалом при сушке изоляционных материалов, весьма незначительна. Это объясняется ещё и тем, что изоляционные материалы высушиваются не до полного удаления из них влаги, а до влажности 0,5…1,0 %. Сведения из молекулярной физики, рассмотренные применительно к процессу удаления влаги путем паропреобразования, указывают на необходимость применения наиболее жестких температурных режимов. Опыт сушки изоляционных материалов показал, что наилучшие показатели будут получены в тех случаях, когда удаление излишней влаги будет происходить из материала в более короткое время, но без существенных фазовых превращений. Это указывает на то, что нагрев изоляционных материалов в операции сушки желательно осуществлять при невысокой концентрации потока ИК-излучения [67,77,78]. 79 Рассмотрим случай, когда излучение падает на слой пропитанного изоляционного материала с одной стороны. Элементарная энергия, потребляемая источником излучения за время dτ dA P d , где (3.3) Р – мощность источника излучения, Вт; – время процесса, с. Для трехфазных излучателей P 3U I , где (3.4) I – ток излучателя, А; U – напряжение, В. Считая, что промежуточная среда между излучателем и материалом не поглощает энергию, элементарная энергия, поглощенная материалом за время dτ dA' A P d , (3.5) где – КПД излучателя; А – поглощательная способность пропитанной изоляции. Поглощенная энергия будет расходоваться на нагрев материала, на потери теплоты в окружающую среду путём конвенции и излучения, на испарение растворителя. где A P d C dt Pk d Pи d Pисп d , С – теплоемкость материала, Дж/К; (3.6) t – температура материала, К. Теплоемкость изоляции где C с уд М , суд – удельная теплоемкость материала, Дж/К кг; (3.7) М – масса материала, кг. Удельная теплоемкость влажных изоляционных материалов с (100 ) св сc.в. 100 св u с уд c.в. , 100 100 u где (3.8) сс.в., св – соответственно удельная теплоемкость сухого вещества изоляции и жидкости, Дж/К ·кг; 80 ω, u – соответственно влажность и влагосодержание изоляционного материала, %. Тепловые потери Рк·d, возникающие в результате конвективного теплообмена между материалом и окружающими поверхностями Pк к F (t t 0 ) , где (3.9) к – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/К, м ; 2 F – площадь теплообмена, м2; t – температура материала, К; t0 – температура окружающей среды, К. Для вычисления коэффициента конвективного теплообмена в случае теплопередачи от плоской вертикальной поверхности при естественной воздушной конвекции может быть использовано следующее уравнение k 2,55 4 t t0 , где (3.10) t и t0 – соответственно температура материала и окружающей среды в градусах Кельвина. В это уравнение укладываются результаты опытов ряда исследователей (Нуссельта, Хенки, Лоренца) [58]. Позднейшие исследования теплопередачи поверхностями различных форм и размеров и экспериментальные данные обобщены М.А. Михеевым, который принял за определяющий геометрический размер для труб и шаров их диаметр, для вертикальных плит – их высоту; в качестве определяющей температуры взял среднюю температуру пограничного слоя tср t t0 2 и представил зависимость между критериями подобия в виде следующей степенной функции N u a (Gr Pr ) n , где (3.11) Nu – критерий Нуссельта, представляющий приведенный коэффициент теплоотдачи; Gr – критерий Грасгофа, характеризующий условия свободной конвекции; Рr – критерий Прандтля, характеризующий физические свойства жидкости или газа; 81 a, n – постоянные. После преобразования и подстановки постоянных, равенство (3.10) принимает вид, более удобный для численных расчётов в частности, для вертикальных поверхностей, при ( Gr Pr )> 2∙107 k 0,135( V j Pr )1/ 3 где 2/3 t1/ 3 t1/ 3 , V – температурный коэффициент объемного расширения, К-1; (3.12) j – ускорение силы тяжести, м/с2; – коэффициент теплопроводимости, Вт/К∙м; – коэффициент кинематической вязкости, м2/с; t – разность температур материала и окружающей среды; – коэффициент, зависящий от температуры материала (таблица 3.1). Таблица 3.1 - Зависимость коэффициента от температуры материала С 0 50 100 200 300 500 ε 1,72 1,62 1,54 1,40 1,31 1,19 Значение аргумента ( Gr , Pr ) = 2∙107 при естественной воздушной конвекции соответствует величинам определяющего геометрического размера материала: l > 15 см. Для значения l < 15 см, при ( Gr Pr ) = 5∙107, используется другое выражение для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией k 5,62 ( t )1/ 4 , l (3.13) где l – размер материала в миллиметрах. 0,54(V j Pr )1/ 4 1/ 2 . (3.14) Для сравнения между собой значений к, вычисленных по формулам (3.10) и (3.12), был подсчитан ряд значений к для различных t – t0, а также удельные конвективные потери рк F Рк на основе выражения 82 рк k (t t0 ) . F (3.15) Значения к, вычисленные по формулам (3.10) и (3.12) для одинаковых температур, расходятся не более чем на 7-10 %, а такое расхождение допустимо. При расчетах ИК-нагрева можно пользоваться и той и другой формулами, имея ввиду, что значения конвективных потерь Рк, вычисленные при использовании формулы (3.10), по-видимому, несколько завышены. Формула (3.12) менее удобна для вычислений, но обоснована на большом экспериментальном материале и более точна. Эту формулу можно применять для расчета коэффициента для плоских горизонтальных конфигураций. В этом случае за определяющий геометрический размер принимается не высота потока материала, а меньшая его сторона. Если при этом теплоотдающая поверхность потока материала обращена кверху, то получаемое из формулы (3.12) значение следует увеличить на 30 %; если она обращена книзу – соответственно уменьшить на 30 %. Тепловые потери Рu, возникающие в результате лучистого теплообмена между облучаемым материалом и окружающими поверхностями t Pu u F ( t ) 4 ( 0 ) 4 , 100 100 (3.16) где u – коэффициент теплообмена излучением, Вт/К4∙м2. u 0 еu , еu где 1 1 F 1 ( 1) , eп Fk eк е u – приведённый коэффициент излучения системы; еп – коэффициент излучения изоляции и меди; ек – коэффициент излучения поверхности, окружающей материал; 0 = 5,7 Вт/ К4·м2 – коэффициент излучения абсолютно черного тела; F – поверхность материала, м2; Fk – поверхность окружающей среды, м2. Мощность, необходимая на испарение влаги (3.17) (3.18) 83 Pисп i r , где (3.19) i – интенсивность испарения, кг/с; r – скрытая теплота испарения влаги, Дж/кг. Превышение температуры материала над температурой окружающей среды и обозначим эту величину t t0 . (3.20) Уравнение (3.6) перепишется так ( A P ir) d Cd ( Pк Pи ) d . Решение дифференциального уравнения (3.21) (3.21) методом разделения переменных, при некоторых допущениях, дает следующий результат θ θmaх 1 e τ/Tн θнач e τ/Tн , где (3.22) max – максимальное превышение температуры материала, К; нач – начальное превышение температуры материала, К; Тн – постоянная времени нагрева материала, с. max AQP ir F где (3.23) , QF – теплоотдача с поверхности материала конвекцией и излучением, Вт/К. QF ки F , где (3.24) кu – суммарный коэффициент теплообмена конвекцией и излучением, Вт/К·м2. ки к и , где (3.25) к – коэффициент конвективного теплообмена, Вт/К·м2; `u – приведенный к конвективному коэффициенту теплообмена излучением, Вт/К∙м2. С учетом (3.24) уравнение (3.23) перепишем как max ( A P ir ) 1 , F F ки (3.26) 84 2 где Р F – плотность мощности Вт/м . Если температура материала и температура окружающей среды в начале процесса сушки имеют одинаковое значение, что имеет место часто на практике, тогда нач = 0. Уравнение (3.22) перепишем как Tн Tн max (1 e ) ( A FP irF ) 1 (1 e ) . ки (3.27) Выражение (3.27) представляет собой уравнение кинетики нагрева, по которому можно с помощью вычислительной техники рассчитать режим нагрева в зависимости от плотности мощности и по основным характеристикам излучателя и материала. Такой расчёт для изоляционных материалов показал, что если плотность мощности ИК-излучателя будет находиться больше значений порядка 10000 Вт/м2 (10 кВт/м2), увлажнённая изоляция может нагреваться в течение 100 секунд до температуры, превышающей 100 С. Чтобы определить скорость нагрева, необходимо уравнение (3.27) продифференцировать по времени τ dθ θmax Т н е . d Тн (3.28) С другой стороны, согласно этому же уравнению (3.27) ( max ) max е Тн , (3.29) поэтому d d maxTн (3.30) . Исследуем уравнение (3.30) на экстремум. Для этого необходимо приравнять его к нулю d max d T н 0. (3.31) Уравнение (3.31) удовлетворяет в случае, когда его числитель равен нулю, тогда 85 ( A P ir ) 1 пред.доп. (3.32) F F ки Уравнение (3.32) выражает условие эффективной термообработки ИК- нагревом, которое можно сформулировать следующим образом: скорость нагрева увлажнённой или пропитанной изоляции до предельно допустимой температуры в процессах капсулирования изоляции ИК-нагревом не должна превышать значений, получаемых в результате деления предельно допустимой температуры для данного класса изоляции на постоянную времени нагрева её. Или в математической форме Vпред.доп. где Vпред. доп t пред. доп. , Tн (3.33) – предельно допустимая скорость нагрева для данного класса изоляции, К/с; tпред.доп. – предельно допустимая температура нагрева для данного класса изоляции, К; Тн – постоянная времени нагрева увлажнённой или пропитанной изоляции, с. Постоянная времени нагрева является характеристикой пропитанной изоляции. Она не зависит от подводимой мощности и численно равна отношению теплоемкости тела к его теплоотдаче Tн где C , Qпр (3.34) С – теплоемкость пропитанной изоляции, Дж/К; Qпр – теплоотдача пропитанной изоляции, Дж/Кс. Уравнение (3.34) можно переписать в следующий вид Tн C c уд M , Q F где суд – удельная теплоемкость изоляции, Дж/кгК; М – масса пропитанной изоляции, кг; – коэффициент теплообмена пропитанной изоляции, Дж/м2Кс; F – площадь внешней поверхности лобовой части якоря, м2. (3.35) 86 Массу пропитанной изоляции можно представить как M V , где (3.36) – плотность пропитанной изоляции, кг/м3; V – объем пропитанной изоляции, м3. Тогда выражение для постоянной времени нагрева можно представить в виде Tн c уд V . F (3.37) Обозначим отношение V F , тогда выражение для постоянной времени нагрева запишем как Tн По своей сути c уд . представляет (3.38) собой обобщенный показатель геометрической характеристики пропитанной изоляции. Этот показатель, как следует из вышеизложенного, можно определить при наличии геометрических размеров материала. Однако, как следует из уравнения (3.38), для определения постоянной времени нагрева материала кроме обобщенного показателя необходимо иметь данные по его удельной теплоёмкости, плотности и коэффициенту теплообмена. Все эти три физических параметра зависят в основном от содержания жидкости в материале, с увеличением которой увеличивается удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплообмена. Степень этих зависимостей можно найти в справочной и учебной литературе по теплофизическим свойствам материалов [75]. На современном этапе развитие технологий с использованием ИКизлучения для решения научных и практических проблем определяется выбором режимов работы излучателей. В этом случае рациональный режим термообработки при максимальном значении критерия количественной и качественной оценки эффективности работы облучателя может быть осуществлен только в случае применения осциллирующих режимов ИК-энергоподвода. Одним 87 из первых осциллирующий режим ИК-энергоподвода (рис. 3.4) описал А.В. Лыков (прерывное облучение) [76]. Рассмотрим и проанализируем различные варианты ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции [64,79,80,81,82,83]. Р Р Р Р Р Р Р Р Р tмин t'макс tмакс Температура нагрева изоляции t, °С Мощность ИК-излучателя Р, Вт Тн τр τп Тн Tц Время операции в технологии капсулирования изоляции τ, мин Рисунок 3.4 - График осциллирующего ИК-энергоподвода В принципе процесс капсулирования изоляции ИК-излучением можно с позиций энергоподвода организовать по следующим схемам: 1. непрерывный ИК-энергоподвод; 2. осциллирующий (прерывный) ИК-энергоподвод. При непрерывном ИК-энергоподводе излучатели остаются включенными в течение всего процесса капсулирования неподвижной изоляции. При осциллирующем ИК-энергоподводе происходит или чередование периодов включения и отключения излучателей, или при постоянно включенных излучателях чередование подачи изоляционного материала к постоянно включенному излучателю. В течение промежутка времени τр изоляция лобовой части якоря, расположенная напротив включенных ИК-излучателей, нагревается со значительным испарением жидкости в поверхностных слоях, а в течение 88 промежутка времени τп обмотки секций якоря, не попадающие под ИКизлучатели, охлаждаются аккумулированной в результате теплоты. испарения Чередование жидкости сегментов лобовых за счёт частей вращающегося якоря, попадающих в промежутки τр и τп происходит с периодом повторения Тц. Среднее значение мощности электронагревателя зависит от соотношения величин τр и Тц. Отношение τр к Тц является коэффициентом относительной продолжительности ИК-энергоподвода и обозначается индексом р Tц р р п . (3.39) Следовательно, изменяя значения τр и Тц, можно управлять процессом сушки изоляции. В соответствии с теорией сушки соотношение между периодами нагрева τр и охлаждения τп изоляции определяется величиной коэффициента диффузии влаги. Чем меньше коэффициент диффузии, тем, очевидно, необходимо иметь больший период паузы. В процессе сушки изоляции необходимо стремиться к такому соотношению τр /τп, при котором зависимость между влагосодержанием и временем нагрева линейна. Температура обмоток ТЭМ изменяется по отрезкам экспоненциальных кривых и достигает установившихся колебаний со сравнительно небольшими амплитудами. Вследствие охлаждения обмоток во время пауз наибольшая температура t’макс будет меньше температуры tмакс, которая имела бы место при длительной работе. При осциллирующем ИК-энергоподводе температура перегрева t’макс не будет превышать предельно допустимого значения для данного класса изоляции. Таким образом, температура в конце рабочего участка τр достигнет t макс t макс 1 е р Т н t Температура в конце паузы понизится до мин е р Т н . (3.40) 89 t мин t макс е п То (3.41) . Подставляя в выражение (3.40) значение tмин из (3.41), получим t макс t макс 1 е р Т н t макс е р Т н п Т о . (3.42) Решая (3.42) относительно t’макс, будем иметь t макс t макс 1 e 1 е р Т н р Т н п Т о . (3.43) Так как при осциллирующем ИК-энергоподводе теплоотдача с поверхности материала во внешнюю среду, как при нагреве, так и при охлаждении остается неизменной, принимаем