Диссертация (Повышение ресурса тяговых электрических машин электровозов эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях), страница 12

В результатеf   имеет вид, показанный на рисунок 3.4 б, а средний квадрат отклонениятакого распределения равенср   22 ( )  ср   ср 21 2d  2 .2 23(3.30)Для третьего режима  ср3   ср2   ср1 , а  2  3 . При этом времяизменения температуры от  ср3   3 до  ср3   3 и от  ср3   3 до  ср3   3значительно меньше времени с неизменной температурой, а значенияверхнего и нижнего уровней одинаковы, функция имеет вид f   .Тогда  32 ( ) имеет вид  32 , так как все отклонения одинаковы и равны 3 .Принимая к = 14 °С и  2   3  10 °С имеемdср1  d  ср  ;(3.31)100 1,085d  ср  ;3  2 196(3.32)100 1,25d  ср  .2  196d ср2  d  ср  1 d ср3  d  ср  1 (3.33)91абвРисунок 3.4. Распределение температуры при различныхтемпературных режимах92Колебания температуры обмоток ТЭМ значительно повышают износизоляции (рисунок 3.5).

При этом термомеханический износ изоляции ТЭМсущественно повышает общий износ изоляции.250∆dтр = 0,0844 Δ2 + 0,0316 Δ + 99,8%225200175150125100∆dтр755005101520253035Δ400СРисунок 3.5. Влияние колебаний превышения температурына износ изоляцииАнализ гистограмм колебаний температуры якорных обмоток ТЭМэлектровоза ВЛ80Р при ведении грузовых поездов, массой 1600, 4200 и 5700 тпо направлению Мариинск-Тайшет центрального направления Транссиба,приведенных во второй главе диссертации (рисунки 2.65-2.67), и расчетпоказали,чтоколебаниятемпературыобмоток,вызывающиетермомеханическое старение изоляции, увеличивают ее износ соответственнона 2,9; 18,1 и 33,8 % по сравнению с тепловым износом при неизменнойсредней температуре обмотки [70, 71].Термомеханическоестарениеизоляциинепропитанныхякорныхобмоток ТЭМ электровозов ВЛ85 Восточно-Сибирской ж.д.

значительновозрастает из-за пониженной упругости (хрупкости) изоляции как в зимний,93так и, в еще большей степени, в летний период эксплуатации, на чтоуказывают зависимости безотказности изоляции непропитанных якорныхобмоток ТЭМ от среднемесячных значений температуры воздуха (1 главарисунок 1.30-1.31).3.3.Механический износ изоляции ТЭМ электровозов,эксплуатируемых на полигонах с СПКУМеханические нагрузки на изоляцию ТЭМ полигонов с СПКУобусловлены электродинамическими силами, возникающих в обмотках,неуравновешенностью вращающихся частей, центробежными усилиями,ударамисостороныпривода.Этиусилияимеютциклическийзнакопеременный характер.

Неравномерный нагрев отдельных элементовобмоток в переходных режимах также приводит к деформации изоляции[72, 73].В тяговых электрических машинах изоляция работает в условияхпостоянной вибрации, особенно сильной на лобовых соединениях якорныхобмоток.Онаподвергаетсяпериодическимударныммеханическимвоздействиям, возникающим при прохождении по обмоткам больших токовпри наборе и сбросе нагрузки. Наиболее опасные механические напряжениявозникает на участках выхода якорной обмотки из пазов [74]. Под действиеммеханических нагрузок в изоляции образуются и постепенно увеличиваютсямикропоры и микротрещины. Когда их количество и размеры достигаюткритического значения наступает механическое разрушение изоляции.Наличие микропор и микротрещин существенно снижает электрическуюпрочность изоляции приводя к ее преждевременному пробою.Уточнён механизм пробоя изоляции открытых лобовых соединений(ОЛС)ТЭМполигоновсСПКУ,которыйобусловлендействиемрезультирующих сил – центробежной, тяготения и силы, создаваемой94бандажом задних лобовых соединений (рисунок 3.6) [75].

Эти силы привращении якоря ТЭМ создают пульсирующий, изменяющийся по величинемомент, приложенный в центре тяжести ОЛС. Момент вызывает изгибыизоляции вылетов секций, выходящих из пазов сердечника якоря. Прибоксовании, особенно интенсивном, амплитуда колебаний вылетов секцийрезко возрастает. Это приводит к накоплению механических повреждений визоляции и последующему пробою.Рисунок 3.6.

