Исследование эффективности осциллирующих режимов инфракрасного энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток при ремонте электрических машин тягового подвижного состава

УДК 621.33

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСЦИЛЛИРУЮЩИХ РЕЖИМОВ ИНФРАКРАСНОГО ЭНЕРГОПОДВОДА В ТЕХНОЛОГИИ КАПСУЛИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ПРИ РЕМОНТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО

ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье представлены результаты экспериментальных исследований по выявлению рациональных режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования изоляции обмоток электрических машин (ЭМ) тягового подвижного состава (ТПС). В данной работе опубликованы результаты по сравнению эффективности использования различных осциллирующих режимов инфракрасного (ИК) энергоподвода в процессе капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС на технологической установке при их деповском и заводском ремонте. Объективными факторами при сравнении режимов капсулирования являются такие параметры, как электрическая прочность и цементирующая способность.

В представленных нами ранее работах описывались исследования по сравнению эффективности использования конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток при ремонте электрических машин тягового подвижного состава [1]. Терморадиационный метод в этих исследованиях был реализован в непрерывном режиме ИК-энергоподвода, когда пропитанная изоляция постоянно находилась под воздействием ИК-излучения, на лабораторном стенде по физическому моделированию процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

Известно, что капиллярно-пористые коллоидные тела, такие как пропитанная в лаке или компаунде изоляция обмоток ЭМ ТПС, при капсулировании ИК-излучением имеют значительные градиенты содержания смолы и растворителей (до 90 % при пропитке лаками) и интенсивно прогреваются [2].

Быстрое повышение температуры пропитанной изоляции после критической точки приводит к длительному воздействию высокой температуры на изоляцию, что вызывает ухудшение ее технологических свойств.

Значительный температурный градиент, направленный противоположно градиенту содержания смолы и растворителя, замедляет перемещение растворителя из внутренних слоев пропитанной изоляции к поверхности, что также отрицательно влияет на качество процесса капсулирования.

Отсюда возникает необходимость в прерывистом (осциллирующем) режиме ИК-энергоподвода, т. е. в сочетании нагрева пропитанной изоляции ИК-излучением с охлаждением ее воздухом.

В период облучения изоляция нагревается со значительным испарением растворителя в поверхностных слоях, а в период паузы она охлаждается в результате испарения растворителя за счет аккумулированной теплоты. Так как испарение происходит в основном в поверхностных слоях изоляции, то в период паузы температура на ее поверхности резко снижается и температурный градиент меняет свое направление (температура внутри пропитанной изоляции больше, чем на ее поверхности). В этом случае температурный градиент будет не замедлять, а ускорять подвод растворителя к поверхности изоляции, поэтому содержание растворителя в центре изоляции в период паузы уменьшается.

Следовательно, в период облучения к поверхности изоляции подводится теплота, необходимая для испарения растворителя, а в период паузы растворитель перемещается из центральных слоев к поверхностным. В этом случае нагрев изоляции незначительный (температурный градиент мал) и термодиффузия не препятствует перемещению растворителя.

Основными параметрами осциллирующего режима ИК-энергоподвода являются скважность и цикличность. Параметр скважности характеризует осциллирующий режим с позиции широтного регулирования по временной составляющей периода нагрева сегмента лобовой части обмотки ЭМ ТПС

ч

где тосц - период осцилляции, мин (рисунок 1);

тн - продолжительность облучения (нагрева сегмента лобовой части обмотки ИК-излучателем), мин,

х =т -х

н осц п 5 \ /

где тп - продолжительность паузы (охлаждения сегмента лобовой части обмотки), мин.

Рисунок 1 - Кривая нагрева изоляции при осциллирующем режиме ИК-энергоподвода в технологии капсулиро-вания изоляции обмоток ЭМ ТПС: - начальная температура нагрева, 4сц - конечная температура нагрева при

осциллирующем режиме

Цикличность же, в свою очередь, характеризует осциллирующий режим с позиции частотного регулирования скорости вращения якоря ЭМ ТПС на установке (т. е. количества периодов продолжительности облучения тн за один оборот):

N

N = осц ц т„

где Лгосц - количество периодов осцилляции тосц (оборотов якоря на установке);

тц -время процесса капсулирования изоляции обмоток ЭМ ТПС.

