Анализ пространственного распределения инфракрасного излучения в процессе капсулирования изоляции электрических машин тягового подвижного состава

УДК 621.33.025

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

© Е.Ю. Дульский1

Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, д. 15.

Дано теоретическое обоснование эффективности использования теплового излучения в технологии капсулиро-вания изоляции обмоток электрических машин при ремонте тягового подвижного состава. Рассмотрены основные законы теплового излучения применительно к данной технологии. Кроме того, представлены элементы моделирования методов нахождения угловых коэффициентов излучения в системе «ИК-излучатель - лобовая часть обмотки якоря» при капсулировании изоляции обмоток якорей тяговых электрических машин.

Ил. 6. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: изоляция; капсулирование; тяговые электрические машины; инфракрасное излучение; угловые коэффициенты излучения.

ANALYSIS OF SPATIAL DISTRIBUTION OF INFRARED RADIATION UNDER INSULATION CAPSULATION OF ELECTRICAL MACHINES OF TRACTION ROLLING STOCK E.Yu. Dulsky

Irkutsk State University of Railway Engineering,

15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents a theoretical justification of the efficiency of heat radiation use in the capsulation technology of electrical machine winding insulation when repairing traction rolling stock. It considers the basic laws of heat radiation as applied to this technology. Moreover, the article lists the modeling elements of the methods for finding the angular radiation factors in the system of “IR emitter - frontal part of the armature winding” under the capsulation of armature winding insulation of traction electrical machines.

1Дульский Евгений Юрьевич, аспирант, тел.: 89834034643, e-mail: E.Dulskiy@mail.ru Dulsky Evgeny, Postgraduate, tel.: 89834034643, e-mail: E.Dulskiy@mail.ru

132

ВЕСТНИК ИрГТУ №7 (78) 2013

6 figures. 4 sources.

Key words: insulation; capsulation; traction electrical machines; infrared radiation; angular radiation factors.

Использование инфракрасного (ИК) нагрева в осциллирующем режиме энергоподвода с определением оптимальной скважности периода работы излучателей позволяет наиболее эффективно применять технологию капсулирования изоляции обмоток [1] при ремонте тяговых электрических машин (ТЭМ). Несмотря на большой объём работы, выполненной в этом направлении [2], не были решены задачи по влиянию спек-трально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода.

Так как изоляция является капиллярно-пористым и коллоидным телом, обладающим значительной рассеивающей способностью и характеризующееся селективными (избирательными по длине волны) оптическими свойствами, использование спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода является актуальным.

При моделировании спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода было проанализировано пространственное распределение ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции электрических машин ТПС в системе «ИК-излучатель - сегмент лобовой части» (рис. 1).

Тепловой поток ИК-излучения, испускающийся каждой элементарной площадкой dF1 поверхности ИК-

dQu = М c0s^ic20s^ dFdF.

лт

Вторая часть данного уравнения есть взаимная поверхность излучения, показывающая эффективную часть поверхности dF1 ИК-излучателя, которая излучает только на поверхность dF2 сегмента лобовой части:

H = cos^rns^ dFidF2.

лт

Зная взаимную поверхность излучения, можно определить долю излучения, ушедшую с поверхности dF1 на поверхность dF2, что представляет собой средний угловой коэффициент излучения (УКИ):

Рис. 1. Пространственное распределение ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции электрических

машин ТПС

излучателя и облучающий элементарную площадку dF2 лобовой части обмотки, согласно закону Ламберта [3], находится по формуле:

М dQn = — cos ^dFjdQ,

л

где M - энергетическая светимость; dQ - телесный угол (рис. 2), равный

dQ = cos^ dF2;

г - ось телесного угла dQ (расстояние между источником и приемником ИК-излучения); ф1, ф2 - углы между нормалями п1, п2 и осью г.

С учетом формулы (2) закон Ламберта примет вид

Рис. 2. Пространственное распределение теплового потока ИК-излучения в процессе капсулирования изоляции электрических машин ТПС

r

7 dH12

dFl

cos cos (p2dF2

ж

Определение УКИ является трудоёмким времяза-тратным процессом. Суть расчета заключается в разбиении площадей излучаемых поверхностей на фасетную поверхностную сетку. Чем сложнее геометрия (как в нашем случае с ИК-излучателем и сегментом лобовой части), тем сложнее разбиение и, соответственно, расчеты (рис. 3).

Рис. 3. Построение фасетной поверхностной сетки

УКИ (см. рис. 3) находим по формуле:

dF • dpl2 = (dFla + dFl6)d^

= dF1a (d?1a2a + dVla26 ) + dF16(d@162a ^ d@1626)^......,

где бР1а и 6Р16 - соответственно площади элементарных площадок фасетной поверхностной сетки; бф12 -средний угловой коэффициент излучения поверхности 1 на поверхность 2; бф1а2а, бф1а2а, бф1а2а, и бф1а2а - соответственно угловые коэффициенты излучения элементарных площадок фасетной поверхностной сетки 1 и 2.

