Влияние химических свойств полимеров и режимов ИК-энергоподвода на прочность и пластичность изоляции в локальных технологиях продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава

ях локомотивных депо имеются пути отстоя тепловозов, на которых в зимнее время осуществляется прогрев тепловозов на какой-либо позиции контроллера машиниста.

Список литературы

1.Звонов, В. А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. А. Звонов. -М.: Машиностроение, 1981. - 159 с.

2. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография [Текст] / Под ред. А. И. Володина. - М.: Желдориздат, 2007. - 264 с.

3. Володин, А. И. Комплексный анализ термодинамических, экономических и экологических характеристик тепловозных дизелей в условиях эксплуатации: Монография [Текст] / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов / Омский гос. ун -т путей сообщения. -Омск, 2011. - 166 с.

4. Термодинамические свойства индивидуальных веществ [Текст] / Под ред. Л. В. Гур-вича. - М.: Наука, 1962. - 1480 с.

5. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей [Текст] / И. И. Вибе. - Свердловск: Машгиз, 1962. - 271 с.

References

1. Zvonov V. A. Toxicity of internal combustion engines [Toksichnost'dvigateley vnutrennego sgoranija] / Мoscow, Mashinostroenie, 1981. 159 p.

2. Volodin A. I. Methods of evaluation of technical condition, operational efficiency and environmental safety of diesel locomotives [Metody ocenki tehnicheskogo sostojanijaj ekspluatacionnoj jekonomichnosti i jekologicheskoj bezopasnosti dizel'nyh lokomotivov]. Мoscow: Zheldorizdat, 2007. 264 p.

3. Volodin А. I., Skovorodnikov E. I., Аnisimov A. S. Comprehensive analysis of thermody-namic, economic and environmental performance of diesel locomotive engines in operation [Kom-pleksnyj analiz termodinamicheskih, jekonomicheskih i jekologicheskih harakteristik teplovoznyh dizelej v uslovijah jekspluatacii] Omsk State Transport University. Omsk, 2011. 166 p.

4. Gurvich L. V. Thermodynamic properties of individual substances [Termodinamicheskie svojstva individualnyh veshchеstv]. Мoscow, Science, 1962. 1480 p.

5. Vibe I. I. New on cycle engines [Novoe о rabochem cikle dvigatelej]. Sverdlovsk, Mashgiz, 1962. 271 p.

УДК 621.33

Е. Ю. Дульский, Е. М. Лыткина, А. М. Худоногов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ И РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА НА ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ ИЗОЛЯЦИИ В ЛОКАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

С целью продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава была предложена технология восстановления изоляции с использованием энергии инфракрасного излучения, позволившая повысить качество изоляции по показателям пробивного напряжения и твердости. Статья посвящена анализу и оценке экспериментальных исследований, проводимых в двух различных значимых работах по данному направлению. Представлен анализ данных работ в плане отличительных особенностей и выводов по результатам экспери-

6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(21) 2015

= _

ментальных исследований. По результатам анализа сформулирована новая гипотеза о необходимости учета при капсулировании изоляции и ее упругости. Также заданы новые направления для дальнейших исследований.

Основным наиболее уязвимым, дорогим и повреждаемым узлом электрических машин тягового подвижного состава является изоляция их обмоток. В процессе ремонтных операций в деповских и заводских условиях изоляцию электрических машин тягового подвижного состава восстанавливают с помощью пропитки в лаке или компаунде с последующей сушкой. В результате данных операций на поверхности изоляции образуется полимерная капсула, которая способствует дальнейшей безотказной эксплуатации электрических машин в тяжелых условиях. Штатные способы сушки изоляции, которые используются в настоящее время при деповском ремонте электрических машин тягового подвижного состава и основанные на применении конвективного способа, не обеспечивают в должной мере необходимого качества образованной полимерной капсулы.

С целью продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава была предложена технология восстановления изоляции с использованием энергии инфракрасного (ИК) излучения [1]. В соответствии с гипотезой, рассматриваемой в работах [1, 3, 4], надежность и долговечность полимерной изоляции в основном определяется показателями ее прочности и пластичности.

При эксплуатации электрических машин тягового подвижного состава, в условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока показатели их надежности и долговечности значительно ниже по сравнению с другими регионами. Причем очень часто повреждение изоляции происходит в локальных частях обмотки, например, на лобовых частях электрических машин.