При неизменной скважности показатель цикличности может изменяться в широких пределах (по частотной характеристике) в зависимости от скорости вращения якоря на установке.

Были проведены экспериментальные исследования по выявлению рациональных осциллирующих режимов ИК-энергоподвода в технологии капсулирования при изменении параметра цикличности. Исследования осуществлялись на реальной установке по капсулирова-нию изоляции (рисунок 2).

Установка состоит из двух основных частей: основания, на котором располагается якорь 1 ТЭД типа НБ-514Б электровоза серии «Ермак», и генератора теплового излучения 2 (см. рисунок 2). Якорь одним концом вставляется в буксу 7 и опирается на резиновые ролики 6, через муфту 5 и редуктор 4 соединяется с асинхронным двигателем 8. Управление работой установки осуществляется с помощью пульта 3.

Особенностью установки является наличие управляемого генератора теплового излучения, питающегося от трехфазной сети напряжением 380 В, состоящего из шести групп регулируемых облучателей (по две группы на каждую фазу), которые представляют собой совокупность ИК-излучателей и рефлекторов-отражателей (рисунок 3).

х

х

н

№ 2(18) ОЛИ л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 25

2014 1

Рисунок 2 - Общий вид опытно-производственной установки для капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якорей ТЭД электровозов

Регулирование расположения облучателей над обмоткой якоря ТЭД осуществляется путем изменения длины крепления облучателя l и углов наклона рефлектора ф1 и ф2.

Суть эксперимента заключалась в поочередном проведении процесса капсулирования изоляционной ленты ЛЭС-0,1-20, пропитанной в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт 155, ПК-11 и ПК-21, на данной установке в осциллирующем режиме ИК-энергоподвода сначала только коротковолновыми ИК-излучателями, затем только средневолновыми и в конце - комбинацией этих двух видов ИК-излучателей в спектрально-осциллирующем режиме ИК-энергоподвода [3].

Образцы ленты ЛЭС, пропитанные в лаке ФЛ-98 и компаундах Эпласт-155, ПК-21 и ПК-11, размещались на лобовой части обмотки якоря, как показано на рисунке 4. Данное расположение было обусловлено необходимостью проверки эффективности процесса капсулирования лишь по вершине лобовой части обмотки как на самом уязвимом от воздействия негативных факторов (теплота, влага, пыль и т. д.) месте [4].

Рисунок 3 - Общий вид генератора теплового излучения

Рисунок 4 - Размещение пропитанных в лаке ФЛ-98 (1) и компаундах Эпласт 155 (2), ПК-21 (3), ПК-11 (4) образцов ленты ЛЭС на лобовой части обмотки якоря ТЭД

Каждый из режимов проводился при различных частотах вращения якоря (0,46, 2,3 и 4,6 об/мин), соответствующих значениям частот питающего напряжения 5, 25 и 50 Гц при работе привода установки от преобразователя частоты (режимы с частотой менее 5 Гц не рассматривались, так как нагрев изоляции был слишком интенсивный и максимальная температура нагрева достигалась практически мгновенно).

Процесс капсулирования для всех режимов занимал 30 мин. Скважность периода работы ИК-излучателей при этом оставалась неизменной и равнялась 2,4; изменялся лишь показатель цикличности, который для режима при 5 Гц составлял 2,8 периода в минуту, для 25 Гц -14, а для 50 Гц - 28 периодов в минуту.

