Моделирование режимов ИК-энергоподвода в технологии продления ресурса тяговых электрических машин с использованием метода конечных элементов

УДК 621.33.025

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ИК-ЭНЕРГОПОДВОДА В ТЕХНОЛОГИИ ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

© Е.Ю. Дульский1

Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Представлены результаты по осуществлению математического компьютерного моделирования режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток тяговых электрических машин с использованием метода конечных элементов. Работы по моделированию осуществлялись в программном комплексе по виртуальному компьютерному моделированию корпорации «MSC Sowtfare» Software??? - «Patran/Marc». В статье представлены основные этапы по моделированию в данном программном комплексе, основная цель которого -определение наиболее эффективных и рациональных режимов ИК-энергоподвода. Ил. 18. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: изоляция; капсулирование; тяговые электрические машины; инфракрасное излучение; моделирование; метод конечных элементов.

MODELING INFRARED ENERGY SUPPLY MODES IN FINITE ELEMENT METHOD-BASED TECHNOLOGIES EXTENDING TRACTION ELECTRIC MACHINE SERVICE LIFE E. Yu. Dulsky

Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of the mathematical simulation of infrared energy supply modes in the capsulation technology of electric traction machine winding insulation with the application of the finite element method. Modeling has been performed in the "Patran/Marc" software package on virtual computer simulation produced by "MSC Software" co r-poration. The article gives the main simulation stages in the software package that is aimed at detecting the most effective and efficient modes of the infrared energy supply. 18 figures. 3 sources.

Key words: insulation; capsulation; traction electrical machines; infrared radiation; simulation (modeling); finite element method.

В настоящее время развитие компьютерных технологий повлекло за собой создание мощных инженерно-вычислительных комплексов по компьютерному математическому моделированию с использованием численных методов интегрирования, которые широко применяются во многих отраслях машиностроения. Примером таких комплексов являются программные комплексы корпорации «MSC Software» -«Patran/Marc», позволяющие решать трудоёмкие задачи в различных областях техники.

Использование данного комплекса в нашем случае позволило смоделировать режимы ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК», о которой упоминалось нами ранее [1,2], с целью дальнейшего определения наиболее эффективных и рациональных режимов ИК-энергоподвода.

Экспериментальные исследования рациональных режимов ИК-энергоподвода на реальном опытно-производственном образце установки по капсулиро-ванию изоляции обмоток ТЭМ - очень трудоёмкий процесс. Но использование программного комплекса «MSC Patran/Marc» даёт возможность моделирования процесса капсулирования изоляции обмоток ТЭМ при

различных режимах ИК-энергоподвода без проведения многократных испытаний на опытно-производственном образце установки, а лишь нескольких по проверке результатов моделирования на сходимость и достоверность.

Процесс моделирования режимов ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» в программном комплексе «MSC Ра^ап/Магс» можно разделить на следующие этапы:

1) Создание 3D модели.

2) Разбиение модели на конечно элементную сетку.

3) Предание конечным элементам свойств реальных материалов.

4) Задание граничных условий и нагрузок.

5) Анализ (решение).

6) Графическая визуализация решения.

При первых попытках смоделировать процесс капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД НБ-514Б электровозов серии «ЕРМАК» выяснилось, что это сложная задача. Сложность обусловливалась отсутствием литературы и примеров по моделированию и решению задач в данном программном

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

комплексе, схожих с нашей задачей. С этой позиции моделирование осуществлялось для простых моделей, постепенно, шаг за шагом переходя к более сложным (реальным).

Первым этапом в моделировании процесса капсу-лирования изоляции электрических машин тягового подвижного состава является создание геометрической 3D модели ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря тягового двигателя (ТД). В данной работе 3D моделирование проводилось в программном комплексе «Компас^ V13» (рис. 1). Расстояние между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря для данного примера было задано 20 см.

Далее, импортируем данную 3D модель в программный комплекс «MSC-Patran» (рис. 2), предварительно выбрав в нем решатель тепловых задач «MSC Marc».

Следующим шагом является разбиение модели на конечно-элементную сетку (рис.3). Чем больше количество элементов при разбиении сетки, тем точнее расчет.

После этого задаем параметры объектов (теплоёмкость, теплопроводность и плотность): ИК-излучателю придаем свойства керамики, а сегменту лобовой части - свойства пропиточного лака марки ФЛ-98.

Большинство задач анализа заключается в определении отклика созданной модели на некоторые воздействия, такие как сила, давление или, как в случае капсулирования изоляции, тепловое излучение. Эти воздействия называются нагрузками [3].

Следующим этапом является задание нагрузок, действующих на данную модель.

1

Рис. 1. Создание 3D модели ИК-излучателя и сегмента лобовой части обмотки якоря ТД в программном комплексе «Компас^ У13»: 1 - Ик-излучатель;

2 - сегмент лобовой части

В самом первом и простом варианте модели в качестве нагрузки использовалась лишь температура нагрева ИК-излучателя (700оС) и задание излучения между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки (рис. 4).