Тн То . (3.44) С учетом уравнения (3.39, 3.44) в диссертационной работе получена формула по выявлению эффективной скважности периода работы излучателей в технологии капсулирования изоляции с осциллирующим режимом ИК- энергоподвода t макс 1 e р t макс Т 1 е ц Тн Тн . (3.45) Использование формулы (3.45) при решении задач исследования по выявлению эффективной скважности импульса работы излучателей (внутренний перенос тепла и массы) и выработке рекомендаций по расчёту 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. Только не следует забывать о том, что получение осциллирующих режимов ИК-энергоподвода необходимо обеспечивать не путём включения и отключения излучателей при помощи специальных ключей, а путём 90 обеспечения этого режима при постоянно включенных излучателях. Это позволит на порядок повысить надёжность и долговечность излучателей, так как будут исключены пусковые режимы. Для получения характеристик по кинетике нагрева пропитанной изоляции тепловым излучением, необходимо иметь данные по постоянной времени нагрева при различных характеристиках перспективных пропиточных материалов. В настоящее время на отечественных и международных рынках рекомендуются перспективные пропиточные материалы для использования их в технологиях продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава железных дорог. Эти данные использованы для получения характеристик по кинетике нагрева изоляции тепловым излучением при различной плотности мощности излучения по вышеприведенным уравнениям и с учётом постоянной времени нагрева пропиточного материала. Методика и программа получения кривых нагрева для различных пропиточных материалов представлена ниже. Кривые нагрева для различных пропиточных составов и основных параметров теплового излучения были получены в среде EXCEL. Для лака ФЛ-98 получена зависимость (таблица 3.2), на основании уравнения (3.45) показана на (рисунок 3.5). Таблица 3.2 - Кривые нагревания лобовой части якоря электрической машины в зависимости от мощности излучателей № С, Р, t max, Дж/°С Вт °С ∑μ, Дж/°С ×с× τ, с А, Т, кВт ч с 0 300 600 900 1200 1500 1800 м 2 1 0,8 250 183,497 3,915 0,00681 117,4380 0 169,234 182,388 183,410 183,490 183,496 183,497 2 0,8 500 229,371 6,264 0,01089 73,3988 0 225,521 229,306 229,370 229,371 229,371 229,371 3 0,8 1000 227,245 10,44 0,018165 44,0392 0 274,942 275,245 275,245 275,245 275,245 275,245 91 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 Температура, Сͦ 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 P=250 800 1000 Время, с 1200 P=500 1400 1600 1800 2000 P=1000 Рисунок 3.5 - Кривые нагрева лобовой части якоря при разной мощности излучателя для лака ФЛ-98 92 Для компаундов ВЗТ-1 и Элпласт-155ИД расчёт проведен в приложении №7. 3.3. Технология процесса капсулирования открытой лобовой части якорной обмотки тяговой электрической машины при тепловом излучении Процесс полимеризации состоит в последовательном многократном присоединении молекул мономеров друг с другом и в зависимости от механизма реакции полимеризация делится на цепную и ступенчатую. Как и всякая химическая реакция протекает с разрывом одних валентных связей и с возникновением новых. Разрыв связей может происходить гомолитически с возникновением свободных радикалов или гетеролитически с образованием ионов. Механизм реакции полимеризации разработан С.С.Медведевым, Х.С. Багдасарьяном и другими исследователями на основании теории цепных реакций, разработанных академиком Н.Н. Семеновым лауреатом Нобелевской премии. Для реакции цепной полимеризации присуще то, что развитие кинетической цепи сопровождается ростом молекулярной цепи и промежуточные частицы нестабильны. Эти активные центры передаются другим мономерным звеньям, и после каждого присоединения количество активных звеньев остается постоянным, а длина растущей полимерной частицы увеличивается. Согласно теории цепной реакции процесс полимеризации протекает в три стадии. 1. Образование активного центра, инициирование: А → А* 2. Рост цепи: А* + А → А1* А1* + А → А2* активные …………………… частицы Аn-1* + А → Аn* 3. Обрыв цепи: 93 Аn* + Аm* → Аn Аm (макромолекула) В нашем случае процесс полимеризации обусловлен переходом связующего (лака или компаунда либо другого пропиточного состава (из жидкого состояния в твёрдое в результате удаления из связующего растворителя путём сушки. Высокотемпературная полимеризация тепловым излучением может привести к стеклованию (оформление связующего в капсулу). 94 4. КОМПЛЕКС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ЯКОРЕЙ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ОТКРЫТЫМИ ЛОБОВЫМИ ЧАСТЯМИ 4.1. Основные этапы при проведении экспериментальных исследований Необходимость внедрения технологии капсулирования изоляции отдельных частей тяговых и вспомогательных электрических машин была установлена в период эксплуатации электровозов серии ВЛ85 на ВСЖД. Как известно, эти машины были разработаны с целью эксплуатации их в зоне БАМ. В 1985 году Новочеркасский электровозостроительный завод изготавливает установочную партию электровозов, а с 1986 года начинается их серийный выпуск. Выпуск электровозов продолжался до 1992 года, всего было изготовлено 270 электровозов. Все электровозы ВЛ85 в настоящее время приписаны к локомотивному эксплуатационному депо Нижнеудинск Восточно-Сибирской железной дороги. Полигон работы электровозов ВЛ85 простирается от ст. Мариинск Красноярской ж.д. до ст. Карымской Забайкальской ж.д. В свое время данный тип электровозов эксплуатировался на БАМ депо приписки Северобайкальск, Южно-Уральской ж.д. депо приписки Карталы, Красноярской ж.д. депо приписки Абакан и Иланская, Восточно-Сибирской ж.д. депо приписки Вихоревка, Улан-Удэ, Иркутск, Нижнеудинск. При поступлении на ВСЖД на первом этапе их поступления основным полигоном их обращения был «северный» ход на участке Тайшет- Таксимо. Примерно с 1996 года, т.е. через семь-восемь лет эксплуатации начались массовые отказы ТЭМ с показателем «якорь – ноль». Для решения вопроса по снижению отказов оборудования был проведен анализ работы всего 95 оборудования электровоза ВЛ85 в 1999 по 2001 годах. При котором были установлены наиболее затратные моменты по отвлечению электровозов от перевозочного процесса. Усовершенствована технология ремонта ТЭМ НБ-514 при выполнении ремонта в объеме ТР-3. Выявлено, что якорю ТЭМ помимо операций предусмотренных технологией, также требовалась дополнительная работа по восстановлению открытой лобовой частью со стороны противоположной коллектору. В связи с этим для продления ресурса ТЭМ разработана технология, учитывающая дополнительную пропитку и сушку лобовой части со стороны противоположной коллектору. Технология включала следующие операции: очистку от пыли и смазки, промывку; сушку в стандартных конвективных печах для удаления влаги; пропитку лобовой части в специальной ёмкости лаком ФЛ-98 методом окунания; сушку якорей в конвективных печах. В летний период 2001 года руководством локомотивного депо было принято решение о дополнительной пропитке и последующей сушке изоляции лобовых частей обмоток якоря со стороны противоположной коллектору. Технология проведения этих операций осуществлялись по разработанной методике. Она заключается в периодической пропитке и сушке задней лобовой части якорной обмотки. Операции по пропитке лобовой части якорной обмотки осуществляются методом окунания её в ёмкость с пропиточным составом. Операции по сушке лобовой части якорной обмотки осуществляются в конвективных печах путем нагрева всего якоря. Также в условиях депо и ремонтного завода условиях для ликвидации локального отказа была предложена следующая технология. С помощью высоковольтных установок на испытательных станциях определялось место локального пробоя на лобовой части якоря. Слесари по ремонту тяговых электрических машин с помощью эпоксидных материалов ликвидировали эти отказы, и якори поступали в эксплуатацию без перемотки обмотки. В результате введения этих технологий количество отказов по ТЭМ типа НБ-514 было снижено более чем в 1,7 раза [84,85,86]. Факт уменьшения отказов в 96 результате дополнительной пропитки и сушки якорей был подтверждён актами и отчётами. Последующий анализ показал, что приведенная технология продления ресурса изоляции ТЭМ при ТР-3, средних и капитальных ремонтах не отвечает современному состоянию научно-технического прогресса. Для обеспечения высокой электрической и механической прочности, термои влагостойкости, повышения и продления ресурса изоляции электрических машин с открытыми головками секций предлагается новый способ капсулирования лобовых частей обмоток с использованием управляемого электромагнитного излучения ИК диапазона. Решение проблемы достигается путём совмещения операций пропитки и сушки [87]. Существенный вклад на всех этапах проведения экспериментальных исследований внесли специалисты локомотивного депо Нижнеудинск Шкурихин С.Н., это Петренко В.В., Бочаров А.Н., Стецив Д.В., Исаченко А.И., Алексеев Д.Ю. и другие, а также сотрудники Иркутского государственного университета путей сообщения Худоногов А.М., Смирнов В.П., Лыткина Е.М, Дульский Е.Ю. 4.2. Разработка метода и средства по герметизации компаундом изоляции лобовой части якорной обмотки тяговых электрических машин НБ-514 В локомотивном депо Нижнеудинск ВСЖД под руководством учёных «Иркутского государственного университета путей сообщения» разработана и силами работников депо изготовлена установка для повышения ресурса ТЭМ НБ514 с использованием ИК-излучения. Включающей технологические операции – нанесение компаунда на изоляцию лобовой части обмоток ТЭМ и капсулирование её с помощью энергии ИК-излучения, осуществляется периодическим погружением сегментов изоляции 97 лобовой части обмотки вращающейся ТЭМ в емкость с компаундом и капсулирование ее энергией ИК-излучения, отличающейся тем, что технологические операции - нанесения компаунда на изоляцию лобовой части обмотки тяговой электрической машины и капсулирование ее ИК-излучением осуществляется одновременно. Метод герметизации компаундом изоляции лобовой части якорной обмотки ТЭМ НБ 514 заключается в следующем: исключить попадание влаги и как следствие пробои изоляции якоря, со стороны противоположной коллектору пропитав компаундом класса изоляции F. Сушку выполнить с помощью энергии ИК-излучения. 4.3. Выбор инфракрасного излучателя Спектральные характеристики инфракрасных излучателей зависят в основном от температуры нагрева излучателя и в настоящее время достаточно хорошо изучены [88]. Однако методика исследования по согласованию спектральных характеристик инфракрасных излучателей и оптических свойств пропиточных материалов подстраиваются под серийно выпускаемые кварцевые галогенные лампы-излучатели типа КГ (КИ). Кварцевые галогеновые излучатели – это инфракрасные излучатели с наибольшей интенсивностью излучения. В зависимости от желаемого спектра излучения используются 2 различных вольфрамовых проводника: - звездчатая спираль для средневолновых галогеновых излучателей (QTx); - поддерживаемая нить накала для коротковолновых галогеновых излучателей (QHx). Время нагрева и охлаждения обоих вариантов составляет несколько секунд, поэтому они особенно подходят для областей использования с коротким временем цикла. 98 Для монтажа и эксплуатации, кварцевых галогеновых излучателей требуются специальные рефлекторы и держатели. Рефлектирующее устройство – важный компонент каждого инфракрасного нагревателя. Благодаря использованию рефлекторов обеспечиваются: - лучшая направленность излучения; - малые потери излучения на обратную сторону; - хорошая механическая защита излучателей и прежде всего элементов соединительных. Поверхность, покрытая алюминием, обеспечивает оптимальное отражение теплового излучения. Наряду со стандартными рефлекторами возможна также термически изолированная модель [89,90]. Получается, что к излучателю подбирается пропиточный лак, а не наоборот. Кроме того, в работах не учитывается степень черноты различных типов инфракрасных излучателей. Если для процесса нагрева используются ИКизлучатели, то экономичное нагревание будет связано со степенью излучения (черноты). Высокий эффект будет достигнут в том случае, когда будут учитываться такие спектральные характеристики ИК-излучателей, как степень излучения и температура нагрева излучателя [91,92,93,94,95]. Два одинаковой ИК излучателя температуре при будут действовать совершенно по-разному [83]. Рисунок 4.1 - Рефлекторы для а) кварцевых вольфрамовых и галогеновых излучателей свойств. б) 99 Это можно доказать теоретически, используя классическую электромагнитную теорию. Согласно классической электромагнитной теории степень черноты инфракрасных излучателей может быть вычислена с помощью их электрических свойств. Решение уравнений Максвелла дают возможность по электрическим магнитным свойствам вещества определять значение показателя преломления и показателя поглощениях. Эти значения определяются по следующим уравнениям: n 2 x 2 C02 2 0 1 1 2 C0 re C02 2 2 12 , 0 1 1 2 C0 re (4.1) 2 12 . (4.2) В случае использования для инфракрасных излучателей тел накала из металлов и полупроводников, когда rе сравнительно с диэлектриками, при 0 2 C 0 re относительно больших длинах волн становится определяющим и эти формулы преобразуются в следующую формулу (магнитную проницаемость принимаем равной μ0); nx где 0 C 0. 