Сопоставимость данных экспериментальных исследований обеспечивалась одинаковой дозой А облучения для всех вариантов запланированных опытов с обязательным контролем напряжения, подводимого к генератору теплового излучения, МДж/мм2:

Р-х А = Р-Хп

5

где Р - мощность ИК-излучателя, Вт;

тп - полный период облучения (за время работы, 30 мин), с;

S - площадь лобовой части обмотки якоря тягового электродвигателя (ТЭД), мм2.

Проведенный расчет дозы облучения при 30-минутном процессе капсулирования изоляции лобовых частей обмоток якоря ТЭД типа НБ-514Б показал, что для всех заданных режимов доза облучения практически одинакова и составляет 1,4 МДж/мм2.

На следующем этапе данного эксперимента образцы изоляционной ленты проверялись на пробивное напряжение на аппарате АИИ-70. Результаты проверки представлены в виде гистограмм средних арифметических значений пробивного напряжения в зависимости от режимов ИК-энергоподвода и скорости вращения якоря ТЭД на установке (рисунки 5 - 7).

Рисунок 5 - Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при осциллирующем ИК-энергоподводе с коротковолновым изучением

По результатам проведенных исследований по определению электрической прочности изоляционной ленты ЛЭС 0,1-20 можно сделать несколько выводов:

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 [1];

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

№ 2

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

ванием средне- и коротковолновых ИК-излучателей при наименьшем количестве периодов облучения (при минимальной частоте вращении якоря ТЭД 0,46 об/мин). Это объясняется несколькими факторами: во-первых, при использовании двух видов ИК-излучателей (средне-и коротковолновых) первые обеспечивают более равномерное по толщине слоя пропитанной изоляции распределение тепла, а вторые - более быстрое проникновение ИК-излучения в нижние слои пропиточного материала. Во-вторых, при скорости вращения якоря ТЭД 0,46 об/мин, соответствующей частоте питающего напряжения 5 Гц, длительность периода паузы (охлаждения) пропитанной изоляции составляет 76 с. В момент паузы за счет термодиффузии температура внутри пропитанной изоляции успевает полностью выровняться по всей толщине. Это способствует равномерности процесса полимеризации и более качественному его протеканию.

Рисунок 6 - Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при осциллирующем ИК-энергоподводе со средневолновым изучением

Рисунок 7 - Гистограмма средних арифметических значений пробивного напряжения при спектрально -осциллирующем режиме ИК-энергоподвода с чередованием средне- и коротковолнового изучения

Заключительным этапом исследований являлась проверка твердости закапсулированных образцов изоляционной ленты ЛЭС. Результаты исследований представлены на рисунке 8.

Рисунок 8 - Твердость закапсулированной изоляционной ленты ЛЭС

По данным результатам (см. рисунок 8) можно сделать вывод о том, что наибольшую твердость имеет закапсулированная изоляционная лента, пропитанная в компаунде Эпласт 155. Из рисунка 8 видно, что изменение скорости вращения якоря при различных осциллирующих режимах в значительной мере не влияет на показатели твердости закапсулированной изоляции, так как твердость с изменением скорости остается практически неизменной.

Список литературы

1. Дульский, Е. Ю. Исследование эффективности конвективного и терморадиационного методов капсулирования изоляции обмоток при ремонте электрических машин тягового подвижного состава [Текст] / Е. Ю. Дульский, Н. С. Доценко, Е. М. Лыткина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - № 1 (17). - С. 14 - 19.

2. Лыков, А. В. Теория сушки [Текст] / А. В. Лыков. - М: Энергия, 1968. - 472 с.

3. Пат. 2515267 Российская Федерация, Н 02 К 15/12. Спектрально-осциллирующий способ пропитки изоляции лобовых частей обмоток вращающихся электрических машин и устройство для его реализации [Текст] / Лыткина Е. М., Дульский Е. Ю., Худоногов А. М. (Россия); заявитель и патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщения. -№ 2012157499/07; заявл. 26.12.2012; опубл. 10.05.2014.

4. 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.