Как известно, механическая прочность отражает свойства материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под действием внешних сил. Электрическая прочность отражает свойства диэлектрика сопротивляться разрушению (электрическому пробою) под действием внешнего и внутреннего электрического поля. Пластичность - способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки. Оптимизация прочности и пластичности полимерной изоляции во многом будет зависеть от химического состава полимера (пропиточного материала), спектрального состава и режимов ИК-энергоподвода в процессе создания полимерной капсулы в локальных технологиях продления ресурса электрических машин.

Проблемой разрушения материалов, и в частности полимеров, занимались многие выдающиеся ученые, и по этой проблеме существует обширная литература, которая представлена в работе А. А. Валишина [2]. Основное внимание Валишин А. А. уделяет временным характеристикам прочности, связанным с механизмом и кинетикой роста трещины разрушения в хрупком и квазихрупком состоянии. Непосредственное изучение кинетики разрушения в каждом конкретном случае производится на основе единой физической модели и различных частных случаев ее математического воплощения. Полученные кинетические уравнения содержат как макроскопические параметры процесса, такие как локальный тензор напряжений и локальная температура, так и микроскопические параметры, характеризующие элементарные акты разрушения. Кинетические уравнения отражают связь и взаимное влияние макро- и микростадий процесса разрушения. Таким образом, в диссертации [2] объединяются четыре подхода к описанию разрушения: кинетический (термофлуктуационная концепция), механический (методы механики трещин для описания локального напряженно-деформированного состояния вблизи трещины), термодинамический (анализ элементарных актов разрушения) и статистический (статистические характеристики элементарных актов, статистические модели длительной прочности). Эта методологическая схема последовательно выдержана во всей диссертации. Тем не менее в диссертации остается много «белых пятен», особенно в понимании термофлуктуационного механизма разрушения в различных усложненных условиях, например, в сочетании таких свойств полимера, как прочность и пластичность.

Одной из первых экспериментальных работ, посвященных анализу влияния химических свойств полимеров и режимов ИК-энергоподвода на прочность и пластичность изоляции в

№ 1(21) 2015

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

локальных технологиях продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава, является диссертация Лыткиной Е. М. [3]. В программу лабораторных исследований были включены серии экспериментальных работ, позволяющие проверить общую теорию тепломассообмена в технологии капсулирования изоляции обмоток электрических машин путем применения эффективных методов ИК-энергоподвода и отдельные математические модели взаимодействия системы «излучатель - пропитанная изоляция» в технологических процессах капсулирования длинноволновым, средневолновым и коротковолновым излучателями.

С целью исследования названных технологических процессов была разработана и смонтирована лабораторная установка, которая позволяет осуществлять макетирование основных процессов капсулирования и с помощью специальных приборов определять электрическую и механическую (твердость) прочность.

Программой работ предусматривались также вариации по слюдинитовым лентам и пропиточным материалам.

Результаты данных экспериментальных исследований представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1 - Результаты экспериментальных исследований по определению электрической прочности закапсулированной изоляционной ленты ЛСЭП-934 и ЛСК-110 тпл

Тип пропиточного материала

Тип изоляционной ленты Тип излучателя ФЛ-98 ПК-11 ВЗТ-1

Значение пробивного напряжения, кВ

Длинноволновый 8,6 9 9,1

ЛСЭП-934 Средневолновый 9,1 9,6 11,4

Коротковолновый 7,6 8,9 8,2

Длинноволновый 4,5 6,5 4,6

ЛСК-110 тпл Средневолновый 4,5 5,1 5,8

Коротковолновый 6,1 6,3 5,7

Результаты проведенного эксперимента по определению электрической прочности изоляции, пропитанной лаком ФЛ-98 и компаундами ПК-11, ВЗТ-1 при капсулировании различными видами излучателей, показали, что наибольшую электрическую прочность имеет изоляция типа ЛСЭП-934, облученная средневолновым импульсным керамическим преобразователем излучения типа ECS-2.

По результатам экспериментальных исследований выявлено, что твердость изоляции, капсулированной коротковолновым излучателем, на 1 - 2 балла выше по сравнению с изоляцией, облученной средневолновым керамическим излучателем (таблица 2).

Таблица 2 - Результаты экспериментальных исследований по определению твердости изоляции

Значение твердости, баллы

Тип ленты Тип излучателя Пропиточный материал

ФЛ-98 Эпласт 155 ПК-11 ПК-21

ЛСК-110тпл Коротковолновый 2 2 4 3

Средневолновый 1 1 2 3

ЛСЭП-934 Коротковолновый 8 8 5 7

Средневолновый 8 8 5 6

Развитие этого направления было выполнено в диссертации Е. Ю. Дульского, особенно в теоретическом и экспериментальном плане на производственных моделях [4].