4 re 3C 0 0 re (4.3) μ0 – абсолютная магнитная проницаемость среды; γ – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; С0 – скорость электромагнитной волны в вакууме; λ0 – длина волны в вакууме; rе – удельное сопротивление материала. В уравнении (4.2) все величины подставлены в системе СИ. Если λ0 измеряется в мкм, а rе - Ом·см, формула примет вид: 100 nx 0.003 0 , re (4.4) в которой, она известна как уравнение Хагена-Рубенса. Если электромагнитная волна падает на поглощаемую среду тогда (n2 1) 2 x22 p , n ( ) , (n2 1) x22 где (4.5) р – отражательная способность; подстрочные индексы: 0 – вакуум, 1,2 – среда 1 или 2. При n = x уравнение (4.4) сведется к следующему выражению для материала с показателями преломления n, излучающего в направлении нормали в воздух или вакуум: 2n 2 2n 1 , n ( ) 1 p , n ( ) 1 2 , 2n 2 n 1 (4.6) Подставив (4.3) в (4.5), получим уравнение для спектральной степени черноты в направлении нормали, известную как уравнение Хагена-Рубенса 2 n ,n ( ) 1 p ,n ( ) 1 1 2 0.0030 / re . (4.7) Спектральную степень черноты в направлении нормали, определенную уравнением (4.4) можно проинтегрировать по всем длинам волн и получить интегральную степень черноты в направлении нормали. Такая операция приводит к следующему выражению интегральной степени черноты уравнение (4.7). (T ) 0.0347 re, 273 T , где rе, 73 (4.8) – удельное сопротивление при 273ºК (0ºС), измеряемое в Ом·см; Т – температура в градусах Кельвина. Таким образом, и спектральная и интегральная степень черноты зависят от удельного сопротивления материала. Чем больше удельное сопротивление 101 материала, тем выше эти показатели. Интегральная степень черноты зависит еще от температуры нагрева материала. Из всех электротехнических материалов наибольшую интегральную степень черноты имеет графит. Отношение степени черноты будет показывать экономичность сушки. Зная этот показатель, можно вычислить показатель эргономии излучателя, выполненного из материала, испускающего излучение по уравнению ПЭ п (T ) n (T ) , n (T ) 0,251 103 i i (4.9) граф где εʹ п (Т) – интегральная степень черноты i-го материала, испускающего излучения, Ом·см·К; εʹ n граф (Т) - интегральная степень черноты графита; εʹ n граф (Т) = 0,251 •103 Ом• см•К. Эти сведения из классической электромагнитной теории имеют большое практическое значение при анализе взаимодействия системы «излучатель пропиточный лак» в технологических процессах по восстановлению изоляционных свойств, лобовой части обмотки якоря ТЭМ типа НБ-514. Если использовать в качестве тел накала для источника излучения материалы с малым удельным электрическим сопротивлением, следовательно, с низкой степенью черноты, то в процессе сушки пропитанной изоляции будем иметь неоправданные потери энергии. Поэтому в данном случае предпочтение следует отдать излучателям с телами накала, обеспечивающим его высокие радиационные свойства. К таким излучателям можно отнести различные керамические излучатели [96]. При температуре излучателя от 300°C до 750°C объемные керамические излучатели излучают средне - и длинноволновое ИК-излучение от 2,5 до 10 нм. Благодаря широкому спектру излучения и своим великолепным свойствам, таким как очень длительный срок службы, легкая замена и точное 102 позиционирование тепловой энергии, объемные керамические излучатели используются во многих, самых различных случаях. Классические примеры – это термоформовка, лакирование, печать или сушка. Непромышленные применения – например, ИК сауны, обогрев для террас или поддержание готовых блюд в горячем состоянии в сфере питания. Поверхность излучателя покрыта глазурью и тем самым защищена от загрязнения и окисления. Керамические полые излучатели – это усовершенствование традиционных керамических излучателей. Благодаря, обусловленному массой, примерно на 40% более короткому времени нагрева они применяются, прежде всего, в цикличных и часто прерываемых рабочих процессах. Через пустотелый тепловой барьер с задней стороны они к тому же излучают меньше энергии назад, что увеличивает их КПД. Благодаря этому экономится до 15% электрической энергии и щадится окружающая корпусная конструкция. Излучатели, выполненные на основе фарфора, пленочные полупроводниковые излучатели, селитовые и слюдопластовые излучатели, которые по своим радиационным свойствам приближаются к абсолютно черному телу, у которого, как известно степень излучения равна единице [97]. Рисунок 4.2 - Кривые излучения абсолютно чёрного тела A и вольфрама B при температуре 2450 К 103 Заштрихованная часть на рисунке (рисунок. 4.2) - это излучение вольфрама в инфракрасной области; интервал 0,4—0,74 мкм — видимая область. Рисунок 4.3 - QCE (загнутый керамический элемент) На четверть изогнутый QCE изображенный на рисунке (рисунок 4.3) имеет следующие размеры 60×55×40 мм и мощность 125 или 250 Вт, температура излучателя от 300°C, рекомендуемая дальность излучения: 100 - 200 мм, стандартный цвет: белый (по запросу желтый, розовый, черный), в горячем виде желтый становится светло-коричневым, а розовый – серым. Излучатель изогнутый, что позволяет расположить его в наиболее оптимальной позиции относительно задней лобовой части якорной обмотки НБ514 непосредственно в процессе сушки. Может располагаться как вертикально, так и горизонтально. Что по сравнению с галогенными излучателями, располагаемыми только горизонтально, несомненно, является преимуществом. Количество излучателей необходимых для достижения оптимального режима сушки и их размещение по окружности лобовой части якоря в соответствии с (рисунок 4.4) можно разместить в одной, в трех, или в шести точках. 104 Рисунок 4.4 - Положение излучателей Методика расчета мощности ИК излучения. Многолетие практики использования инфракрасного излучения для сушки лакокрасочных покрытий показывает, что удельная мощность Руд находиться в пределах от 1 до 5 кВт/м2. Удельная мощность пропорциональна мощности облучения и обратно пропорциональна площади облучения Руд = Робл / F , где (4.10) Робл - мощность излучения, Вт; F - поверхность облучения,м2. С целью изменения облученности на поверхности лобовой части обмотки якоря плотность излучения выбираем в пределах от 1 до 5 кВт/м2. Площадь облучения располагается на сегментах, установленных на наружном кольце задней нажимной шайбы, и высчитывается по уравнению F = πR²1 - πR²2 , где (4.11) R1,2 - радиус облучения 0,3 и 0,22 м; h - ширина облучения 0,06 м. F = π(R²1 - R²2 ) = 0,13 м2. Площадь поверхности облучения известна, тогда мощность облучения определим, преобразовав уравнение (4.12). 105 Робл = F • Р уд . (4.12) Например, для удельной мощности равной 1 кВт мощность облучения на всей поверхности облучения составляет Робл = 0,13• 1 = 0,13 кВт. Площадь поверхности облучения меняется из-за разного расположения излучателей выполняем расчеты с тремя положениями излучателей, расположенных в одной точке, F1=F-Fн.из, в трех точках F2=F/9, и в половину площади F/2 результаты расчетов сведены в таблице (таблица 4.1). По результатам расчетов мощность облучения в первом и во втором расположении излучателей практически одинаковы. Кварцевые излучатели по сравнению с керамическими излучателями достигают более высоких температур и излучают тем самым волны более короткой длины (1,5-5,6 мкм). Благодаря использованию косвенно обогреваемых пустых трубок с малой температурой массы испускаемый ИК спектр расширяется до области длины волн керамических ИК-излучателей. Кварцевые излучатели покрывают тем самым более широкий спектр использования, чем керамические излучатели. Таблица 4.1 - Расчет мощности облучения Удельная мощность излучателя, кВт/м2 1 Площадь облучения, м2 Мощность облучения, кВт 0,131 0,012 0,065 0,015 0,261 0,024 0,131 0,029 0,392 0,036 0,196 0,044 0,522 0,048 0,261 0,058 4,5 0,588 0,054 0,294 0,065 5 0,653 0,060 0,327 0,073 2 3 4 0,13 Особенно они предпочтительны там, где необходимо короткое время нагрева и охлаждения (3-5 минут до достижения максимальной рабочей 106 температуры) и, где желателен средневолновый ИК спектр. Наименьшее время реагирования среди ИК нагревательных элементов показывают кварцевые галогеновые излучатели. Из-за их небольшой массы они реагируют в течение нескольких секунд, но излучают только малый спектр длины волны с преимущественно высокой долей света (пиковая длина волны около 1 мкм). Кварцевые галогеновые излучатели QHx, наоборот, обладают сравнительно низкими температурами использования с пиковой длиной волны в 1,6 мкм. Благодаря этой "нагревательной" - характеристике они значительно превосходят обычные галогеновые лампы. Выбор ИК нагревателя также всегда зависит от цели нагрева. В случае с водой если необходимо глубинное действие, то требуется средневолновый керамический или кварцевый излучатель, если необходимо воздействие на поверхность – то рекомендуется кварцевый галогенный излучатель. Для большинства материалов верно утверждение «чем больше длина волны, тем более глубокое действие излучения», для тонких слоев или пленок необходимы более короткие длины волн [98,99]. 4.4. Выбор пропиточного состава В настоящее время на Российских предприятиях в качестве пропитывающих составов тяговых двигателей применяют лаки ФЛ-98, ПЭ-9180, ПЭ-9153. Во всем мире уже практически полностью отказались от использования в качестве пропиточных составов лаков с содержанием растворителя, 50-60%, в пользу пропиточных компаундов, в которых содержание летучих составляет не более 35%. Это обусловлено рядом преимуществ компаундов перед лаками. Во-первых, с технической точки зрения, компаунды предпочтительней лаков. Полимеризация лаков происходит в результате их нагрева и выделения растворителя из состава. Когда содержание растворителя в лаке достигает 5% , начинается процесс полимеризации. Содержание растворителя в лаке может быть 50-60%. Весь этот растворитель должен быть удален из лака. Следует заметить, 107 что в процессе выделения растворителя, вместе с растворителем частично «улетает» и сама смола. Таким образом, после запечки в двигателе остается всего лишь 15-20 % смолы. Компаунды, как было замечено выше, содержат не более 5% летучих веществ. Полимеризация компаундов происходит в результате химической реакции под воздействием температуры. Входящий в состав компаунда активный разбавитель при температуре примерно 120°С вступает в реакцию с полиэфиром или эпоксидной смолой, в зависимости от типа компаунда. При этом выделяется небольшое количество газов и в результате содержание полимеризованного компаунда в электрической машине составляет не менее 90%. Помимо этого, следует отметить еще один очень важный момент. Процесс полимеризации лака быстрее всего происходит на поверхности катушек двигателя, так как растворитель быстрее испаряется именно с поверхности. Что же происходит внутри якоря ТЭМ. Там процесс полимеризации протекает не так быстро. Растворитель ищет выход. В это время на поверхности якоря уже образовалась лаковая пленка. В результате растворитель либо пробивает эту пленку, образуя трещины, либо лак внутри якоря просто не полимеризуется. Естественно и то, и другое негативно скажется в дальнейшем на надежности системы изоляции. Что касается компаунда, то с ним такого не происходит. Так как полимеризация компаунда происходит в результате химической реакции под воздействием температуры, единственное, что необходимо обеспечить, это необходимую для полной полимеризации компаунда температуру. Во-вторых, компаунды экологически более безопасны, чем лаки. Это обуславливается опять же малым содержанием летучих компонентов. В атмосферу «улетает» не более 10 % с учетом потерь массы смолы. Тогда как, при использовании лаков «улетает» более 80% состава (50-60% растворителя и 2030% смолы). В-третьих, компаунды предпочтительней лаков с экономической точки зрения. Несмотря на то, что цена лака дешевле, в процессе пропитки и последующим запеканием расход лака превосходит расход компаунда в 2-3 раза, 108 в зависимости от размера и типа якоря ТЭД. Кроме этого, при желании возможно рекуперация компаунда. Во время разогрева якоря в печи часть компаунда естественным образом стекает с якоря. «Лишний» компаунд можно легко собрать и вернуть его в емкость. Электроизоляционные материалы (ЭИМ) должны быть соответствующего класса нагревостойкости по табл. 4.2. В нашем случае это класс F (до 155°С). Электрическая прочность ЭИМ должна быть не менее 25 кВ/мм. Тангенс угла диэлектрических потерь ЭИМ при температуре 130°С должен быть не более 25%. ЭИМ должны обладать свойством теплопроводности. Следует использовать в качестве пропиточных составов компаунды взамен лаков, при этом цементирующая способность пропиточного состава должна быть не менее 300 Н (Ньютонов). Покрывная эмаль должна обеспечивать защиту ТЭД от воздействия атмосферы, агрессивных сред, а также обладать свойством дугостойкости. Таблица 4.2 - Классы нагревостойкости изоляционных материалов Узел ТЭД Обмотка якоря Обмотки полюсов Классы нагревостойкости изоляционных материалов Допускаемая температура по ГОСТ2582-81, °С B 120 F 140 H 160 B 130 F 155 H 180 Рассмотрены три разных пропиточных состава, применяемых для пропитки якорей, это лак ФЛ-98 ГОСТ 12294 (применяется в локомотивном депо Нижнеудинск), компаунд ВЗТ-1 ТУ 2398-001-49276085-2000 (применяется на УУЛВРЗ) и Элпласт-155ИД ТУ 2257-101-05758799-2003. Оценим пригодность этих пропиточных материалов и выбран наиболее оптимальный вариант. 109 В настоящее время, при ультразвуковой пропитке обмоток ТЭМ, в локомотивном депо Нижнеудинск применяется электроизоляционный пропиточный маслостойкий лак ФЛ-98, представляющий собой смесь растворов смол-алкидной АК и резольно - бутанолизированной РБ в органических растворителях. Лак ФЛ-98 предназначается для пропитки обмоток электродвигателей с изоляцией класса нагревостойкости «В» по ГОСТ 8865-87. Обмотки, пропитанные лаком, сушат при температуре 125-140°С. Электроизоляционный пропиточный лак ФЛ-98 по физико-химическим и электрическим показателям должен соответствовать требованиям и нормам. Определение внешнего вида пленки лака производится следующим образом: лак с исходной вязкостью наносят наливом на медную пластинку толщиной 0,4-0,6 мм (ГОСТ 495-92) и размером 100х100 мм. Пластинку ставят под углом 45° в эксикатор или остекленный шкаф и выдерживают в течение 30 мин при (20±2)°С, затем сушат в течении 1,5-2 часов при (120±2) °С. После охлаждения полученную пленку рассматривают в отраженном свете. При определении массовой доли нелетучих веществ навеску испытуемого лака массой 1,5-2г помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре (130±5)°С, в течении 2 часов. Допускается определение массовой доли нелетучих веществ под инфракрасной лампой при температуре (140±2)°С, в течении 15 минут. При разногласиях в оценке массовую долю нелетучих веществ в лаке определяют в сушильном шкафу. Время высыхания пленки лака определяют по ГОСТ 19007-73 на пластинках из медной ленты марки ЛММ, толщиной 0,1 мм размером 30x150 мм, лак наносят наливом по ГОСТ 13526-79. Сушку первого слоя лака проводят в течение 15 минут при (20±2)°С. После нанесения второго слоя пленку подсушивают при (20±2)°С, в течении 15 минут, а затем сушат при (120±2)°С., в течение 2 часов. 