Финальным этапом является анализ (расчет) созданной модели. В самом первом варианте моделирования в параметрах анализа был задан расчет в установившемся режиме, что соответствует непрерывному режиму ИК-энергоподвода.

Рис. 2. Импорт 3D модели в «MSC-Patran»

Рис. 3. Создание конечно-элементной сетки

Рис. 4. Задание нагрузок на модель: 1 - температура нагрева ИК-излучателя (700 оС); 2 - излучение

Одним из важных параметров, который определяется при расчете, является УКИ моделей, пример визуализации расчета УКИ представлен на рис. 5.

б)

Рис. 5. Визуализация расчета УКИ в системе «ИК-излучатель - сегмент лобовой части обмотки в решателе «MSC SindaRad»: а - крупная

конечно-элементная сетка; б - мелкая конечно-элементная сетка

После определения УКИ в «MSC Marc» рассчитываются неизвестные температурные поля (в нашем случае это температура нагрева сегмента лобовой части ИК-излучателем). Далее результаты визуализируются на экране (рис. 6).

Из рис. 6 видно, что температура нагрева верхней части сегмента лобовой части в установившемся режиме достигает значения, превышающего 400оС, хотя на практике, при непрерывном ИК-энергоподводе, она равна примерно 300оС. Такие расхождения очевидны, так как в первой модели было не учтено много факторов, таких как осцилляция процесса капсулирования (прерывный режим ИК-энергоподвода), поглощение тепла медной обмоткой, свободная конвекция, излучение сегментов лобовых частей между собой. В дальнейшем каждая новая составленная модель учитывала новый фактор.

Рис. 6. Визуализация расчетов в среде «MSC Patran-Marc»

Следующим этапом являлось моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода, который являлся уже неустановившимся переходным процессом в анализе «MSC Marc».

Осциллирующий режим ИК-энергоподвода был смоделирован заданием значений температуры нагрева ИК-излучателя по функции от времени (рис. 7).

Рис. 7. Моделирование осциллирующего режима ИК-энергоподвода

На рис. 8 представлен график зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части от времени. Из рисунка видно, что по сравнению с предыдущей моделью температура нагрева стала меньше и соответственно достовернее.

Следующий этап моделирования заключался в иллюстрации зависимости температуры нагрева сег-

Рис. 8. График зависимости температуры нагрева верхней точки сегмента лобовой части

от времени

l-LAYERED)

мента лобовой части обмотки якоря от его расстояния до ИК-излучателя. Моделирование проводилось для трех расстояний: 20, 30 и 40 см (рис. 9-11).

-LAYERED)

6.60+002 6.20+002

6.01+002 4.61+002

3.41+002

3.01+002

2.61+002

2.21+002

1.81+002

1.42+002 1.02+002

Рис. 9. Визуализация моделирования осциллирующего

режима ИК-энергоподвода при расстоянии между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря 20 см

Рис. 10. Визуализация моделирования осциллирующего

режима ИК-энергоподвода при расстоянии между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря 30 см

Рис. 11. Визуализация моделирования осциллирующего

режима ИК-энергоподвода при расстоянии между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря 40 см

Из рис. 9-11 видно, что изменение расстояния между ИК-излучателем и сегментом лобовой части обмотки якоря существенно снижает температуру нагрева этого сегмента.

Далее был смоделирован осциллирующий режим ИК-энергоподвода при нагреве сегмента лобовой части обмотки якоря от двух ИК-излучателей (как на реальной установке, рис.12).

В результате модель приобрела вид ещё более схожий с реальностью. Визуализация решения по данному этапу моделирования представлена на рис. 13.

Следующим шагом было добавить в модель еще несколько сегментов для учета их взаимоизлучения (рис. 14).

На реальном образце установки для капсулирова-ния изоляции лобовых частей обмоток якоря ТД под ИК-излучателем помещается 6 сегментов лобовой части обмотки (рис. 15).

В связи с этим был смоделирован осциллирующий режима ИК-энергоподвода при нагреве ИК-излучателем шести сегментов лобовой части обмотки якоря ТД (рис. 16). На рисунке видно, что для всех шести сегментов распределение температуры нагрева

Рис. 12. Осциллирующий режим ИК-энергоподвода при нагреве сегмента лобовой части обмотки якоря от двух ИК-излучателей

по их поверхности почти одинаково. Исходя их этого, в целях экономии расчетного времени целесообразно остановиться на рассмотрении трех сегментов, ведь при расчете шести сегментов вместо трех время, затрачиваемое на анализ, увеличивается почти вдвое.

Рис. 13. Визуализация моделирования осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве от двух излучателей

7.00+002 6.53+002 6.07+002 5.60+002 5.13+002 4.67+002 4.20+002 3.73+002 3.27+002 2.80+002 2.33+002 1.87+002 1.40+002 9.33+001

I,»

Рис. 14. Визуализация моделирования осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве двух излучателей трех сегментов лобовой части обмотки якоря ТД

Рис. 15. ИК-излучатель и сегменты лобовой части обмотки якоря ТД

Последним этапом было моделирование осциллирующего режима с учетом свободной конвекции и поглощения тепла медной обмоткой якоря.