References

1. Dul'skii E. Iu., Dotsenko N. S., Lytkina E. M. Research of efficiency of convective and thermoradiation methods capsulation of isolation of windings in the repair of electric cars traction rolling stock [Issledovanie effektivnosti konvektivnogo i termoradiatsionnogo metodov kapsuliro-vaniia izoliatsii obmotok pri remonte elektricheskikh mashin tiagovogo podvizhnogo sostava]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 1 (17), pp. 14 - 19.

2. Lykov, A. V. Teoriia sushki (Theory of drying). Moscow: Energiia Publ., 1968, 472 p.

3. Lytkina E. M., Dul'skii E. Iu., Khudonogov A. M. Patent RU2012157499/07(090552) Н02К 15/12, 26.12.2012.

№ 2(18) 2014

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

4. Lytkina E. M., Dul'skii E. Iu., Khudonogov A. M. Fundamentals of local method of extending the life of isolation of electric cars traction rolling stock thermal radiation [Osnovy lokal'nogo metoda prodlenija resursa izoljacii jelektricheskih mashin tjagovogo podvizhnogo sostava teplovym izlucheniem]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 1 (17), pp. 26 - 30.

УДК 621.791

В. В. Меликов, Ш. С. Файзибаев, Э. С. Набиев

ШИРОКОСЛОЙНАЯ НАПЛАВКА ГРЕБНЯ ЦЕЛЬНОКАТАНОГО КОЛЕСА МНОГОЭЛЕКТРОДНЫМ СПОСОБОМ

В работе представлены результаты экспериментального исследования термического цикла многоэлектродной наплавки гребня цельнокатаного колеса и его влияния на структурообразование в зоне термического воздействия.

К началу обвального износа колес и рельсов перед ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» встала проблема приобретения вагонных колес и рельсов для замены износившихся до предела.

За счет проведения на дорогах бывшего СССР сужения рельсовой колеи дорожки катания колес и рельсов сместились внутрь колеи. Это привело к увеличению колебания фрикционных возможностей между колесами одной колесной пары на прямых участках пути и в еще большей степени - при прохождении ею по кривым малого радиуса, способствуя дополнительному скольжению и износу колес.

За последние два - три десятилетия по мере увеличения мощности локомотивов и массы поездов изменилось отношение и к допустимому избыточному скольжению колес относительно рельсов. За это время скольжение повысилось с 2 - 3 до 5 - 10 % от скорости движения поезда [1]. Избыточное скольжение колес относительно рельсов является источником значительной энергии, выделяющейся в относительно малом объеме зоны трения колеса и рельса. Достаточно сказать, что в ряде случаев при трогании и движении по лимитирующему подъему локомотив расходует на тепло, выделяющееся в зоне трения его колес с рельсами, до 20 - 25 % своей мощности. Эта энергия идет на разогрев поверхностного слоя материала колес и рельсов, достигающий нескольких сотен, а иногда и тысячи градусов Цельсия, в результате чего ухудшаются механические свойства этого материала. Тем самым только за счет знания исходного состояния дорожек трения колес и рельсов и дозированного регулирования тепла, выделяющегося в зоне трения, представляется возможность как увеличить, так и уменьшить силу трения между колесом и рельсом, а также уменьшить или увеличить интенсивность их изнашивания.

Немаловажное значение в данном вопросе имеют материал поверхности колес, его физико-химические свойства при трении о рельс. Наиболее простым и перспективным направлением является создание биметаллических колес и рельсов, у которых будет правильно подобран максимальный коэффициент трения как при малых, так и при больших скоростях движения. Для решения этой глобальной проблемы необходимо качественно и с высокой производительностью наплавлять колеса.

Наплавка колесной стали, имеющей повышенное содержание углерода, затруднена вследствие возможности образования в металле шва и зоны термического влиянии (ЗТВ) закалочных структур и холодных трещин. И поскольку колесо является одним из наиболее нагруженных и ответственных за безопасность движения элементов ходовой части, то получение благоприятных структур, гарантирующих надежность и прочность наплавленного металла, является одной из актуальных задач восстановительной наплавки.