Отличительной особенностью экспериментальных исследований в работе Дульского Е. Ю. является определение электрической прочности и твердости закапсулированной изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20 (применяется в качестве покровной для якорей ТЭД типа

8 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

—— = fcV 1 V

НБ-514), полученной не только при непрерывном энергоподводе, но и при осциллирующем. Причем для осциллирующего режима задавались разные значения скорости вращения якоря на установке и различный спектральный состав ИК-излучателей. Результаты исследований представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 3 - Результаты экспериментальных исследований по определению электрической прочности закапсулированной изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20

Значение пробивного напряжения, кВ

Тип энергоподвода Пропиточный материал

ФЛ-98 Эпласт 155 ПК-11 ПК-21

Конвективный 2,3 - 2,44 2,36

Непрерывный ИК-энергоподвод со средневолновыми излучателями 3,16 3,1 3,02 2,94

Непрерывный ИК-энергоподвод с коротковолновыми излучателями 3,06 3,04 2,94 2,88

Осциллирующий ИК-энергоподвод со средневолновыми излучателями (0,46 об/мин) 3,76 3,54 3,56 3,44

Осциллирующий ИК-энергоподвод со средневолновыми излучателями (2,3 об/мин) 3,72 3,52 3,48 3,4

Осциллирующий ИК-энергоподвод со средневолновыми излучателями (4,6 об/мин) 3,66 3,46 3,44 3,42

Осциллирующий ИК-энергоподвод с коротковолновыми излучателями (0,46 об/мин) 3,68 3,54 3,52 3,4

Осциллирующий ИК-энергоподвод с коротковолновыми излучателями (2,3 об/мин) 3,56 3,48 3,44 3,34

Осциллирующий ИК-энергоподвод с коротковолновыми излучателями (4,6 об/мин) 3,52 3,4 3,36 3,34

Спектрально-осциллирующий ИК-энергоподвод с чередованием коротко- и средневолновых излучателей (0,46 об/мин) 3,86 3,72 3,7 3,56

Спектрально-осциллирующий ИК-энергоподвод с чередованием коротко- и средневолновых излучателей (2,3 об/мин) 3,78 3,7 3,58 3,52

Спектрально-осциллирующий ИК-энергоподвод с чередованием коротко- и средневолновых излучателей (4,6 об/мин) 3,74 3,64 3,54 3,48

Результаты исследований электрической прочности закапсулированной изоляции показывают явное преимущество капсулирования ИК-излучением над конвективным по показателям величины пробивного напряжения (на 30 - 35 % выше).

По результатам проведенных исследований определения электрической прочности изоляционной ленты ЛЭС 0,1-20 можно сделать выводы:

1) средние значения пробивного напряжения изоляционной ленты, закапсулированной при осциллирующем режиме, в среднем на 10 % выше значений пробивного напряжения ленты, закапсулированной при непрерывном ИК-энергоподводе (см. таблицу 3);

2) наибольшие показатели электрической прочности изоляционной ленты были получены при капсулировании в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода с чередо-

№ 1(21) ЛЛИ С ИЗВЕСТИЯ Транссиба 9

=2015

ванием средне- и коротковолновых ИК-излучателей при наименьшем количестве периодов облучения (при минимальной частоте вращении якоря ТЭД 0,46 об/мин).

Таблица 4 - Результаты экспериментальных исследований по определению твердости изоляции

Тип энергоподвода Значение твердости, баллы

Пропиточный материал

ФЛ-98 Эпласт 155 ПК-11 ПК-21

Конвективный 4 5 4 4

Непрерывный ИК-энергоподвод со средне- 4 5 4 4

волновыми излучателями

Непрерывный ИК-энергоподвод с коротко- 5 6 5 5

волновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод со 5 7 6 5

средневолновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод со 5 7 6 4

средневолновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод со 4 7 6 5

средневолновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод с ко- 4 7 5 4

ротковолновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод с ко- 4 6 4 3

ротковолновыми излучателями

Осциллирующий ИК-энергоподвод с ко- 5 6 4 3

ротковолновыми излучателями

Спектрально-осциллирующий ИК-энерго-

подвод с чередованием коротко- и средне- 5 7 6 4

волновых излучателей

Спектрально-осциллирующий ИК-энерго-

подвод с чередованием коротко- и средне- 5 7 6 4

волновых излучателей

Спектрально-осциллирующий ИК-энерго-

подвод с чередованием коротко- и средне- 5 6 4 3

волновых излучателей

По результатам определения твердости закапсулированной изоляции можно сделать вывод о том, что наибольшую твердость имеет закапсулированная изоляционная лента, пропитанная в компаунде «Эпласт 155», причем изменение скорости вращения якоря при различных осциллирующих режимах не влияет в значительной мере на показатели твердости.