110 Способность просыхания лака в толстом слое определяют по ГОСТ 1352679. Перед помещением в термостат коробочки с лаком выдерживают в течение 30 минут при (20±2)°С. Титрование проводят спиртовым раствором КОН концентрации 0,1 моль/дм3 (0,1 М) до появления розового окрашивания. Термоэластичность пленки лака определяют по ГОСТ 13526-79 на пластинках из медной ленты марки ЛММ, толщиной 0,1 мм. Первый слой лака сушат сначала при (20±2)°С в течение 15 минут, а затем в течение 2 часов при (120±2)°С. После нанесения второго слоя лака пленку подсушивают при (20±2)°С в течение 15 мин, затем сушат в течение 2 часов при (120±2)°С. Образцы испытывают по ГОСТ 6806-73 изгибанием вокруг стержня диаметром 3 мм. Электрическую прочность и удельное объемное электрическое сопротивление определяют на пластинках из холоднокатаного медного листа или латунного листа. Первый слой лака сушат в течение 2 часов при (120±2)°С, второй слой - при (120±2)°С в течении 16 часов. После нанесения каждого слоя пленку перед горячей сушкой подсушивают при (20±2)°С в течении 15 минут. Электрическую прочность определяют с применением медных электродов, диаметр верхнего электрода должен быть 25 мм. При определении удельного объемного электрического сопротивления применяют измерительный и охранный электроды в виде алюминиевой фольги, притертой к поверхности образца. Компаунд эпоксидный пропиточный, марки ВЗТ-1. Применяемый для пропитке на У-УЛВРЗ (Улан-Удэнский локомотивовагоно ремонтный завод) состоит из двух частей А и Б. Часть А – модифицированная эпоксидная диановая смола марки ЭД-22, высшего сорта по ГОСТ 10587 или импортная, имеющая показатели, не уступающие ГОСТ 10587. Часть Б – отвердитель изометилтетрагидрофталевый ангидрид высшей категории, модифицированный в соответствии с технологическим регламентом [100]. 111 Соотношение частей А и Б равно 100: 95 % масс. Другие технические характеристики пропиточного компаунда ВЗТ-1 приведены в таблице (таблица 4.3). Физико-механические и электрические характеристики определяют на образцах, залитых в закрытые формы методом свободного литья. Предварительно очищенные и промытые ксилолом, формы смазывают пастой КПД. Допускается смазывать формы 3-4-процентным раствором кремнийорганического каучука СКТ в толуоле. При этом формы после смазывания сушат 10-15 минут при температуре 15-35°С и 2-2,5 часа при температуре 180-200°С. Таблица 4.3 - Технические характеристики компаунда ВЗТ-1 Параметры Продолжительность отверждения при температуре 150°С Ударная вязкость Разрушающее напряжение при статическом изгибе Удельное объёмное сопротивление, при температуре: 20°С 130°С Класс изоляции Ед, изм. ВЗТ-1 ч 8-10 кДж/м2 кгс/см2 12 650 Ом*см Ом*см 2*1014 2*1013 F Компаунд, разогретый до температуры 80-100°С, вакуумизируют в вакуумсушильном шкафу при температуре 60-80°С и остаточном давлении 1-2 мм рт.ст. с выдержкой по времени 15-20 минут и заливают в формы. Температура форм должна быть на 10-15°С выше температуры заливаемого компаунда. Отверждение компаунда проводят по следующему режиму: 24 часа при температуре 150°С и 6 часов при температуре 180°C. Отвердевшие образцы извлекают из охлажденных до температуры 15-35°С форм и промывают ксилолом либо толуолом для удаления смазки. Электрическую прочность при переменном напряжении с частотой 50 Гц определяют по ГОСТ 6433.3 при плавном подъёме напряжения на дисках 112 диаметром 100 мм и толщиной 1 мм. Испытания проводят в трансформаторном масле. Диаметр электродов 25 мм. Тангенс угла диэлектрических потерь определяют по ГОСТ 6433.4 при напряжении 1000 В с частотой 50 Гц на дисках диаметром 100 мм и толщиной 1 мм. Электродами служит алюминиевая фольга толщиной. 0,01мм по ГОСТ 618, притертая к образцу вазелином по ГОСТ 5774. Диаметр измерительного электрода 50мм. Удельное объемное электрическое сопротивление определяют по ГОСТ 6433.2 при постоянном напряжении на дисках диаметром 100 мм и толщиной 1мм. Электродами служит алюминиевая фольга толщиной 0,01-мм по ГОСТ 618 притертая к образцу вазелином по ГОСТ 5774. Диаметр измерительного электрода 50 мм. Ударную вязкость определяют по ГОСТ 46 на образцах в форме брусков прямоугольного сечения без надреза, размером (120)х(15)х(10) мм. Компаунд пропиточный марки ВЗТ-1 используется для пропитки обмоток ТЭМ с 1994 года, за это время зарекомендовал себя как надёжный пропиточный состав, однако у него есть существенный недостаток. При капитальном ремонте якори ТЭМ сложно разбираются. Для разборки такого якоря необходимо нагревать его до температуры 300-350°С, при этом затрачивается большое количество энергии, кроме того появляется большая вероятность получения ожогов работниками, производящими разборку. Необходимо обеспечить мощную вентиляцию, так как при таком нагреве начинают обильно выделяться продукты распада изоляции. Этих недостатков можно избежать, применяя компаунд Элпласт-155ИД, характеристики компаунда, приведены в таблице (таблица 4.4). Технология использования следующая - перед применением в компаунд вводят инициатор отверждения в количестве двух весовых частей и тщательно перемешивают до получения однородного продукта. Пропитку системы изоляции осуществляют вакуум - нагнетательным способом, капельным, струйным или способом погружения. 113 Компаунд отверждается за три стадии. Во время первой стадии материалы всех трех марок выдерживают при температуре 130°С в течении 2 часов. Далее, во вторую стадию поддерживают температуру 160°С в течении 4 часов. Компаунды Элпласт-155 ИД и 180 ИД представляют собой раствор ненасыщенного олигоэфиримида и целевых добавок в олигоэфиракрилате. Таблица 4.4 - Показатели пропиточного компаунда Элпласт-155ИД Наименование показателя Ед. изм. Элпласт–155ИД с 40–100 не более мин 20 Просыхание в толстом слое при 130°С, не более мин 30 Н 300 Условная вязкость по вискозиметру ВЗ-246 (диаметр сопла 4 мм) при (200,5) °С Время желатинизация при 130°С, Цементирующая способность, не менее при 20°С при 155°С 100 Удельное объемное электрическое сопротивление, не менее при 20°С 1012 Ом•м при 155°С 5.108 1011 при 20°С (после увлажнения) Епр не менее при (15-35)°С 45-75% после выдержки 24 час 23 оС-93%М 22 МВ/м 20 Класс изоляции F Компаунд Элпласт-220 ИД представляет собой раствор ненасыщенного олигоэфиримида в нелетучих и нетоксичных мономерах с целевыми добавками. Электроизоляционные компаунды Элпласт-155, 180, 220 ИД применяют для пропитки обмоток электрических машин, в т.ч. ТЭД, изолируемых стекловолокнистой, слюдяной или эмалевой изоляцией вместо традиционно используемых электроизоляционных лаков МЛ-92, КО-916, ВС-346 А. В настоящее время налажен выпуск материалов, охватывающих все существующие температурные классы эксплуатации систем изоляции. 114 Компаунд Элпласт-155 ИД соответствует классу нагревостойкости F, максимально допустимая длительная рабочая температура - 155°С. Допускается применять для обмоток пропитанных ранее термореактивным лаком – ФЛ-98, поставляется ЗАО «Электроизолит» в комплектах, в состав одного комплекта входит 36 килограммов смолы Элпласт-155ИД и 700 грамм отвердителя- 2% раствора пироксида дикумила в дибутилфталате. Электроизоляционные компаунды и инициатор хранят в плотно закрытых емкостях, предохраняя от влаги и прямых солнечных лучей, вдали от отопительных приборов при температуре от - 10°С до 35°С. Гарантийный срок хранения составляет 12 месяцев со дня изготовления. Гарантийный срок хранения с введенным инициатором - 6 месяцев. Из сравниваемых пропиточных составов предпочтение отдаем электроизоляционному компаунду Элпласт-155ИД, во-первых класс изоляции F, во-вторых время сушки пониженное, способ пропитки системы изоляции осуществляют вакуум - нагнетательным способом, капельным, струйным или способом погружения. В приложении приведены характеристики пропиточных жидкостей выпускаемых для применения, как при изготовлении, так и при капитальных ремонтах электрических машин. 4.5. Испытание экспериментальной установки для пропитки компаундом открытой лобовой части якорной обмотки НБ-514 и терморадиационной сушки с помощью энергии инфракрасного излучения Инфракрасные излучатели - обогреватели широко используются в общественных и производственных зданиях. Это обусловлено достоинствами ИКсистем отопления в сравнении с другими его способами. Выполнение теплотехнических в ИК - области спектра расчетов представляет довольно сложную задачу, требует хорошей математической подготовки и знания 115 специальных методик для расчетов теплообмена излучением. Часто литература высокого уровня для практиков, занимающихся ремонтом подвижного состава в локомотивных депо, оказывается труднодоступной. Поэтому не случайна тенденция проводить выбор числа и расположения ИК- электрообогревателей «на глазок», что обычно маскируется ссылками, на имеющейся у фирм производителей. Для выполнения теплотехнических расчетов традиционно используется понятие «угловой коэффициент излучения» (УКИ), который представляет отношение потока, падающего на расчетную поверхность, ко всему излучаемому потоку. Для многих характерных вариантов размещения ИК- излучателей относительно облучаемой поверхности существуют стандартные методики с результатами в аналитической (реже - графической) форме. Однако в ряде случаев описание поля ИК- излучателя может быть упрощено, если использовать приемы и уравнения из другой области знаний - теплотехники. Это объясняется массовостью осветительных установок, наличием большого числа программ для расчета освещения, наглядностью используемых приемов. Ниже получены уравнения для линий равных значений облученности или освещенности для двух основных положений излучателя относительно расчетной поверхности (параллельно, перпендикулярно) в полярной и декартовой системах координат. Выявлено общее для всех случаев «ядро» уравнений. На конкретной установке показана позиция тепловых полей направленных на лобовую поверхность тягового электродвигателя с оптимальным расстоянием до поверхности, обеспечивающий прогрев, сушку и запекание нанесенного слоя компаунда [42,44,81,87]. Световые приборы часто, а тепловые устройства практически всегда имеют диффузное распределении лучистой энергии. Возможность использования общих методик расчета в том и другом случаях обычно даже и не обсуждается - кажется неверной. В основном это объясняется традиционной изоляцией (смежных по существу) областей энергетики. 116 4.6. Проведение экспериментов В локомотивном депо Нижнеудинск ВСЖД изготовлена установка для продления ресурса ТЭМ НБ-514 при помощи ИК-излучения [101,102,103,104]. С 2009 года данная установка проходила испытание в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря, а контролируемые ТЭМ по пробегу отправлены на капитальный ремонт без замечаний и выкаток. Общий вид установки в первом варианте изготовления показан (рисунок 4.5) Рисунок 4.5 - Первый вариант установки Установка состоит из 4 основных узлов: асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором АИРМ90L4У3, ременной передачи с передаточным отношением 2,79, червячного редуктора Ч-80 с передаточным отношением 31,5, частотного преобразователя ABB-AСS150 для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя, штатива-излучателя с двумя лампами типа КГ общей мощностью 3 кВт, лоток с размерами 600×300×90 под пропиточный материал. Технология пропитки и сушки, приведены при применении пропиточного компаунда марки ВЗТ-1, изоляции обмоток из пропитанных слюдинитовых лент 117 классов нагревостойкости «В» «F» и «H» марок ЛСК-110, ЛСЭК-5, ЛСЭП-934 ГОСТ 13184 – 78, ЛСАС-10 ТУ ОЯШ-503.196-90, ЛАФ ТУ ОЯШ 503.227-92 стеклобандажных лент ЛСБ-F ТУ6 – 19 – 274 – 85, ЛСБЭ – 155, ЛСБЭ – 180 ТУ6 – 19 – 394 – 88, применяемых в настоящее время при изготовлении и ремонте якорей тяговых двигателей с открытыми головками. 5 1 2 3 4 Рисунок 4.6 - Схема локального способа продления ресурса электрических машин НБ-514 с использованием ИК-излучения: 1 – лобовая часть обмотки якоря; 2 – привод якоря; 3 – ёмкость с компаундом; 4 – ИК–излучатели; 5 – ИК–отражатель Технология пропитки лобовой части заключается в следующем. Вначале якорь ТЭМ НБ-514 с сопротивлением изоляциеи R→0 устанавливается на установку с помощью кран-балки (рисунок 4.7). В лоток, расположенный непосредственно под задней лобовой частью якоря, заливается компаунд ВЗТ-1, после чего лоток ставится на подставки высотой 100 мм, для обеспечения погружения сегментов из пресс массы и якорной обмотки в пропиточный состав [105]. 118 Рисунок 4.7 - Постановка якоря Включение и регулирование частоты вращения асинхронного двигателя номинальной мощностью 2,2 кВт осуществляется преобразователем частоты. Установленная экспериментальная частота на выходе преобразователя 2 Гц, что при пересчете составляет 56,04 об/мин вала двигателя и 0,198 об/мин якоря. При вращении якоря пропиточный состав равномерно покрывает поверхность задней лобовой части якоря. После пропитки обмоток асинхронный двигатель останавливается. Лоток с пропитывающим составом снимается с подставок и устанавливается под якорь для стекания лака. Производится настройка штатива излучателя в направлении якорных обмоток задней лобовой части на расстоянии от 25 до 100 мм. Подсоединяется заземляющий кабель штатива. После настройки вновь включается установка с прежней частотой вращения якоря. В сеть 119 напряжением 220 В включается излучатель с тремя галогеновыми лампами с общей мощностью Робл = 3 (рисунок 4.8). Рисунок 4.8 - Проведение эксперимента Время экспериментальной сушки 30 минут. Температура лобовой части, замеренная с помощью инфракрасного термометра “Кельвин” в точке локального нагрева не превышает 155оС. При выходе из зоны облучения температура лобовой части якоря начинает снижаться. Перед входом в зону облучения температура открытой лобовой части составляет около 70оС. По завершению первого этапа испытаний увеличивается глубина погружения якоря в пропиточный состав, путем изменения угла наклона якоря, а также модернизацией лотка для пропиточного состава. Для исключения попадания разогретого пропиточного состава, на части установки, вводится слив, непосредственно в точках стекания пропиточного состава с обмоток якоря смотрите рисунок (рисунок 4.9). 