Экспериментальные исследования тепловых процессов в якоре тягового электродвигателя тепловоза

Созданная программа позволяет в значительной степени автоматизировать процесс построения КС на основе ДП, при этом для проектировщика доступны различные режимы построения КС. В то же время скорость проектирования КС для ж.-д. станций повышается в два-три раза по результатам опытной эксплуатации модуля оптимизации синтеза, проведенной в НТЦ САПР в 2009 г. Кроме того, число ошибок с ее использованием снижается на 10-20 %, в основном за счет допущенных из-за невнимательности проектировщика при подсчетах числа жил кабеля.

Библиографический список

1. Электрическая централизация. Проектирование кабельных сетей путевых

устройств СЦБ : метод. указания по проектированию устройств автоматики,

телемеханики и связи на железнодорожном транспорте И-81-77. - Л. :

Гипротранссигналсвязь, 1978. - 124 с.

2. Программирование на языке С# / Э. Троелсен. - СПб. : Питер, 2006. - 923 с. -ISBN 978-5-8459-1185-8.

Статья поступила в редакцию 23.03.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Ефановым

УДК 629.424.3:621.313.13

М. А. Г рищенко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЯКОРЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА

Предлагается методика бесконтактного контроля теплового состояния якоря тягового электродвигателя тепловоза в эксплуатации. В качестве датчика температуры при испытаниях использовался инфракрасный пирометр АТТ-2508, установленный в крышку люка тягового электродвигателя ЭДУ-133. Экспериментальные исследования состояли из стендовых испытаний в локомотивном депо г. Тверь и эксплуатационных поездок на участке Кириши - Пыталово. По результатам исследований получены температурные зависимости нагревания коллектора и обмоток якоря.

процессы нагревания якоря тягового электродвигателя в эксплуатации; бесконтактный метод измерения температуры якоря тягового электродвигателя.

Введение

Режим работы локомотива и тяговых электродвигателей (ТЭД), установленных на нем, изменяется под влиянием внешних условий или в результате воздействия со стороны машиниста и систем автоматического регулирования электропередачей. Каждому стационарному режиму работы

ТЭД соответствует определенное распределение потерь и теплоотдачи по элементам якоря. Эти распределения дают определенные временные зависимости нагревания элементов: Tt = f т и временные функции

распределения нагрева по элементам якоря: Т — f i, т . Распределение

нагрева по элементам определяет тепловые потоки и связи между ними.

Нестационарный режим нагревания якоря ТЭД можно представить совокупностью стационарных режимов различной длительности (квазистационарный), связанных между собой переходными процессами. В этом случае исследование нагревания в нестационарных режимах может быть сведено к определению влияния остаточных потоков связи на характер теплового процесса и распределения нагрева по элементам якоря в послепереходный период работы.

При проведении экспериментальных исследований была поставлена задача установить распределение температуры в якоре ТЭД в режимах, характерных для условий эксплуатации тепловозов, и временные зависимости нагревания и охлаждения элементов якоря при нестационарных режимах работы якоря ТЭД.

1 Методика экспериментальных исследований теплового состояния коллекторных ТЭД

В отличие от большинства экспериментальных исследований, в которых использовались различные методы непосредственного измерения температуры с помощью термопар или термосопротивлений, в данных исследованиях для измерения температуры элементов вращающегося якоря использован бесконтактный инфракрасный пирометр АТТ-2508, который состоит из измерительного модуля и измерительного зонда (рис. 1, а).

Измерительный модуль и измерительный зонд помещены в герметические корпуса для предотвращения вредного влияния атмосферной влаги и пыли. При их размещении приняты все возможные меры для защиты измерительного комплекса от вредного влияния вибраций при движении локомотива. Угол наклона измерительного зонда выбран таким образом, чтобы измеряемое пятно располагалось на середине коллектора, а его ось находилась на продолжении радиуса коллектора (рис. 1, б).