В значительной мере сократить время на нахождение УКИ и визуализировать результаты расчетов позволяет использование современных программных

комплексов инженерного анализа корпорации «MSC Software».

Расчет производился при помощи теплового решателя «MSC Sinda» (рис. 4).

Чем большее количество элементов задается при создании конечно-элементной сетки, тем точнее результаты.

Согласно закону Стефана - Больцмана энергетическая светимость равна

ТД

где Р, - коэффициент излучения; а - постоянная Стефана - Больцмана (5,66-10~8Вт/м2 • К4);

Т1, Т2- абсолютная температура нагрева площадей р и Р2 соответственно.

По закону смещения Вина - Голицина известно, что температура нагрева и длина волны, соответствующая максимуму спектра излучения при данной температуре, находятся в зависимости:

1 • Т = 2,897 -10'3 м • К.

Тогда, с учетом формул (3), (5), (7) и (8), получаем формулу по выявлению эффективной скважности периода работы ИК-излучателей при спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции ТЭМ:

= 4 1

V V

/Т

2,897j 10 1

-3

л4

Qi

12

F •&• dF1 • Fv

1 - е

-Т Т ТЧГ н

где ?тах - температура нагрева изоляции; тр - время нахождения сегмента изоляции обмотки ТЭМ под ИК-излучателем; Тн - постоянная времени нагрева ИК-излучателя; Тц - время цикла (рис. 5).

Nodes:

Facets:

1 Patches: э.ЭЗе-О IJ7

dF] /~ 5.94е-0 * VF Analyzed View Factors: 67934 dF!

/х 5.32е-003 4 84e° 03

ж 4.60е-0 03 ^ 4,M 03

3.76е-003 03

2 66е-0 2.4»-!

0.00е+С 1 O.OOe*

Facets:

427

Patches:

VF Analyzed View Factors: 67934

Рис. 4. Визуализация расчета УКИ в системе «ИК-излучатель - сегмент лобовой части»

Рис. 5. Осциллирование процесса капсулирования изоляции ТЭМ

jHflk V.

3L/ I' 'ч. ' 22

ш * 9 J \ ) 11* -

Рис. б. Осуществление спектрально-осциллирующего режима ИК-энергоподвода

Также известно, что спектральный состав излучения и пропиточный материал играют важную роль в отношении электрической прочности и цементирующей способности изоляции [4]. Согласно закону Бугера электромагнитное излучение при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону

-k,i

где 10 - интенсивность электромагнитного излучения на входе в поглощающий слой вещества толщиной I; кА - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны А электромагнитного излучения.

С этой позиции в технологии капсулирования предлагается исследовать три режима ИК-энергоподвода с целью определения наиболее эффективного: 1) с использованием в процессе капсули-рования только импульсно-керамических средневолновых ИК-излучателей; 2) с использованием только галогеновых коротковолновых ИК-излучателей; 3) с

чередованием средне- и коротковолновых ИК-излучателей (рис. 6).

В ближайшее время также планируется провести ряд работ по математическому моделированию процесса капсулирования изоляции электрических машин ТПС тепловым излучением с использованием современных программных комплексов инженерного анализа корпорации «MSC Software», об одном из которых частично упоминалось выше. Данные комплексы позволят смоделировать процесс капсулирования с различными параметрами (тип ИК-излучателя, расстояние от ИК-излучателя до лобовой части обмотки и т.д.) и режимами ИК-энергоподвода (непрерывный, осциллирующий). В дальнейшем, анализируя полученные результаты, можно будет говорить о выборе наиболее оптимального варианта реализации данной технологии. Проверка сходимости результатов моделирования с реальными будет проводиться на опытнопроизводственных установках по капсулированию изоляции электрических машин ТПС.

Библиографический список

1. Худоногов А.М., Лыткина Е.М., Дульский Е.Ю. Инновационная технология повышения надёжности и продления ресурса электрических машин тягового подвижного состава // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 102-108.

2. Лыткина Е.М. Повышение эффективности капсулирования изоляции лобовых частей обмоток тяговых двигателей элек-

тровозов инфракрасным излучением: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. Иркутск, 2011. 205 с.

3. Бураковский Т., Гизиньский Е., Саля А. Инфракрасные излучатели / пер. с польск. Л.: Энергия, 1978. 408 с.

4. Борхерт Р., Юбиц В. Техника инфракрасного нагрева / пер. с нем. под ред. И.Б. Левитина. М.: Государственное энергетическое изд-во, 1963. 278 с.