120 выключатель муфта редуктор ролик 66 0 Ø224 якорь место нагрева Привод АВВ 20 5 излучатель 15 775 0 опорный ролик слив 750 260 букса M 1015 1800 Рисунок 4.9 - Эскиз установки Перед следующим этапом испытаний мощность излучателя, была уменьшена, заменой двух излучателей мощностью 1 кВт, расположенных в верхней и в средней точках штатива, на три излучателя мощностью 300 Вт. Нанесение компаунда на этом этапе осуществлялось периодическим окунанием сегментов изоляции лобовой части вращающегося якоря в ёмкость с компаундом. Одновременно пропитанная компаундом изоляция лобовой части обмотки вращающегося якоря нагревалась до температуры 100 - 120 ºС при помощи трёх ИК-излучателей, расположенных в ИК-облучателе. В результате применения локального нагрева ИК-излучением пропитанной компаундом изоляции лобовой части обмотки якоря происходит капсулирование изоляции, чем значительно повышается защита её от действия внешних факторов и, соответственно надёжность ТЭМ. Локальный нагрев ИК-излучением позволил сократить в 7 - 10 раз расход энергии и в 25 - 30 раз время на технологические операции по пропитке и сушке якорей. При испытаниях первого варианта установки были определены основные параметры технологического процесса и выявлены недостатки, связанные с процессом нанесения пропиточного состава на поверхность изоляции лобовых частей обмоток якоря и с выбором мощности 121 облучательной установки. При модернизации первого варианта установки были проделаны следующие виды работ. Пропитка стала осуществляться с помощью специальных распылителей с использованием для капсулирования группы ИКоблучателей, расположенных по периметру лобовой части обмотки якоря. Общий вид второго варианта установки приведен ниже (рисунок 4.10). Частотнорегулируемый электропривод не претерпел изменений. Существенные изменения были проведены с ИК-облучателями. Впервые были приобретены и смонтированы импульсные керамические преобразователи (ИКП) излучения типа HTE, которые представляют собой электронагревательные элементы нового поколения. Источником первичного инфракрасного излучения является обычная нихромовая или вольфрамовая спираль. Спираль функциональной керамики. Рисунок 4.10 - Второй вариант установки находится внутри 122 Эта конструкция обеспечивает преобразование полного спектра ИКизлучения от нагревательного элемента в излучение очень узкого диапазона ближней области ИК-спектра. При этом излучение происходит не в непрерывном режиме, а идет в виде ряда импульсов длительностью 10 – 3000 мкс. Плотность излучения энергии в импульсе достигает 120 – 350 Вт/ см2. Эффект импульсного преобразования связан с циклическими энергетическими превращениями, происходящими в системе. Отличительной особенностью представляемых систем является наличие в них ионов D с переменной валентностью, причем основная матрица проявляет полупроводниковые свойства и формирует ширину спектрального пика импульса. Так как система имеет определенный исходный энергетический потенциал, то при прохождении электрического тока система поглощает энергию всего ИКспектра, используя ее для активизации своей электронной структуры и повышения своего исходного энергетического состояния. При достижении уровня энергетического барьера (насыщения) система преодолевает его и происходит импульсный выброс энергии, после которого система возвращается в исходное энергетическое состояние. Уровень энергии при этом соответствует излучаемому ИК-диапазону. Ширина спектрального пика такого импульса находится на уровне 1 – 2,5% от излучаемой длины волны. Этим обеспечивается высокий КПД процесса капсулирования изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава. Другими словами, функциональное керамическое покрытие работает как своеобразный (в зависимости от количества той или иной стабилизирующей добавки) перестраиваемый по длине волны излучения лазерный источник. Абсорбируя тепловое излучение в ИК-диапазоне, керамика аккумулирует его, преобразует, а затем импульсно "выстреливает" достаточно узкополосное излучение в нужной области спектра. При этом длина волны генерируемого ИКизлучения варьируется в диапазоне 2,7 – 58 мкм. Уникальным свойством получаемого таким образом ИК-излучения является возможность очень точного избирательного (селективного) воздействия непосредственно на молекулярные 123 связи в любых веществах и различных агрегатных состояниях, поскольку в указанном спектральном диапазоне лежат частоты колебаний всех межатомных и межмолекулярных связей в молекулах и молекулярных комплексах. Так благодаря высокой проникающей способности модулированного ИК-излучения достаточной мощности с соответствующей длиной волны органические и неорганические молекулы пропиточных материалов проникают через изоляцию до поверхности проводника и полимеризуются. В результате этого проводник дополнительно покрывается диэлектрической плёнкой. При этом скорость передачи теплоты при использовании излучателей на основе функциональной керамики более чем в тридцать раз выше, чем у любого типа существующих в настоящее время нагревателей. Эффект преобразования полного ИК-спектра в эффективное импульсное излучение ИК-спектра узкого диапазона - это частное проявление эффекта ИК лазера. А использование системы автоматизированного управления дискретным ИК-энергоподводом позволит интенсифицировать процесс капсулирования в 1,5…2,0 раза. Проблема заключается в проектировании и изготовлении сегментных ИКП по форме и размерам лобовых частей обмоток тяговых электрических машин. Процесс нанесения компаунда на изоляцию лобовых частей обмоток якоря осуществляется при вращающемся якоре (частота тока на выходе преобразователя f = 8 Гц) с помощью распылителя, направленного вначале на верхнюю часть головки секции, затем среднюю и далее на внутреннюю. Технологический процесс нанесения компаунда иллюстрируется фрагментом (рисунок 4.11). По результатам испытания второго варианта установки установлено, что весь технологический процесс капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря укладывается в 1 час. Номинальная мощность установки – 5,7 кВт. В настоящее время с учетом выявленных не доработок и в целях оптимизации процесса нанесения дополнительного слоя изоляции, на лобовую часть ТЭМ типа НБ-514 в локомотивном депо Нижнеудинск дорабатывается существующая установка. Так принципиально изменено расположение якоря (облучаемого объекта) в процессе нанесении пропиточного материала из нижнего 124 в верхнее положение. Сам механизм и принцип вращательного движения якоря ТЭМ в широком диапазоне остался прежним. Рисунок 4.11 - Вариант усовершенствованной установки Усовершенствованная значительно, вследствие модель установки введения в дальнейшем автоматической подачи, позволит через зафиксированные распылители, сократить расход не эффективно используемой пропиточной жидкости при технологическом процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей. Вертикальное положение якоря обеспечит транспортировку пропиточной жидкости во внутренние полости. Применение девяти ИК-излучателей, изображенных на рисунке (рисунок 4.11) существенно сократит время технологического процесса [106,107,108,109]. 125 4.7. Внедрение результатов исследований в производство и их эффективность Старение локомотивного парка, переход на увеличенные плечи обслуживания локомотивами, повышение межремонтных пробегов в связи с вводом новой системы ремонта вызывает значительный рост отказов ЭПС. Наблюдение за работой тяговых двигателей, анализ их отказов свидетельствует о том, что превалирующая часть неисправностей – это накапливающиеся повреждения и в значительной их части, пробои якорей ТЭМ, которые можно избежать, улучшая качество ремонта. Одной из главных причин пробоев изоляции якоря ТЭМ НБ-514 является её повышенная «влагоёмкость», из-за открытой лобовой части со стороны противоположной коллектору. Внедрение локального способа герметизации компаундом лобовой части якоря с помощью ИК-излучения, позволяет повысить качество, выпускаемой продукции, свести до минимума пробои изоляции, уменьшить количество отказов якорей ТЭМ [102,104]. Эффектообразующим фактором при внедрении локального метода герметизации является сокращение отказов, связанных с пробоем изоляции обмотки якоря. Ежегодно локомотивное депо несет значительные убытки, компенсируя затраты на дополнительные работы по ремонту тяговых электрических машин, отказавших из-за пробоя изоляции обмотки якоря. Ремонт якоря в объеме заводского ремонта проводится на У-УЛВРЗ и его стоимость в первом полугодии 2009 года составлила 117536 рублей. По имеющимся данным от Улан-Удэнского ЛВРЗ, при отбраковке якорей тяговой электрической машины НБ-514 в 2005 году из 123 тяговых двигателей 15 были забракованы по пробою изоляции якоря по открытой лобовой части. В 2006 году из 120 тяговых двигателей по этой причине было забраковано 56 (46,6 %), в 126 2007 году из 144 тяговых электрических машин - забраковано 19, в 2008 году из 122 тяговых двигателей – забраковано 21. 4.7.1 Расчёт капитальных вложений на изготовление установки Проведем расчет капитальных вложений КВ на изготовление установки по повышению эффективности капсулирования изоляции лобовой части якоря ТЭМ НБ-514 [110,111]. Капитальные вложения КВ определяются по уравнению КВ = Соб + ФОТ + Есоц, где (4.13) Соб – общая стоимость внедряемой в производство установки с учетом расходов на транспортировку, руб; ФОТ – фонд оплаты труда работников депо, руб; Есоц – отчисления на социальные нужды работникам депо, руб. Приведена смета (таблица 4.9) на изготовление установки по данным дирекции по ремонту локомотивов. Общая стоимость Соб внедряемой в производство установки с учетом расходов на транспортировку на 2013 год составляет 57530 рублей. Тарифная заработная плата Сс за сборку и установку по данным отдела труда и заработной платы представлена в таблице (таблица 4.5). 127 Таблица 4.5 - Смета на приобретение материалов и комплектующих Цена за Стоимость, шт., руб. руб. 1 шт. 3300 3300 Редуктор 1Ц2У 100 1 шт. 12500 12500 Преобразователь типа ASC 150 1 шт. 13500 13500 Генератор теплового излучения 1 шт. 5000 5000 ИК-излучатель типа ESC-2 3 шт. 600 1800 3 шт. 200 600 Рефлектор-отражатель типа ECR-2 6 шт. 250 1440 Станина 1 шт. 10000 10000 Букса 1 шт. 1000 1000 Опорные ролики 3 шт. 250 750 Магнитный пускатель ПМЛ 1 шт. 500 500 Кнопочный пост ПКЕ 1 шт. 100 100 Автомат ABB 3 4 шт. 500 2000 – – 2000 50 шт. 300 300 Наименование Количество Асинхронный двигатель типа АИРМ90L4У3 Галогенные ИК-излучатели типа FQE Провода, гофры, клеммы Элементы крепления (комплект болт-гайка) Итого с учетом транспортных расходов (5 %) 57530 Тарифная заработная плата Сс, руб. за монтаж установки в пропиточном цехе локомотиворемонтного депо по данным отдела труда и заработной платы представлена в таблице (таблица 4.6). Фонд оплаты труда (ФОТ) работников депо рассчитывается по формуле: ФОТ = Еозп + Едзп, где ЕОЗП – основная заработная плата деповского работника; (4.14) 128 ЕДЗП – дополнительная заработная плата деповского работника. Таблица 4.6 - Тарифная заработная плата на монтаж установки Вид операций Разряд работ Тарифна я ставка, руб. Трудоемк ость, чел.час. Заработная плата, руб. Сборка установки 5 81,75 150,5 12303,375 Настройка параметров 6 88,89 1,5 114,06 Проверка схемы 6 88,89 1,3 98,85 Проверка работоспособности 6 88,89 0,7 53,23 Итого 12614,49 Отчисления на социальные нужды Есоц определяются по формуле Есоц = 0,34·ФОТ, (4.15) где 0,34 – страховые взносы (пенсионный фонд – 26 %; Федеральный фонд обязательного медицинского страхования (ФФОМС) – 2,1 %; Территориальный фонд обязательного. медицинского страхования (ТФОМС) – 3 %; фонд социального страхования (ФСС) – 2,9 %). Основная и дополнительная оплата труда рассчитывается по уравнениям где Еозп = Сс·(1+Кп)·Кр + Кс·Сс, (4.16) Едзп = 9 %·Еозп, (4.17) Кп – коэффициент премии (30 %); Кр – районный коэффициент, Кр = 1,3; Кс – северный коэффициент (30 %). Подставив численные значения в уравнения (4.16), (4.17) получим Еозп = 12614,49·(1+0,3)·(0,3+1,3) = 26238,13 руб. Едзп = 0,09·26238,13= 2361,43 руб. ФОТ = 26238,13+ 2361,43= 30960,99 руб. 129 Есоц = 0,3·30960,99= 9288,29 руб. Подставив численные значения в уравнение (4.13) получаем значение капитальных вложений на изготовление установки по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭМ НБ-514Б: КВ = 57530+30960,99+9288,29= 97779,28 руб. 4.7.2. Расчёт годовой экономии средств при использовании установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря со стороны противоположной коллектору инфракрасным излучением Суммарная годовая экономия денежных средств при сокращении расходов электроэнергии в результате замены конвективных электрических печей типа СДО1 на установку по капсулированию изоляции лобовых частей обмоток якорной обмотки ТЭМ определяется по формуле: где ЭЭЭ Aкалор Aтерморад СкВтч , A колор (4.18) – суммарный расход электрической энергии при конвективном методе капсулирования; A ИК – суммарный расход электроэнергии при терморадиационном методе капсулирования; СкВтч – среднесетевая стоимость электроэнергии 1 кВт·ч. По данным 2013 года средняя стоимость электрической энергии по ВСЖД – филиалу ОАО «РЖД» составила СкВтч = 1,21478 руб. Суммарный расход электрической энергии при конвективном методе капсулирования: A конвект n я nп t к Pк кВт∙ч, 12 где 12 – количество якорей, одновременно помещаемых в печах; (4.19) 130 nя – количество пропитываемых якорей; nп – количество работающих печей СДО1; tк – время процесса капсулирования конвективным методом, ч., Рк – мощность одной печи, кВт., A конвект Суммарный расход = 1100∙4∙15∙80/12 = 440000 кВт·ч. электрической энергии при использовании терморадиационного метода капсулирования: A терморад где n я t т Pт , (4.20) tт – время процесса капсулирования терморадиационным методом, ч. Рт – мощность установки для капсулирования изоляции обмоток якорей ТЭМ ИК-излучением, кВт. t – время сушки, ч; A терморад = 1100∙0,45∙7,45 = 3687,75 кВт·ч В итоге суммарная экономия денежных средств от сокращения расходов электроэнергии составляет: ЭЭЭ (440000 – 3687,75) ∙ 1,21478 = 530023,4 руб. Кроме того, замена конвективного метода капсулирования терморадиационным, позволит сэкономить денежные средства в связи со уменьшением количества отказов ТЭМ по пробою изоляции лобовых частей их обмоток. Снижение отказов будет связано с улучшением качества процесса капсулирования при использовании терморадиационного метода, что неоднократно подтверждалось в данной работе. 4.7.3. Расчёт срока окупаемости внедрения установки по капсулированию изоляции открытых лобовых частей якорных обмоток тяговых электрических машин Срок окупаемости при внедрении установки по капсулированию 131 изоляции лобовых частей якорной обмотки ТЭМ НБ-514 можно рассчитать по следующей формуле Ток = К В / Ээф, (4.26) Подставив численные значения в уравнение (4.41) получим Ток = 97779,28 / 530023,4 ≈ 0,184 года = 2,2 мес. Далее, произведем расчет срока окупаемости по методу дисконтирования. Чистый дисконтированный доход (ЧДД) определяется как сумма текущих эффектов за весь расчетный период, приведенная к номинальному году, или как превышение интегральных результатов над интегральными затратами и рассчитывается по формуле. T ЧДД ( Rt Зt ) t 0 где Rt 1 , (1 E )t (4.27) – результат, достигнутый в t-м году; Зt – затраты в t-м году; E – норма дисконта, принимаем E = 10 %; T – горизонт расчета, г. (принимаем 1 год). Подставив численные значения в уравнение (4.27) получим 1 ЧДД (530023,4 97779,28 ) t 0 1 427,96 тыс.