а)

б)

Рис. 1. Пирометр АТТ-2508: а) размещение пирометра на смотровом люке ТЭД; б) схема измерения пирометром температуры

2 Стендовые испытания процессов нагрева коллекторного ТЭД

При стендовых тепловых испытаниях в локомотивном депо г. Тверь Октябрьской ж. д. на сертифицированном стенде взаимной нагрузки цеха капитального ремонта ТЭД производилась проверка их мощности по условиям нагревания, определялись температуры обмоток и рабочей поверхности коллектора при различных режимах его работы. Температура меди рабочей поверхности коллектора измерялась и регистрировалась постоянно пирометром АТТ-2508 с дискретностью 10 секунд.

Конечная температура коллектора Тк, при прочих равных условиях, определяется режимом работы ТЭД: величиной тока якоря /я и расходом охлаждающего воздуха Q.

На рис. 2, а представлены зависимости нагревания поверхности коллектора при отсутствии вентиляции и частоте вращения якоря 15 с-1.

а)

б)

в)

Рис. 2. Зависимости нагрева коллектора: а) при токе якоря 250 А

В установившемся режиме:

1) при токе якоря /я = 250 А температура активной поверхности якоря Та = 79 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп = 48 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 74 °С, температура лобовых частей Тл = 80 °С;

2) при токе якоря /я = 300 А температура активной поверхности якоря Т = 88 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп =55 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 79 °С, температура лобовых частей Тл = 89 °С.

На рис. 2, б изображены зависимости нагревания поверхности коллектора при расходе охлаждающего воздуха Q = 0,65 м3/с и частоте вращения якоря 20 с-1.

В установившемся режиме:

1) при токе якоря /я = 600 А температура активной поверхности якоря Та = 86 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп =53 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 78 °С, температура лобовых частей Т = 88 °С;

2) при токе якоря /я = 700 А температура активной поверхности якоря Т = 89 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп =57 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 82 °С, температура лобовых частей Тл = 90 °С.

На рис. 2, в приведены зависимости нагревания поверхности коллектора при расходе охлаждающего воздуха Q = 1,0 м3/с и частоте вращения якоря 20 с-1.

В установившемся режиме:

1) при токе якоря /я = 600 А температура активной поверхности якоря Та =81 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп = 47 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 73 °С, температура лобовых частей Тл = 80 ОС;

2) при токе якоря I = 700 А температура активной поверхности якоря Та = 85 °С, температура поверхности главных полюсов Тгп = 49 °С, температура поверхности добавочных полюсов Т = 83 °С, температура лобовых частей Т = 89 °С.

Таким образом, перегрев коллектора выше максимально допустимой температуры возможен при токе нагрузки, превышающем ток длительного режима, или при нарушении нормальной работы системы охлаждения ТЭД.

Для установления закономерностей процесса теплоотдачи поверхности коллектора в окружающую среду в экспериментальных исследованиях использовался способ стационарного теплового потока. Суть способа заключается в непосредственном измерении плотности теплового потока коллектора как отношения его величины (P ) к площади теплоотдающей поверхности (FK) и разности температуры поверхности ( Т ) и окружающей среды (Т ). В качестве охлаждающей среды в ТЭД используется воздух. Величина коэффициента теплоотдачи поверхности определялась как

ос.

F. Т - Т

Коэффициент теплоотдачи поверхности коллектора определялся при следующих условиях: ТЭД работал без принудительного охлаждения при

естественной вентиляции; ТЭД работал с принудительным охлаждением от постороннего вентилятора с переменной производительностью Q.

На рис. 3 приведены зависимости изменения коэффициента теплоотдачи поверхности коллектора от его окружной скорости для указанных выше условий.

Рис. 3. Зависимости изменения коэффициента теплоотдачи:

1 - QB = 0; 2 - QB = 0,4 м3/с; 2 - QB = 1,0 м3/с; 4 - Q = 1,3 м3/с

Протекание тепловых переходных процессов при изменяющейся нагрузке - явление сложное и не всегда поддающееся расчету, поэтому о температуре обмоток ТЭД не всегда можно судить по току, протекающему в данный момент времени. Остаточные тепловые потоки свойственны для систем «обмотка якоря - сердечник якоря» и «коллектор - обмотка якоря».

Во время стендовых испытаний с целью исследования остаточных тепловых потоков ТЭД работал с током нагрузки 800 А и расходом

-5

охлаждающего воздуха 1,0 м /с. Температура коллектора составляла 91 °С, передних лобовых частей - 94 °С, температура активной части якоря -109 °С.