Анализ работ, рассмотренных выше, с позиций химического состава, структуры пропиточных материалов и режимов ИК-энергоподвода указывает на определяющее значение химических свойств полимера по оптимизации прочности и пластичности при формировании капсулы на поверхности возможной зоны повреждения изоляции. В дальнейших экспериментальных исследованиях при выборе режима ИК-энергоподвода необходимо в конечном результате учитывать степень стеклования, образованного на поверхности изоляции полимера. При высокой степени стеклования полимерная изоляция будет иметь низкую пластичность, что может привести к разрушению изоляции при воздействии вибрационных сил.

Список литературы

1. Худоногов, А. М. Инновационная технология повышения и продления ресурса тягового подвижного состава [Текст] / А. М. Худоногов, Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск. - 2012. - № 4 (36). - С. 102 - 108.

10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

—— = 1 V

2. Валишин, А. А. Комплекс математических моделей механизма разрушения полимеров [Текст]: Дис... доктора физ.-мат. наук / Валишин Анатолий Анатольевич. - М., 2007. - 421 с.

3. Лыткина, Е. М. Основы локального метода продления ресурса изоляции электрических машин тягового подвижного состава тепловым излучением [Текст] // Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский, А. М. Худоногов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2014. - № 1 (17). - С. 26 - 30.

4. Дульский, Е. Ю. Исследование эффективности осциллирующих режимов инфракрасного энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток при ремонте электрических машин тягового подвижного состава [Текст] // Е. Ю. Дульский, Е. М. Лыткина, А. М. Худоногов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2014. - № 2 (18). - С. 24 - 30.

References

1. Hudonogov A. M., Lytkina E. M., Dul'skii E. Iu. Innovative technology improve and extend the life of traction rolling stock [Inovac'ionnaiy tehnologia povyshenia i prodlenia resursa ti-agovogo podvighnogo sostava]. Sovremennye tehnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie. - Modern technology. System analysis. Modeling, 2012, no. 4 (36). pp. 102 - 108.

2. Vashylin A. А. Kompleks matematicheskih modelei mehanizma rasrushenia polimerov (Complex mathematical models of the mechanism of failure of polymers), Doctor's thesis, Moscow, 2007, 421 p.

3. Lytkina E. M., Dul'skii E. Iu., Hudonogov A. M., Fundamentals the local method of extending the life of isolation of electrical machinery of traction rolling stock thermal radiation [Osnovi lokal'nogo metoda prodlenia resursa izoliatsii elektricheskikh mashin tiagovogo podvizhnogo sosta-va teplovym izlucheniem]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 1 (17), pp. 26 - 30.

4. Dul'skii E. Iu., Lytkina E. M., Hudonogov A. M. Study of the efficacy of oscillating regimes the infrared energy supply in technologies capsulation winding insulation in the repair of electrical machines traction rolling stock [Issledovanie effektivnosti oscilliruiush'ih reghimov infrokrasnogo energopodvoda v tehnologii kapsulirovaniia izoliatsii obmotok pri remonte elektricheskikh mashin tiagovogo podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 2 (18), pp. 24 - 30.

УДК 533.17

Е. В. Кондратенко

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА СКВОЗЬ МАЛЫЕ ОТВЕРСТИЯ В ТЕЛЕ КОТЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ

В соответствии с введением новых правил, регламентирующих методы и средства проведения неразру-шающего контроля при ремонте деталей и узлов подвижного состава, контроль котлов железнодорожных цистерн проводится ультразвуковыми и капиллярными методами [1]. При этом контролю подвергаются все сварные швы котла, что в условиях вагоноремонтного депо практически невозможно. Это связано с большими объемами и сложностью конструкции объекта контроля, что влечет за собой нарушение регламента ремонта одной подвижной единицы.

Решение этой задачи требует создания методик, обеспечивающих обнаружение и оценку размеров сквозных дефектов по информации, полученной дистанционными способами.

В статье приведено описание построения математической модели газодинамического движения через сквозные дефекты в теле котла железнодорожной цистерны при проведении теплового контроля герметичности котлов цистерн. Созданная математическая модель позволяет учесть процессы истечения газа при

I

№.1!251) ИЗВЕСТИЯ Транссиба