руб. (1 0,1)1 График распределения ЧДД по годам, в течение срока окупаемости, равного 1,5 месяца изображен на рисунке (рисунок 4.12). 132 350 ЧДД, тыс. руб 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 мес 12 -50 -100 -150 Рисунок 4.12 - Распределение ЧДД при внедрении установки по капсулированию изоляции открытых обмоток лобовых частей тяговых электрических машин Для расчета только срока окупаемости в качестве затрат принята сумма капитальных вложений К В , а в качестве показателя эффективности – годовая экономия денежных средств. График распределения по годам ЧДД, в течение срока окупаемости представлен (рисунок 4.12). В данном разделе диссертационной работы была рассчитана экономическая эффективность от внедрения установки для реализации эффективной технологии капсулирования изоляции лобовой части обмотки якоря ИК-излучением. Приведенные затраты на покупку и установку нового оборудования оказались гораздо меньше, чем затраты на внеплановый ремонт. Капсулирование компаундом лобовой части со стороны противоположной коллектору поможет значительно снизить пробои изоляции якорных обмоток. Это позволит сократить дополнительные расходы. А также позволит повысить производительность труда, исключив затраты времени на повторный ремонт. Внедрение новой технологии капсулирования якорных обмоток позволит 133 существенно сократить электроэнергию [112]. время технологического процесса, затраты на 134 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Применение технологии восстановления механической и электрической прочности изоляции с использованием ИК – излучения позволяет в 7-8 раз сократить расход электроэнергии и в 16 и более раз времени на пропитку, и полимеризацию лобовых частей по сравнению с применяемым в настоящее время конвективным методом. 2. Разработаны восстановления ресурсосберегающие механической и технология электрической и прочности установка изоляции поврежденных незакрепленных лобовых соединений якорных обмоток ТЭМ с использованием теплового излучения, обеспечивающие требуемый уровень надёжности. 3. Капсулирование открытых лобовых частей с использованием теплового излучения позволило уменьшить количество отказов ТЭМ на 25-30%. 135 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Смирнов, В.П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза: монография. / В.П. Смирнов. – Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2003. – 328 с. 2. Галкин, В.Г. Надёжность тягового подвижного состава / В.Г. Галкин, В.П. Парамзин, В.А. Четвергов. – М.: Транспорт, 1981. – 184 с. 3. Котеленец, Н.Ф., Испытания и надёжность электрических машин / Н.Ф. Котеленец, Н.Л. Кузнецов. – М.: Высшая школа, 1988. – 232 с. 4. Исмаилов, Ш.К. Тепловое состояние тяговых и вспомогательных электрических машин электровозов постоянного и переменного тока / Ш.К. Исмаилов. – Омск: ОмГУПС, 2001. – 76 с. 5. Сонин, В.С. Результаты опытной эксплуатации тяговых двигателей электровозов без пропитки их изоляции между заводскими ремонтами / Повышение надёжности и совершенствование ремонта электровозов. – М.: Транспорт, 1974. – С. 45-52. 6. Худоногов, А.М. Надёжность асинхронных вспомогательных машин электровозов / А.М. Худоногов, Д.А. Оленцевич, Е.М. Лыткина, В.Н. Иванов // Вестник ИрГТУ 2 (34), 2008. –273 с. – С. 117 – 119. 7. Худоногов, А.М. Анализ надёжности изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава с учетом особенностей климатических условий внешней среды / А.М. Худоногов, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока №2, 2009.– С. 232 – 236. 8. Юренков, М.Г. Анализ влияния условий эксплуатации на надёжность тяговых электродвигателей / Исследование работы электрооборудования и 136 вопросы прочности электроподвижного состава: // Научные труды. – Омск: ОмИИТ, 1974. – С. 57 – 60. 9. Осяев, А.Т. Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сборник докладов и сообщений научно-технической конференции / под ред. А.Т. Осяева. – М., 2004. – 127 с. 10. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / В.П. Бочаров, Г.В. Василенко, А.П. Курочка и др. / Под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 464 с. 11. Галкин, В.Г., Надёжность тягового подвижного состава / Галкин, В.Г., Парамзин В.П., Четвергов В.А. – М.: Транспорт, 1981. – 184 с. 12. Протокол № ЭМ-18-85. Тепловые испытания тягового двигателя НБ-514. Новочеркасск, 1985. 21 с. 13. Протокол № ЭМ-11-67. Тепловые испытания тягового двигателя НБ418К на постоянном токе. Новочеркасск, 1967. 23 с. 14. Волков, А.К. Повышение эксплуатационной надёжности тяговых двигателей / А.К. Волков, А.Г. Суворов – М.: Транспорт, 1988. – 128 с. 15. Захаров, В.И. Повышение эксплуатационной надёжности тяговых электрических машин магистральных электровозов / В.И. Захаров // Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сборник докладов и сообщений научнотехнической конференции / под ред. А.Т. Осяева, – М., 2004. – С. 32-36. 16. Козаченко, Е.В. Основные направления повышения ресурса тяговых электрических машин / Е.В. Козаченко // Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сборник докладов и сообщений научно-технической конференции / под ред. А.Т. Осяева. – М., 2004. – С. 26-29. 17. Иванов, В.Н. Надёжность электрических машин тягового подвижного состава / В.Н. Иванов, Д.В. Коноваленко, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока №1, 2008. – С. 196-198. 137 18. Серебряков, А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / А.С. Серебряков. – М.: Маршрут, 2005. – 280 с. 19. Исмаилов Ш.К. Электрическая прочность изоляции электрических машин локомотивов: монография./ Ш.К. Исмаилов. – Омск: Омский гос. ун-т путей сообщения, 2003. - 272 с. 20. Глущенко М.Д. Проблемы эксплуатационной диагностики тяговых электродвигателей подвижного состава и пути их решения: автореф. дис. докт. техн. наук: 5.09.01/Глущенко Михаил Дмитриевич. – М., 1999. – 39 с. 21. Тутов, В.А. Техническое состояние электрических машин локомотивов и повышение качества их ремонта на заводах Дирекции «Желдорреммаш». / под ред. А.Т. Осяева. – М., 2004. – 127 с. – С 11-18. 22. Оленцевич, Д.А. Совершенствование системы технического содержания изоляции тяговых двигателей электровозов: дис…канд. техн наук: 05.22.07 / Оленцевич Дмитрий Андреевич – Иркутск, 2010. – 146 с. 23. Худоногов, А.М. Анализ причин отказов ТД локомотивов ВСЖД и рекомендации по их снижению / А.М. Худоногов, В.В. Макаров, В.П. Смирнов // Проблемы и перспективы развития Транссибирской магистрали в 21 веке: труды всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки. – Чита: ЗабИЖТ, 2006. – Ч. 1. – С. 139. 24. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2009 год , М, 2009. – 74 с. 25. Худоногов, А.М. Восстановление изоляционных свойств обмоток якоря тягового электродвигателя / А.М. Худоногов // Вестник ИрГТУ 4 (28), 2006. – С. 60 – 62. 26. Смирнов, В.П. Анализ причин отказов тяговых двигателей НБ-514 ВСЖД / В.П. Смирнов, Е.В. Ефремов, И.С. Пехметов // Научно–техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: Труды третьей 138 международной научной конференции творческой молодежи. – Хабаровск: ДВГУПС, 2003. – Т. 1. – С. 61-65. 27. Смирнов, В.П. Влияние эксплуатационных факторов на надёжность ТД электровозов подталкивающего движения / В.П. Смирнов, И.С. Гамаюнов, Д.А. Оленцевич, Д.Ю. Алексеев, В.Н. Иванов, Ш.К. Исмаилов, А.М. Худоногов // Труды 3-ей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» ч.1, 5 – 8 июня 2007 г.: / Под ред. В.П. Горелова, С.В. Журавлева, В.А. Глушец. – Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 2007. – С. 71 – 73. 28. Гамаюнов, И.С. Эксплуатационная надёжность тяговых двигателей электровозов Восточного региона / И.С. Гамаюнов, Д.А. Оленцевич, Д.Ю. Алексеев и др. // Труды 3-ей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» ч.1, 5 – 8 июня 2007 г. / отв. ред. В.П. Горелов. – Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосиб. гос. академия водного транспорта», 2007. – С. 68 – 70. 29. Бахвалов, Ю.А. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю.А. Бахвалов, Г.А. Бузало, А.А. Зарифьян, П.Ю. Петров и др.; под ред. А.А. Зарифьяна. – М.: Маршрут, 2006. – 374 с. 30. Коноваленко, Д.В., Рациональные режимы сушки увлажнённой изоляции обмоток тяговых электрических машин: дис… канд. техн. наук: 05.22.07 / Коноваленко Даниил Викторович. – Иркутск, 2007. – 193 с. 31. Лыткина, Е.М. Разработка многоканальной системы мониторинга электрических машин / Е.М. Лыткина // Сборник научных докладов научнопрактической конференции «Научно-техническое творчество молодежи – путь к обществу, основанному на знаниях». – Москва: Московский государственный строительный университет , 2008.– С. 208 – 209. 32. Худоногов, А.М. Надёжность предельно нагруженного оборудования электровозов Восточного региона / А.М. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, В.П. 139 Смирнов // Актуальные аспекты организации работы железнодорожного транспорта: Сборник научных статей. – Иркутск, 2006. – С. 36. 33. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины / В.П. Бочаров, Г.В. Василенко, А.П. Курочка и др. / Под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 464 с. 34. Немухин, В.П. Повышение нагревостойкости и влагостойкости изоляции тяговых электрических машин / В.П. Немухин // Повышение надежности электрооборудования тепловозов. М.: Транспорт, 1974. – С. 20-42. 35. Инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних условиях; ЦТ/814 от 10.04.01. – М.: Транспорт, 2001. – 72 с. 36. Распоряжение о системе технического обслуживания и ремонта локомотивов ОАО «РЖД» №3р, от 17.01.2005 г. 37. ЦТ-ЦТВР/4782. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава; М.: Транспорт, 1975. – 356 с. 38. Худоногов, А.М. Эксплуатация электровозов в условиях низких температур / А.М. Худоногов, Д.В. Коноваленко, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина, Н.А. Иванова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока №2, 2008.– С. 201 – 204. 39. Худоногов, А.М. Проблема эксплуатации электровозов в зимних условиях / А.М. Худоногов, Д.В. Коноваленко, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина, Н.А. Иванова // Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края. Материалы международной научнопрактической конференции ЗабИЖТ, 2008. – С. 236 – 243. 40. Козубенко, В.Г. Безопасное управление поездом: вопросы и ответы: учебное пособие для образовательных учреждений ж.-д. Транспорта, осуществляющих профессиональную подготовку / В.Г. Козубенко – М.: Маршрут, 2005. – 320 с. 41. Коротаев, Е.Н. Вентиляция и тепловой режим оборудования электровозов переменного тока на ВСЖД / Е.Н. Коротаев, В.П. Смирнов, А.С. 140 Шитиков // Материалы межвузовской посвященной 160-летию отечественных научно-технической железных конференции, дорог и 100-летию железнодорожного образования в Сибири. – Омск: ОмГУПС, 1998. – С. 66-67. 42. Умов Н.А. Избранные сочинения / Н.А. Умов. – М-Л.: Гос. издат. технтеор. литература, 1950.55 с. 43. Мешков В.В. Основы светотехники. Ч.1. / В.В. Мешков.- М.: Энергия, 1979.-С.368. 44. Кунге, Я.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках / Я.А. Кунге, М.А. Фаермарк. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 160 с. 45. Ракутько, С.А. Анализ резервов энергосбережения в УФ облучательных установках при стабилизации условий электрического питания //Электронный журнал «Исследовано в России» 60, 668-672, 2008. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/060.pdf 46. Козинский, В.А. Электрическое освещение и облучение / В.А. Козинский.- М.: Агропромиздат, 1991.- 239 с. 47. Ракутько, С.А. Пространственное распределение потока излучения. Благовещенск, ДальГАУ, 1994 г. – 36 с. 48. Ракутько, С.А. Определение защитного угла светильника с произвольным светораспределением и его влияние на качество создаваемого освещения //Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса». Ульяновская ГСХА. – г.Ульяновск, 2008. – С.168-173. 49. Карпов, В.Н. Признаки и свойства объёмных облучателей / В.Н. Карпов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1980. – № 7. – С. 54-55. 50. Карпов, В.Н. Энергосбережение в оптических электротехнологиях АКП: Практическая теория и частные методики / В.Н. Карпов, А.С. Ракутько // СанктПетербург-Пушкин, 2009.- 100с. 51. Лебедев, П.Д. Расчёт и проектирование сушильных установок / П.Д. Лебедев. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. – 320 с. 141 52. Кучин, В.Д. Температурная зависимость процессов, протекающих при пробое твердых диэлектриков //Изд. Вузов. Физика. 1958. №4. С. 25-36 53. Лебедев, П.Д., Теплообменные сушильные и холодильные установки / П.Д. Лебедев - М:. Энергия, 1966. 54. Филоненко, Г.К. Сушильные установки / Г.К. Филоненко и П.Д. Лебедев– М.: Госэнергоиздат, 1952. – 256 с. 55. Гинзбург, А.С. Расчёт и проектирование сушильных установок пищевой промышленности /А.С. Гинзбург - М.: «Агропромиздат», 1985, - 336 с. 56. Комолов, В.Г. Ремонт электрических машин / Комолов В.Г. Файб С.И. Алексеев А.Л. – М.: Транспорт, 1975. – 360 с. 57. Лебедев, П.Д. Теплофизические исследования процессов сушки материалов инфракрасными лучами: 05.20.02 / дис…д-ра техн. наук. Лебедев Пантелеймон Дмитриевич – М, 1953. – 487 с. 58. Худоногов, сельскохозяйственного А.М. сырья Технология обработки дикорастущего высококонцентрированным и инфракрасным нагревом: дис…д-ра тех. наук: 05.20.02 / Худоногов Анатолий Михайлович – Иркутск, 1988. – 428 с. 59. Лыткина, Е.М. Повышение эффективности капсулирования изоляции лобовых частей обмоток тяговых двигателей электровозов инфракрасным излучением: дис… канд. техн. наук: 05.22.07 / Лыткина Екатерина Михайловна – Хабаровск, 2011. – 204 с. 60. Карпов, В.Н. Признаки и свойства объёмных облучателей / В.Н. Карпов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1980. – № 7. – С. 54-55. 61. Ракутько электротехнологий в С.А. Повышение АПК путем эффективности снижения оптических энергоёмкости этапов технологического процесса облучения: дис…д-ра техн. наук: 05.20.02 / Ракутько Сергей Александрович – Санкт-Петербург – Пушкин, 2010. – 386 с. 62. Ракутько, С.