На рис. 4 приведены временные зависимости изменения температуры элементов якоря после отключения нагрузки и выключения вентиляции при частоте вращения якоря 30 с-1.

В этом режиме тепловые процессы, происходящие в якоре, сопровождаются быстрым ростом температуры коллектора (линия 1) и передних лобовых частей (линия 2) на 12 °С и 17 °С соответственно при одновременном охлаждении активной части обмотки якоря (линия 2).

Рис. 4. Изменение температуры элементов якоря после отключения нагрузки и выключения вентиляции:

1 - коллектор; 2 - передние лобовые части;

3 - активная поверхность якоря

В результате исследований на стенде установлено:

1. Если тепловые постоянные времени взаимосвязанных элементов якоря равны или постоянная времени нагревающегося элемента больше, чем охлаждающегося, то при одинаковом предварительном прогреве элементов остаточный поток связи влияет лишь на длительность промежутка времени, в течение которого достигается установившийся перегрев. Превышения температуры нет.

2. Если постоянная времени нагревающегося элемента меньше, чем охлаждающегося, и предварительный нагрев одинаков, то в послепереходный период работы происходит повышение температуры нагревающегося элемента якоря.

3. При равенстве постоянных времени превышение текущего нагрева зависит от разности температуры элементов в допереходный период. Превышение температуры нагрева достигается тем большее, чем больше разница между температурой охлаждающегося и нагревающегося элементов якоря.

Таким образом, результаты исследования нагрева элементов якоря свидетельствуют о том, что остаточный тепловой поток связи может приводить к перегреву коллектора, а остаточный тепловой поток между обмоткой и сердечником - к перегреву обмотки якоря. Максимальное значение остаточного теплового потока связи наблюдается после перехода тепловоза из режима тяги в режим выбега.

Наиболее неблагоприятным в отношении перегрева коллектора ТЭД является переход от режима тяги к выбегу с последующим отключением энергетической установки. При этом происходит быстрый подогрев воздуха внутри ТЭД, а при отсутствии вентиляции и более высокий перегрев элементов якоря. Это приводит к ускоренному старению

изоляции передних лобовых соединений. Проверка нагрева коллектора должна производиться по формуле, учитывающей влияние теплового потока связи. Эта формула может быть получена исходя из закона нагревания однородного тела:

0 = 0

где 0 - температура перегрева коллектора в конце рассчитываемого промежутка времени, °С;

0да - перегрев коллектора в установившемся режиме, °С;

0О - начальный перегрев коллектора, °С;

Ат - расчетный промежуток времени, с;

T - тепловая постоянная времени, с.

Значение установившегося перегрева коллектора выражается формулой

0^ =

АД

а

где АРк - потери энергии в коллекторе, Вт;

& - тепловой поток от коллектора, Вт/°С.

При наличии тепловой связи между коллектором и обмоткой установившийся перегрев коллектора

©. =

АР - к 0 - 0.

&

где кт - коэффициент, учитывающий тепловую связь между коллектором и обмоткой якоря;

©ооя - установившийся перегрев обмотки якоря при стационарном режиме работы ТЭД, °С.

Зависимость текущего перегрева коллектора при нестационарном режиме работы ТЭД может быть выражена формулой

0 = 0

где 0 - разница температур между текущим нагревом обмотки якоря в

нестационарном режиме и установившимся для данного сочетания координат состояния, °С;

ско = —— коэффициент, учитывающий влияние нагрева обмотки якоря. Qk

Экспериментальная проверка зависимости (5) свидетельствует о хорошей сходимости результатов расчета. Максимальное расхождение данных по температуре перегрева не превышает 4 %.

3 Эксплуатационные исследования теплового состояния коллекторных ТЭД

Эксплуатационные испытания с использованием в качестве датчика измерения температуры инфракрасного пирометра АТТ-2508 выполнялись на участке обращения Кириши - Пыталово (расстоянием 448 км) локомотивов 2ТЭ116 в условиях рядовой эксплуатации без каких-либо ограничений. Масса груженых поездов составляла 5600...5900 т. Масса порожних поездов колебалась от 1500.1800 т. Участок обращения имеет равнинный и перевалистый профиль с руководящим подъемом до 12 %о. Установленная скорость для грузовых поездов - 90.100 км/ч. Во время опытных поездок вентиляторы охлаждения ТЭД находились в летнем режиме работы. При движении с гружеными и порожними вагонами профиль пути позволяет длительное время следовать с выключенной второй секцией.