Рис. 16. Визуализация моделирования осциллирующего режима ИК-энергоподвода при нагреве ИК-излучателем шести сегментов лобовой части обмотки якоря ТД

Для этого, во-первых, помимо излучения в качестве нагрузки задавалась свободная конвекция сегментов лобовой части обмотки якоря. Во-вторых, сегмент лобовой части в 3D геометрии был представлен как совокупность двух контактируемых тел (рис. 17), каждому из которых были заданы соответствующие свойства (первому телу - свойства лака с изоляцией, а второму - свойства меди).

Рис. 17. 3D модель сегмента лобовой части обмотки якоря ТД: 1 - лак+изоляция;

2 - медная обмотка

Между данными телами задавался термоконтакт, который и учитывал поглощение части тепла медной обмоткой. Визуализация результатов моделирования, учитывающего все вышеизложенные факторы, представлена на рис. 18.

Рис. 18. Визуализация моделирования осциллирующего режима ИК-энергоподвода технологии капсулирования изоляции лобовых частей обмотки якоря ТД типа НБ-514Б электровоза серии «ЕРМАК»

Таким образом, меняя различные значения параметров процесса капсулирования, о которых говорилось в данной статье (температура нагрева ИК-излучателя, угол его поворота относительно сегмента лобовой части обмотки, расстояние от ИК- излучателя

до сегмента лобовой части обмотки, осцилляция режима ИК-энергоподвода и т.д.), можно осуществлять моделирование различных режимов ИК-энергоподвода, в зависимости от требуемой в процессе ремонта ТД задачи.

Библиографический список

1. Худоногов А.М., Лыткина Е.М., Дульский Е.Ю. Иннова- изоляции электрических машин тягового подвижного соста-ционная технология повышения надёжности и продления ва // Вестник Иркутского государственного технического уни-ресурса электрических машин тягового подвижного состава верситета. 2°13. №7(78). С.132-136.

// Современные технологии. Системный анализ. Моделиро- 3. Рыбников Е.К., Володин С.В., Соболев Р.Ю. Инженер-

вание. 2012. №4(36). С.102—108. ные расчёты механических конструкций в системе

2. Дульский Е.Ю. Анализ пространственного распределе- MSC.Patran-Nastran: учебное пособие. М., 2003. Ч.1. 130 с. ния инфракрасного излучения в процессе капсулирования

УДК 63-83-52:519.768.2

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ НАЛАДКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ

© М.П. Дунаев1, А.М. Дунаев2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обсуждены основные логические методы технического диагностирования для наладки электрооборудования. Описан новый логический времявероятностный метод диагностирования для наладки преобразователя частоты. Построены графы алгоритмов технического диагностирования для наладки преобразователя частоты. Показана эффективность нового логического метода технической диагностики для наладки преобразователя частоты. Ил. 7. Табл.1. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: метод; диагностика; алгоритм; экспертная система; наладка; преобразователь частоты.

EXPERT SYSTEM DEVELOPMENT FOR FREQUENCY CONVERTER DEBUGGING M.P. Dunaev, A.M. Dunaev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article discusses basic logical troubleshooting methods for electrical equipment debugging. It describes a new logical time-probable diagnostic method for frequency converter debugging. The authors graph the troubleshooting algorithms and show the efficiency of the new logical technical diagnostic method for frequency converter debugging. 7 figures. 1 table. 9 sources.

Key word: method; trouble-shooting; algorithm; expert system; adjusting, frequency converter.

Введение. Бурное развитие силовой электроники в 90-х годах двадцатого века, давшее толчок для создания новых полупроводниковых силовых приборов и модулей, таких как GTO, ЮВТ, ЮСТ, MOSFIT, 1РМ и другие, привело к массовому переходу промышленности на использование частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Основой такого электропривода являются преобразователи частоты различных модификаций. Очевидно, что какими бы совершенными ни являлись современные полупроводниковые преобразователи частоты, проблемы их диагностирования и наладки остаются актуальными. В настоящей статье рассмотрены этапы создания консультирующей экспертной системы для наладки преобразователя частоты (ПЧ).

Основы комплексного метода контроля и

наладки. Наладка оборудования, сущность которой заключается в доведении выходных параметров объекта наладки (ОН) до паспортных значений, может рассматриваться как совокупность частных задач, самой сложной из которых обычно является диагностирование ОН.

В настоящее время можно выделить два подхода к диагностированию.

Первый подход отражает методы классической технической диагностики (ТД), основанной на математических моделях объектов и специальных алгоритмах диагностирования. Это направление детально рассмотрено в [1, 2].

Второй подход связан с использованием методов искусственного интеллекта и применением диагностических экспертных систем, основанных на знаниях

1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Dunaev Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: mdunaev10@mail.ru

2Дунаев Андрей Михайлович, студент, тел.: (3952) 410619, e-mail: mdunaev10@mail.ru

Dunaev Andrei, Student, tel.: (3952) 410619, e-mail: mdunaev10@mail.ru