А. Инновационные технологии оптического облучения в АПК: резервы энергосбережения / С.А. Ракутько. // материалы II Всероссийской 142 научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» – Саратов, Научная книга, 2008. – С. 116-121. 63. Худоногов, А.М. Новый метод сушки увлажнённой изоляции обмоток ТД / А.М. Худоногов, Д.В. Коноваленко, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина // Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края. Материалы международной научно-практической конференции ЗабИЖТ, 2008.– С. 222 – 230. 64.Майер, А. Ультрофиолетовое излучение: получение, измерение и применение в медицине, биологии и технике: Пер с нем / А. Майер, Э Зейтц. – М: Изд-во иностр. лит., 1952. – 576 с. 65. Григорьев, В.А. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. – М.: Энергоиздат, 1962. – 510 с. 66. Левитин, И.Б. Техника инфракрасных излучений / И.Б. Левитин. – М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958. – 229 с. 67. Бураковский, Т. Инфракрасные излучатели: пер. с польск. / Т. Бураковский, Е. Гизиньский, А. Саля. – Л.: Энергия, 1978. – 408 с. 68. Марголин, И.А. Основы инфракрасной техники / И.А. Марголин, Н.П. Румянцев. – М.: Воениздат, 1957. – 308 с. 69. Ильясов, С.Г. Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов / С.Г. Ильясов, В.В. Красников. – М.: Пищ. промышленность, 1978. – 359 с. 70. Лебедев, П.Д. Сушка инфракрасными лучами / П.Д. Лебедев. – М.: 1955. 71. Барэмбо, К.Н. Сушка, пропитка и компаундирование обмоток электрических машин / К.Н. Барэмбо, Л.М. Бернштейн. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1961. – 368 с. 72. Борхерт, Р. Техника инфракрасного нагрева: пер. с нем. под ред. И.Б. Левитина / Р. Борхерт, В. Юбиц. – М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. – 278 с. 143 73. Зигель, Р. Теплообмен излучением: пер. с анг. / Р. Зигель, Дж. Хауэлл; – М.: Мир, 1975. – 934 с. 74. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыков. – М: Энергия, 1968. – 472 с. 75. Никитина, Л.М. Таблицы равновесного удельного влагосодержания и энергии связи влаги с материалами / Л.М. Никитина. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 175 с. 76. Лыков, А.В. Тепло и массообмен в процессах сушки / А.В. Лыков. – М.Л.: Госэнергоиздат, 1956. – 464 с. 77. Лыков, А.В. Теория тепло и массопереноса / А.В. Лыков, Ю.А. Михайлов. – М. Госэнергоиздат, 1963. – 563 с. 78. Лыков, А.В., Теория переноса энергии и вещества / А.В. Лыков, Ю.А. Михайлов – Минск: Изд. АН БССР, 1959. – 330 с. 79. Худоногов, А.М. Принципы управления энергоподводом в процессах удаления влаги из изоляции обмоток тяговых электрических машин / А.М. Худоногов, В.П. Смирнов, Д.В. Коноваленко, И.С. Гамаюнов, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина, Н.Г. Ильичев // Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование: Сб. научн. трудов - под ред. А.В. Крюкова. Иркутск: ИрГУПС, 2009. – С.125 – 129. 80. Худоногов, А.М. Способ сушки изоляции электрических машин: патент РФ № 2324278 / А.М. Худоногов, Д.В. Коноваленко, Р.Ю.Упырь. 81. Макаров, В.В. Ресурсосберегающие принципы технологии сушки увлажнённой изоляции электрооборудования ЭПС / В.В. Макаров, В.П. Смирнов, А.М. Худоногов, Е.В. Ефремов // Сб. научных трудов.- Хабаровск: ДВГУПС, 2001. Т.1. – С. 32-37. 82. Смирнов, В.П. Широтно-прерывный метод сушки увлажнённой изоляции тяговых электродвигателей / В.П. Смирнов, А.М. Худоногов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2003. – №3. – С. 185-192. 83. Худоногов, А.М. Тепловой баланс и пути повышения тепловой экономичности радиационной сушилки / А.М. Худоногов // Улучшение 144 эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники. Иркутск, 1973. – С. 8488. 84. Худоногов, А.М. Анализ причин отказов ТЭД локомотивов ВСЖД и рекомендации по их снижению / А.М. Худоногов, В.В. Макаров, В.П. Смирнов // Проблемы и перспективы развития Транссибирской магистрали в 21 веке: труды всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки. – Чита: ЗабИЖТ, 2006. – Ч. 1. – С. 139. 85. Худоногов, А.М. Эксплуатационная надёжность тяговых двигателей электровозов Восточного региона // А.М. Худоногов, Ш.К. Исмаилов, В.П. Смирнов, И.С. Гамаюнов, Д.А. Оленцевич, В.Н. Иванов, Д.Ю. Алексеев, // Труды 3-ей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» ч.1, 5 – 8 июня 2007 г.: / Под ред. В.П. Горелова, С.В. Журавлева, В.А. Глушец. – Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», 2007. – С. 68 – 70. 86. Смирнов, В.П. Восстановление изоляционных свойств обмоток якоря тягового электродвигателя / В.П. Смирнов, И.А. Худоногов, В.Н. Иванов, Ш.К. Исмаилов, // Вестник ИрГТУ 4 (28), 2006. – С. 60 – 62. 87. Пат. 2396669 Российской Федерации. МПК Н02К 15/12. Локальный способ герметизации компаундом изоляции лобовых частей обмоток тяговых электрических машин / A.M. Худоногов, И.А. Худоногов, В.Н. Иванов, Н.Г. Ильичев, Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина: заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения». № 2009117049/28; заявл. 04.05.2009; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22. 88. Прищеп, Л.Г. Исследование ультрафиолетовых и инфракрасных лучей: учеб пособие / Л.Г. Прищеп, П.Л. Филаткин // Электрический привод и применение электроэнергии в сельском хозяйстве. – М., 1980. – С. 90-97. 145 89. Ковчин, С.А. Применение лучистой энергии в сельском хозяйстве / С.А. Ковчин, Д.А. Меркучев, В.В. Рудаков. – М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1958. – 229 с. 90. Герасимович, Л.С. Оптимизация поточных электропастеризационных установок / Л.С. Герасимович, Н.Г. Демидович // Механизация и электрификация сел. хозяйства. 1982. - № 12 – С. 24-27. 91. Kemeny, G. Anwendung eines nahen diffusen Infrarot-Reflexiosanalisators aus ungarn bei Futtermittelherstellung / G. Kemeny, T. Pokorhy, K. Forizs. – Die Muhle + Mischfuttertechnik, 1984. – 121. – 29. – P. 389 – 390. 92. Pat. 4377618 USA, MKI B32B5/16, HKI 428/323. Infra-red radiator / Ikeda Masaki, Nishino Atsushi, Suzuki Tadashi. ; Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. - № 286185 ; 22.07.81 ; publ. 22.03.83 ; prior. 23.07.80, № 55-101627 (Japan). 93. Pat. 1603077 Great Britan, MKI H 05 B 6/64. Improvements in or relating to the generation on infra-red radiation / Peter Duglas Francis. - № 51973/76; 13.12.76; publ. 18.11.81. 94. Put. CPP, kl H 05 B 3/00. Element Termoradiant de radiantii infrarosii / Klimek Carol M.; rinderea “Electro-Mures”. – № 69393; 08.06.76; № 86384; publ. 05.06.80. 95. Керамические обогреватели и инфракрасные лампы, излучатели [Электронный ресурс] / «Мир нагрева» – Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.mirnagreva.ru/infra.html. 96. Brügel W., Систематические исследования по отверждению синтетических смоляных лаков с помощью инфракрасного излучения / W Brügel., A. Vlachos, // Farbe und Lack, 1952, т.58, №11, с.475-483, №12, c. 523-523. 97. Ильясов, С.Г. Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов / С.Г. Ильясов, В.В. Красников. – М.: Пищевая промышленность, 1972. – 175 с. 98. Инфракрасные излучатели тепла [Электронный ресурс] / ЗАО «ПромТехноГрупп» – Электрон. дан. – Режим доступа: www.p-t-grupp.ru/obogrev. 146 99. Финкель, В.В. 10-летний опыт использования компаунда марки ВЗТ-1 для ремонта и изготовления электрических машин и аппаратов / В.В. Френкель // Повышение ресурса тяговых электродвигателей: сборник докладов и сообщений научно-технической конференции / под ред. А.Т. Осяева, – М., 2004. – С. 110-113. 100. Худоногов, А.М. Локальный метод повышения ресурса изоляции тяговых электрических машин / А.М. Худоногов, В.П. Смирнов, В.Н. Иванов, Д.В. Стецив, // Труды межвузовской Научно–практической конференции "Транспортная инфраструктура Сибирского региона ", том 2. 2009. – С.369-372. 101. Иванов, В.Н. Метод повышения ресурса изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава / А.М. Худоногов, В.Н. Иванов, Д.В. Стецив, Д.А. Оленцевич // труды II-ой Научно–практической конференции "Безопасность регионов - основа устойчивого развития",- Иркутск: ИрГУПС, 2009, с 156-160. 102. Иванов, В.Н. Надёжность асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока. / В.Н. Иванов //«Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего востока» Научный журнал №2. 2008, с. 198-201. 103. Иванов, В.Н. Повышение ресурса изоляции обмоток тяговых электрических машин / Д.Ю. Алексеев, В.П.Смирнов, А.М.Худоногов, В.Н.Иванов // «Наука и Техника Транспорта» Научный журнал №2 2010 / под ред. В.И.Апатцева – Москва: Научно-технический и производственный журнал, 2010. – С. 18 – 21. 104. Худоногов, А.М. Инновационные технологии повышения надёжности электрических машин / А.М. Худоногов, Е.М. Лыткина, Е.Ю. Дульский, В.Н. Иванов, Д.Ю. Алексеев, В.И. Исаченко, А.А. Васильев // ЛОКОМОТИВ 10-2012 – С. 27-28. 105. Михайлов, М.М. Электpоматеpиаловедение: М.М. Михайлов - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 320 с. 106. Веденяпин, Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки данных / Г.В. Веденяпин. – М.: Колос, 1973. – 199 с. 147 107. 3ажигаев, Л.С. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента / Л.С. 3ажигаев, А.А. Кимьян, Ю.И. Рошапиков – М.: Атомиздат, 1978. – 231 с. 108. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. – М. : Наука, 1984. – 831 с. 109. Виленкин, С.Я. Статистическая обработка результатов исследований случайных функций / С.Я. Виленкин. – М.: Энергия. 1979. – 320 с. 110. Волков, В.А. Методические рекомендации по оценкам эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте / Б.А. Волков, А.П. Абрамов, Ю.М. Кудрявцев, М.Т. Миджири, А.Д. Сапожников и др.: под ред. Т.М. Миджири. – М.: Слово, 1997. – 50 с. 111. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте: – М.: Транспорт, 1999. – 230 с. 112. ГОСТ Р7.0.11-2011 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Издания Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления. – М. : Стандартинформ, 2011. - 12 с. 148 ПРИЛОЖЕНИЯ 149 Приложение 1 150 151 152 153 Приложение 2 154 155 Приложение 3 156 157 Приложение 4 158 159 160 Приложение 5 161 Приложение 6 Тепловые расчёты сушки якоря тяговой электрической машины конвективным и терморадиационными методами 1. Исходные данные конвективной сушильной камеры: Боковая стена: средняя длина камеры Lпер = 4250 мм =4,25 м. Высота камеры Нп = 2320 мм = 2,32 м. Толщина щита 250 мм = 0,002 м (сталь 2 мм). Толщина слоя минеральной ваты боковой стены камеры δмб = 0,246. Толщина листовой стали потолка камеры δсп = 0,004. Высота задней торцевой стены Нпт = 2,07 м. Ширина задней торцевой стены Вп = 1,85 м. Толщина внутреннего и внешнего стальных листов задней торцевой стены δслт = 0,004. Потери теплоты на один квадратный метр основания камеры q´´пол = 62 Вт/м2 , при t ср = 140ºС и расстояние между камерой и стеной здания 5 м. Масса стали камеры Gстк = 1900,2 кг. Теплоемкость стали Сстк = 0,132 Вт•ч/(кг•К). Масса минеральной ваты камеры Gмвк = 1395,9 кг. Теплоемкость минеральной ваты Смвк = 0,274 Вт•ч/(кг•К). Масса стали загрузочной тележки Gcтт = 1850 кг. Начальная температура якоря ТЭД, t1= 30ºС. Конечная температура t2 = 140ºС. 1. Исходные данные якоря ТЭМ 162 Масса (или объемная масса) якоря ТЭМ НБ-514: Масса меди якорной обмотки НБ-514 – 121 кг. Масса стали зубцов – 126 кг. Масса стали тела якоря – 430 кг. Масса изоляции якорной обмотки – 34,6 кг. Масса якоря – 1350 кг. Теплоемкость меди – 390 Дж/кг•град. Теплоемкость стали – 480 Дж/кг•град. Теплоемкость изоляции якорной обмотки 1050 Дж/кг•град. Теплоемкость якоря - 430 Дж/кг•град. Начальная температура нагреваемого узла (+30°С). Конечная температура нагреваемого узла (+140°С). 3. Теплоемкость нагреваемых узлов электрической машины НБ-514: - меди 390 Дж/кг•град. = 0,39 кДж/(кг•К) = 0,108 Вт•ч. - стали 480 Дж/кг•град. = 0,48 кДж/(кг•К). - якоря 430 Дж/кг•град. = 0,43 кДж/(кг•К). 4. Масса материалов, из которых состоит сушильная камера: - удельная масса минеральной ваты - 150 кг/м3; - удельная масса стали - 7850 кг/м3. Величины удельной теплоемкости материалов, из которых состоит сушильная камера: -сталь 480 Дж/кг•град; -минеральная вата 0,22 ккал/кг•град ( 0,22•4190 = 921 Дж/кг•град = 0,922 кДж/(кг•К). 163 Допускаемые температуры для материалов, из которых состоит сушильная камера: минеральная вата 600°С; сталь > 1000°С. Расход тепла при конвективной сушке якоря тяговой электрической машины НБ514 Qобщ = Qм + Qк = 3 Qя + Qк , где (1) Qобщ – общий расход тепла на нагревание; Qм = 3 Qя – расход тепла на нагревание трех якорей тяговых электрических машин НБ-514; Qк – расход тепла на нагревание сушильной камеры. Расход тепла на нагревание якоря ТЭМ Qя = Gя • Ся (t2 – t1), где Qя - расход тепла на нагревание якоря ТЭМ НБ-514; Gя = 1350 кг – масса якоря ТЭМ; Ся = 0,134 Вт•ч /(кг•К) – теплоемкость якоря ТЭМ; t1 = 30ºС – начальная температура якоря ТЭМ; t2 = 140ºС – конечная температура. Тогда Qм = 3 • Qя =3 • Gя • Ся (t2 – t1) =1350 • 0,134 (140 – 30) = = 3 • 19899 Вт•ч =3 • 19,9 кВт•ч = 59,7 кВт•ч. Тепловой расчёт сушки якоря ТЭМ в конвективной сушильной камере Две боковые стены. (2) 164 Находим массу стальных металлических щитов, изготовленных из листовой стали толщиной 2 мм (сталь углеродистая, марка стали 20) с прослойкой из минеральной ваты. Боковая стена: средняя длина печи Lпер = 4250 мм =4,25 м; высота печи Нп = 2320 мм = 2,32 м; толщина щита 250 мм = 0,002 м (стали 2 мм). Масса стали боковой стены Gсб = Lпер • Нп • δсб • γст = 4,25 • 2,32 • 0,004 • 7859 = 309,6 кг. Отсюда масса стали двух боковых стен равна 2 Gсб = 619,2 кг. С учетом профильного проката - швеллеров, общая масса стали двух стен составит 882 кг. Масса минеральной ваты в боковой стене Gмб = Lпер • Нп • δмб • γмб = 4,25 • 2,32 • 0,246 • 150 = 363,8 кг. где Lпер = 4,25 м- средняя длина боковой стены печи; Нп = 2,32 м – высота боковой стены печи; δмб = 0,246 - толщина слоя минеральной ваты боковой стены печи γ мб = 150 кг/м3. Тогда масса минеральной ваты двух боковых стен 2 Gмб = 728,7 кг. Потолок Масса стали потолка G сп = G лп + G прп, Масса листовой стали потолка печи Gслп = Lп • Вп • δслп • γст = 4,5 • 2,35 • 0,004 • 7850 = 332,1 кг, где Lп = 4,5 м- длина сушильной камеры; Вп = 2,35 м – ширина камеры; (3) 165 δсп = 0,004 - общая толщина листовой стали потолка камеры. Масса профильной стали потолка Gспп = 281,4 кг. Масса теплоизоляции (минеральной ваты) в потолке камеры Gслп = Lп • Вп • δмп • γм = 4,5 • 2,35 • 0,246 • 150 = 390,2 кг. где δмп = δмб = 0,246 мм. Торцевая