Результаты испытаний контрольных ТЭД тепловозов 2ТЭ116 свидетельствуют о том, что при вождении поездов различных весовых категорий величины средневзвешенного нагрева активной части поверхности якоря находятся в пределах 65.75 °С. Набольшая величина нагрева составила 102 °С на расчетном подъеме с поездом повышенного веса. В ходе эксперимента максимальный нагрев коллектора ТЭД составил 96 °С, а минимальный - 16 °С. Максимальный нагрев коллектора получен на участке с установленной скоростью движения 100 км/ч (27,8 м/с) на той секции тепловоза, которая в пути следования отключалась.

На участках с равнинным профилем изменение мощности энергетической установки тепловоза производится только при разгоне и остановке поезда. После разгона уровень мощности и скорость движения тепловоза с поездом изменяются незначительно. В это время происходит монотонный нагрев коллектора и обмотки якоря до среднеэксплуатационных значений. При этом не возникает остаточных тепловых потоков связи между обмоткой якоря и коллектором. Нагрев элементов якоря происходит по зависимостям, характерным для стационарных режимов работы ТЭД (рис. 5, а).

При работе тепловоза на участках с перевалистым профилем скорость движения поезда изменяется в широких пределах. Регулирование скорости движения осуществляется путем изменения уровня мощности энергетических установок тепловоза и ослабления магнитного потока возбуждения ТЭД. При регулировании уровня мощности дизель-

генератора изменяется расход охлаждающего воздуха и распределение потерь энергии в элементах ТЭД

б)

в)

Рис. 5. Изменение температуры коллектора при различных режимах движения тепловоза: а) по равнинному профилю; б) по перевалистому профилю; в) при нестационарном режиме работы

Смена распределения потерь энергии по элементам якоря и интенсивности их охлаждения приводит к изменению характера тепловых процессов в элементах якоря, в результате чего возникают тепловые потоки связи.

В нестационарном режиме работы тепловоза наиболее неблагоприятным в отношении нагрева коллектора ТЭД является переход от режима тяги к выбегу или остановке с последующим отключением энергетической установки. Увеличение температуры коллектора в нестационарном режиме работы, зарегистрированное в процессе экспериментальных исследований, составило 44 °С (рис. 6, в). Таким образом, в нестационарных режимах работы, при движении тепловоза по перевалистому профилю, нагрев коллектора приводит к перегреву токоведущих элементов и ускоренному старению изоляции коллектора и обмотки якоря.

Для исключения случаев перегрева коллектора и обмотки якоря ТЭД в эксплуатации необходимо внедрить на перспективных локомотивах устройства постоянного контроля температуры коллектора, которые, с одной стороны, обеспечат ограничение максимального тока в зависимости от фактической температуры коллектора, а с другой стороны, сигнал датчика температуры будет определять требуемую производительность вентиляторов охлаждения ТЭД.

Заключение

Электрические машины локомотивов работают в достаточно тяжелых условиях, значительно отличающихся от работы стационарных электрических машин. Одной из основных причин отказов ТЭД в эксплуатации (34,4 % случаев) является пробой из-за перегрева обмоток якоря, главных и добавочных полюсов, а также из-за превышения допустимых температур коллектора (и вследствие этого, например, выплавление припоя петушков коллектора, почернение поверхности зеркала коллектора и т. п.). Одним из современных методов диагностирования перегрева ТЭД является бесконтактный метод с использованием инфракрасного пирометра в качестве средства измерения температуры поверхностей якоря. Достоинством данного метода является его высокая точность, удобство получения, обработки и интерпретации информации, возможность сохранять полученные данные на различных информационных носителях, относительно невысокая стоимость внедрения и др.

Библиографический список

1. Новые электрические машины локомотивов / А. В. Грищенко, Е. В. Козаченко. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - 2008. - 271 с. - ISBN 978-5-89035-520-1.

2. Теплотехника : учеб. пособие / И. Г. Киселев. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2008. - 278 с.