стена Масса стали задней торцевой стены: G ст = G слт + G спт, (4) Масса листовой стали задней торцевой стены: Gслт = Нпт • Впт • δслт • γст = 2,07 • 1,85 • 0,004 • 7850 = 120,2 кг, где Нпт = 2,07 м - высота задней торцевой стены; Вп = 1,85 м – ширина задней торцевой стены; δслт = 0,004 - общая толщина внутреннего и внешнего стальных листов задней торцевой стены. Gспт = 136,3 кг. Масса минеральной ваты в задней торцевой стене: Gмт = Нпт • Впт • δмп = 2,07 • 1,85 • 0,246 • 150 = 141,3 кг. Дверь Масса листовой стали и профильного проката двери Gстд = 238,2 кг. Масса минеральной ваты двери: Gмвд = Нпд • Впд • δмп = 135,7 кг. Пол 166 Бетонное основание камеры. Потери электрической энергии за время нагревания якорей тяговых электродвигателей до максимальной температуры Q пол = q´пол • F пол • Тнг = 38,5 • 10,6 • 2,3 = 0,94 кВт•ч, где q´пол = 38,5 Вт/м2 – потери теплоты на один квадратный метр основания камеры при t ср = 140ºС и расстоянии между камерой и стеной здания 5 метров. Потери электрической энергии во время нагревания якорей тяговых двигателей при максимальной температуре: Q´ пол = q´´пол • F пол • Тнг = 62 • 10,6 • 2,34 = 1,54 кВт•ч, где q´´пол = 62 Вт/м2 – потери теплоты на один квадратный метр основания камеры при t ср = 140ºС и расстоянии между камерой и стеной здания 5 метров; F пол = Lп • Вп = 4,5 • 2,35 = 10,6 м2. Рассчитаем расход тепла на нагревание сушильной камеры. Qк = (Gстк • Сстк + Gмвк • Смвк + Gcтт • Сстт ) (t2 – t1) + (q´пол • F пол • Тнг )= = ((1900,2 •0,132) + (1395,9 • 0,274) + (1850 •0,132)) • 110 + 940 = = 97465,33 Вт•ч = 97,5 кВт•ч, где Gстк = 1900,2 кг - масса стали камеры; Сстк = 0,132 Вт•ч/(кг•К) – теплоемкость стали; Gмвк = 1395,9 кг - масса минеральной ваты камеры; Смвк = 0,274 Вт•ч/(кг•К) – теплоемкость минеральной ваты; Gcтт = 1850 кг – масса стали загрузочной тележки; t1= 30ºС – начальная температура якоря ТЭД; t2 = 140ºС – конечная температура. Qобщ = Qм + Qк, = 59,7 + 97,5 = 157,2 кВт•ч. (5) 167 Расчёт тепловых потерь сушильной камеры Фактический расход тепла при нагревании материала больше теоретического, так как тепло, выделяемое нагревателями, не полностью используется. Часть этого тепла затрачивается на нагревание окружающей среды и представляет дополнительные тепловые потери в момент разогрева. [51,53] Камеры Тепловые потери через ограждение камеры определяются по формуле Q 1 = α0• F (t2 – t1), где (6) α0 – коэффициент теплопередачи ограждения, ккал/ч; F - поверхность ограждений, м2; t2 – расчетная температура камеры, ºС; t1 – расчетная температура помещения, ºС. Коэффициент теплопередачи в случае многослойной стенки определяется по формуле: α0 = 1/ [(1/ α1) + ∑ δ/λ+ 1/α2], где (7) α1- коэффициент теплоотдачи от среды внутри камеры к внутренней стенке ограждения, ккал/м2 ч град; α2 – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стенки в окружающую среду, ккал/м2 ч град; δ – толщина слоя ограждений, м; λ – коэффициент теплопроводности материала, ккал/м2 ч град. Боковые стены При движении воздуха в камере вдоль плоской шероховатой стенки коэффициент теплоотдачи [54]. α1 = А ( α′1 + α″1), (8) 168 где А= 1,2 коэффициент, зависящий от режима движения воздуха и состояния поверхности; для турбулентного режима и шероховатой поверхности А = 1,2 – 1,3. При принудительном движении воздуха коэффициент теплоотдачи α′1 рассчитываем, пользуясь выражением для числа Нуссельта Νu = f (Rе), (9) где критерий Рейнольдса Rе = υ dэкв/ ν. Эквивалентный диаметр камеры dэкв = Впп • Нпп / (Впп+Нпп) = 2 •1,6•1,315 / (1,6+1,315) = 1,44 м. где Впп – полезная ширина камеры; Нпп – полезная высота камеры. Кинематическую вязкость воздуха принимаем из таблицы ΙΙΙ.2[55]. t ср = (t1 + t2) = (140 +130)/2 = 135°С. где ν135°С = 0,279•10-4 м2/с. Тогда критерий Рейнольдса Rе = υ • dекв / ν = 3 • 1,44 / 0,279 • 10-4 = 154839. Так как Rе > 105, то число Нуссельта определяем по формуле Νu = 0,032•Rе0,8 = 0,032•154839 0,8 = 454. Тогда α′1 = Νu´ λ / Нпп = 454•0,0333 / 1,315 = 11,497 Вт/(м2К), где λ 135°С = 0,033 Вт/(м • К). В числе Νu для расчёта теплоотдачи боковыми стенами камеры в качестве определяющего геометрического размера принимаем полезную высоту камеры Нпп, рассматривая ее как длинный канал. 169 Коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией α″1 определяем, пользуясь формулой, а также Грасгофа Νu″ = С″ (Gr Pr)n . Gr = (qНпп3 / ν2 ) [(Тср –Тв.ст) / Тср] = = 9,81•1,3153•102 / [(0,274 •10-4)2 • (273 + 135)] = 7,29 •108. В данном расчёте принимаем температуру внутренней поверхности стенки сушильной камеры tв.ст = 125ºС, тогда Т ср – Т в.ст = 10°С. Кинематическую вязкость воздуха принимаем из таблицы [55] t = (135 + 125)/2 = 130°С. ν130ºС = 0,274 • 10 -4 м2/с. Для воздуха критерий Прантля Рr = 0,73. Тогда произведение Gr Pr = 7,29•108 •0,73 = 5,32•108. Так как Gr Pr находится в пределах 2•107 - 1•1013, то по табл. ΙΙΙ. 3 [55]. С″= 0,135, n = 1/3. Следовательно Νu″ = С″(Gr Pr)n = 0,1351/3 •(5,32•108) = 27,23•107. отсюда α″1= Νu″ λ / Нпп = 27,23•107 • 0,0333 / 1,315 = 6897632,85 Вт/(м2К), где λ воздуха принимаем при температуре 130°С. Тогда коэффициент теплоотдачи α1 = А ( α′1 + α″1) = 1,2 (11,50 + 2,75) = 17,1 Вт/(м2К), Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности боковой стенки камеры: 170 α2 = α″2+ α л . Коэффициент теплоотдачи конвективной сушкой рассчитывается аналогично α″1. Температуру наружной поверхности принимаем tн.ст = 30°С, а температуру воздуха помещения tв = 15°С. Считаем, что такую же температуру будет иметь стена цеха противоположная сушильной камеры, т.е. tст= 15°С. Тогда критерий Грасгофа Gr = 9,81• 1,3153 •15/ [(0,159•10-4)2 (273 + 15) ] = 45,96•108= 46•108. Температуру воздуха принимаем t = (30+15)/2 = 22,5°С. Так как Gr Pr = 46•108•0,73 = 33,6•108 больше 2•107, то число Нуссельта Νu″= С″(Gr Pr)n = 0,1353•(46•108•0,73)3 = 202. Отсюда α″2= Νu λ / Нпп = 202 • 0,0258 / 1,315 = 3,96 Вт/(м2К). Коэффициент теплоотдачи излучением от наружной поверхности боковой стенки камеры в окружающую среду α л = С 1-2 [( Тн.ст /100)4 – (Тст/100)4] / (tн.ст – tв) = = 4,15 [(3,03)4 – (2,88)4] / (30 – 15) = 4,28 Вт/(м2•К), где С 1-2 – приведенный коэффициент излучения; t н.ст и Тн.ст – температура наружной поверхности стенки камеры, °С и °К; Тст – температура воспринимающей стенки, °К; tв – температура воздуха в помещении, °С. Коэффициент 171 С 1-2 = С1 • С2 / 5,8 = (4,5•5,33)/ 5,8 = 4,14 Вт/ (м2•К), где С1 и С2 – коэффициенты излучения (окрашенная поверхность), С1 = 4,5 и стенки цеха (штукатурка), С2 = 5,33. Тогда коэффициент теплоотдачи от боковой наружной стенки камеры α2 = α″2 + α2л = 3,96 + 4,28 = 8,24 Вт/ (м2•К). Коэффициент теплопередачи поверхности камеры 1 1 1 СТ МВ 1 СТ МВ 2 = 1/ (1/17,1 + (0,002•2) /45+0,246/0,062 + 1/ 8,24) = 1/ 4,14 = 0,241. Расчёт тепловых потерь на обеспечение заданной температуры камеры после выхода на стабильный тепловой режим Тепловые потери через ограждение камеры определяются по формуле Q 1 = α0• Fобщ (t2 – t1), где α0 - коэффициент теплопередачи ограждения. F - суммарная поверхность ограждения, м2; (t2 – t1) - разность температур между камерой и внешней средой, ºС. Fобщ найдем из суммы внутренней поверхности сушильной камеры Fобщ = 2 Fбок + FТ + Fдв = 2• (4,5 • 2,32) + (2,35 • 2,32) •2 + 4,5 • 2,35 = 42,35 м2, тогда Q1 = α0• Fобщ (t2 – t1) = 42,35 • 0,241 • (110) = 1122,69 Вт/ч = 1,12 кВт ч. Следовательно расход потерь при пропитке и сушке за полный цикл 30 часов составит: Q30ч = Q1 •30 = 1,12 кВт •30 ч = 33,6 кВт•ч. 172 Потери на нагрев трех якорей в условиях депо на передаточной тележке с учётом троекратного нагрева составят: 3 Qм = Qк •3 = 59,77 •3 = 179,1 кВт•ч. Расход тепла, при работе вентиляторов (0,75• 4 = 3 кВт) 3•30 часов = 90 кВт ч, но учитывая, что вентиляторы работают, не постоянно, принимаем 45 кВт•ч; Цикловой разогрев камеры [56] 3 раза Q цикл = Q к •3 = 97,5 кВт ч•3 = 298,5 кВт•ч. Расход тепла на пол сушильной камеры, с учетом того, что он расположен на бетонной основании: Q пол = F пол • q´´пол • Т30ч = 10,6 • 62,3 • 30 = 19,8 кВт•ч, где F пол = 10,6 - площадь поверхности пола, м2; q´´пол – потери теплоты на один квадратный метр основания камеры при t ср = 140ºС и расстоянии между камерой и стеной здания 5 метров; Т30ч – время затраченное на сушку. Тепловые потери на нагревание свежего воздуха Qв = Gв • Св • (t2 – t1 ) • Т30ч , где Gв - весовое количество воздуха, кг. Св – теплоемкость воздуха. t1= 30ºС – начальная температура якоря ТЭМ. t2 = 140ºС – конечная температура. Т30ч – время, затраченное на период сушки. Qв = 18,8 • 1,022 • 110 • 30 = 63405 кДж/ кг•К = 71,9 кВт•ч. 173 Тогда общий теоретический расход тепла на сушку одного якоря ТЭМ ∑ Q = Q30ч + Q цикл + 3Qм + Q пол + Qв = 33,6+ 298,5 + 179,1 + 19,8 + 71,9 = 602,9 /3 = 200,96 кВт•ч. Расчёт терморадиационной сушки Основным преимуществом сушки инфракрасными лучами является то, интенсивность испарения влаги по сравнению с конвективной сушкой достаточно тонких материалов может быть увеличена в несколько раз. Это объясняется тем, что терморадиационным способом можно подводить к материалу значительно большие удельные потоки тепла. Однако по технологическим условиям не всегда возможно увеличить скорость сушки материалов пропорционально теплового потока, так как во многих случаях она определяется не скоростью подвода тепла к поверхности, а скоростью перемещения влаги внутри материала и требуемым качеством сушки материала (отсутствием остаточных деформаций). По этому радиационный способ подвода тепла получил в настоящее время широкое применение для сушки. Преимуществом терморадиационной сушки является: компактность установки, позволяющая сократить производственные площади; значительная интенсивность и возможность резко сократить продолжительность сушки и увеличить производительность труда [51]. 1. Коэффициент поглощения лака ФЛ-98, нанесенного на поверхность изоляции лобовой части якорной обмотки тяговой электрической машины НБ514; А=0,81. 2. Температура нагревания лака ФЛ-98, нанесенного на лобовые части якорной обмотки тягового двигателя НБ-514; t = 140ºС. 3. Средняя скорость перемещения лобовых частей якорной обмотки тягового двигателя НБ-514 относительно источника ИК-излучения vя= πDя/60 = 3,14•0,600/60 = 0,0314 м/с. 174 4. Ламповый ИК- излучатель: максимальная длина волны 1,3 мк, диапазон захвата – 0,8 – 5,3 мк, температура на поверхности излучателя 200°С, мощность – 300 Вт, суммарная мощность ИК- излучателей 900 Вт или 0,9 кВт. 5. Зона захвата поверхности лобовой части якорной обмотки F = π(R²1 - R²2 ) = 0,13 м2. 6. Толщина пленки при одноразовом нанесении лака δ = 0,013•10-3 м. 7. Расстояние от источника ИК- излучения до облучаемой поверхности 0,065 м. 8. Время облучения секции лобовой части при частоте на выходе преобразователя 8 Гц якоря тяговой электрической машины: а) за один оборот ИК- излучателем - tоб1= 79,3 с; б) за полный цикл запекания ИК- излучателем - tоб3 = 237,9с. 9. N = 7 - количество оборотов якоря двигателя за один цикл восстановления электрической прочности открытых лобовых частей. 10. Коэффициент теплоотдачи облучаемой поверхности α = 1,62•10 -3 Вт/см2•К. 11. Энергетический к.п.д. ИК-излучателя η = 0,7. 12. Коэффициент эффективности ИК-излучателя u = 0,7. 13. Отношение площадей полной поверхности и облучаемой её части S S 1 1,5. S0 0,67 14. Коэффициент запаса ИК- излучателей К = 1,1. Энергетическая освещённость S (t tB ) Е А 175 = (1,5 •1,62 •10-3 (140-20)) /0,81 = 0,36 Вт/ см2 = 3600 Вт/м2. где S = 1,5 – отношение площадей полной поверхности и облучаемой части; α = 1,62•10-3 Вт/см2•К – коэффициент теплоотдачи облучаемой поверхности; t = 140ºС - температура поверхности лобовой части якорной обмотки; tв = 20ºС - температура окружаемого воздуха; А = 0,81 – коэффициент поглощения. Поверхность сегмента нагреваемая ИК-излучателем. F=τ ν b, где τ- время вращения якоря. ν – скорость вращения якоря. b – зона охвата поверхности ИК-излучателем. F = 237,9 • 0,0314 • 0,13= 0,971 м2 Следовательно расход электроэнергии на один цикл восстановления, электрической прочности открытых лобовых частей якорной обмотки тяговой электрической машины НБ-514, составит: Э где ЕF 3600 0,971 3495,98 6667,91Вт ч 6,67кВт ч. иа 0,7 0,7 1,07 0,5243 Е – энергетическая освещенность; F – зона захвата поверхности лобовой части якорной обмотки; η - энергетический коэффициент ИК-излучателя; u - коэффициент эффективности ИК-излучателя; а – коэффициент теплоотдачи ИК-излучателя. 176 На основании выше приведенного теоретического расчёта и сопоставления затрат при конвективной сушке одного якоря тяговой электрической машины НБ514 расходуется 200,96 кВт•ч электроэнергии. При радиационной сушке якоря затраты электроэнергии составляют 6,67 кВт•ч. Таким образом затраты электроэнергии при сушке капсулированного якоря с использованием ИК- метода почти в тридцать раз меньше, чем при применяемой в настоящее время конвективной сушке. 177 Приложение 7 Для компаунда ВЗТ-1 получена зависимость (таблица 1), на основании уравнения (1) показана на рисунке (рисунок 1). Таблица 1 - Постоянная времени нагрева компаунда ВЗТ-1 τ, с Т, кВт ч с 0 300 600 900 1200 1500 1800 3,915 0,00681 0,5871 0 183,497 183,497 183,497 183,497 183,497 183,497 229,371 6,264 0,01089 0,3669 0 229,371 229,371 229,371 229,371 229,371 229,371 227,245 10,44 0,018165 0,2201 0 275,245 275,245 275,245 275,245 275,245 275,245 Р, t max, Дж/°С Вт °С 1 0,004 250 183,497 2 0,004 500 3 0,004 1000 Температура, Сͦ ∑μ, А, С, № Дж/°С × с × м2 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 P=250Вт 800 1000 1200 Время, с P=500Вт 1400 1600 1800 2000 P=1000Вт Рисунок 1 - Кривые нагрева лобовой части якоря при разной мощности излучателя для компаунда ВЗТ-1 178 Для компаунда Элпласт-155ИД получена зависимость (таблица 2), на основании уравнения (2) показана на рисунке (рисунок 2). Таблица 2 - Постоянная времени нагрева компаунда Элпласт-155ИД τ, с Т, кВт ч с 0 300 600 900 1200 1500 1800 3,915 0,00681 1,1743 0 183,490 183,497 183,497 183,497 183,497 183,497 229,371 6,264 0,01089 0,7339 0 229,371 229,371 229,371 229,371 229,371 229,371 227,245 10,44 0,018165 0,4403 0 275,245 275,245 275,245 275,245 275,245 275,245 Р, t max, Дж/°С Вт °С 1 0,008 250 183,497 2 0,008 500 3 0,008 1000 Температура, Сͦ ∑μ, А, С, № Дж/°С × с × м2 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 P=250 40 Время, с P=500 50 60 70 80 P=1000 Рисунок 2 - Кривые нагрева лобовой части якоря при разной мощности излучателя для компаунда Элпласт-155ИД