Фрагменты якорных обмоток ТЭМ НБ-418К6 и НБ-514:1 –лобовые соединения; 2 – поверхностный слой изоляции;3 – керамический конус; 4 –паз якоряСогласно исследований д.т.н., профессора ОмГУПСа И.И.Галиеваглубина промерзания грунта в зимний период эксплуатации определяетуровень вертикальных вибраций ТЭМ с опорно-осевым подвешиванием. Этопозволяет определить влияние вертикальных вибраций от пути набезотказность изоляции ТЭМ.

Зависимости, характеризующие влияниевертикальных вибраций отпути на ТЭМ типа НБ-514 электровозов,эксплуатируемых на полигонах с СПКУ, на безотказность изоляции якорныхи остовных обмоток, приведены во второй главе, а также приложениях 5- 7.3.4.Электрическое старение изоляции ТЭМ электровозов,эксплуатируемых на полигонах с СПКУДляизоляционныхконструкцийТЭМ,электрическоестарениепроисходит при напряженности поля в 5—20 раз меньших пробивного95напряжения.

Установлено, что срок службы Т изоляции зависит от величиныприложенного напряжения U [80] = ,(3.34)где А – постоянная, зависящая от свойств изоляции; n – показатель степени,зависящий от конструктивных особенностей изоляции.Для больших сроков службы = (−чр ),(3.35)где чр - напряжение, при котором в изоляционных материалах возникаютчастичные разряды.Электрическое старение изоляционныхконструкций происходитнеравномерно. В начале эксплуатации процесс старения замедлен. По мереувеличениясрокаслужбыизоляциярасслаивается,разрыхляется,собразование пор, трещин, газовых включений.На основании анализа результатов эксплуатации электроподвижногосостава постоянного тока при постоянном последовательном соединениитяговых электрических машин выявлено влияние величины напряжения назажимахтяговыхмашиннавероятностьизносизоляциитяговойэлектрической машины с учетом электрического старения [76].

Это позволилополучить зависимость, характеризующую степень влияния напряжения ТЭМна износ изоляции тяговых электрических машин электровозов переменноготока, эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях(рисунок 3.7).961,4∆dэл = 0,6895e0,0004UR = 0,919ед.1,210,80,60,4∆dэл0,20100300500700900110013001500ВUРисунок 3.7. Доля электрического старения в износе изоляции ТЭМполигонов с СПКУ при изменении напряжения на зажимахС учетом результатов исследований кинетики химических реакций визоляции от температуры, проведенных Вант Гоффом и Аррениусом,получена функциональная зависимость, связывающая скорость износаизоляции якорных обмоток ТЭМ электровозов полигонов с СПКУ свеличинамиосновныхэксплуатационныхиприродно-климатическихфакторов = т ∆тм1 ∆эл ∆виб ∆тм2(т = 11−)−н⁄⁄ (1−− )++∆вя +ϑв +273−1∆тм1 = 0,0844Δ2 + 0,0316Δ + 99,8,(3.36)∆эл = 0,6895e0,0004U∆виб =− 0,0055в +2,162,16{ ∆тм2 = 0,0073е2в − 0,24ев + 2,815где – скорость износа изоляции ТЭМ; т – скорость теплового износаизоляции на i-том элементе профиля пути при среднем превышении97температуры; ∆тм1 – изменение скорости износа изоляции вследствиевариаций превышения температуры обмоток (термомеханический износпервого вида); ∆эл – влияние электрического поля на скорость износаизоляции (электрический износ); ∆виб – изменение скорости износа изоляцииякорной обмотки из-за вибраций со стороны пути (механический износ);∆тм2 – влияние снижения упругости изоляции на скорость ее износа приуменьшении содержания влаги в воздухе (термомеханический износ второговида); В – коэффициент, характеризующий способность молекул изоляции кхимическому взаимодействию; Θн – предельно-допустимая температуракласса нагревостойкости изоляции; τyi – среднее превышение температурыобмотки якоря над температурой окружающей среды; τi – время движения поi-тому элементу профиля пути; Т- тепловая постоянная ТЭМ; ∆τвя – среднеепревышение температуры вентилирующего воздуха над температуройокружающей среды; в – температура окружающей среды; ∆τ – колебаниятемпературы перегрева обмотки якоря около среднего значения; U –напряжение на зажимах ТЭМ; ав – уровень вертикальных вибраций от пути; eв– абсолютная влажность воздуха.3.5.Влагоперенос в изоляции ТЭМВ тяговых электрических машинах, ввиду особых эксплуатационныхусловий, практически постоянного происходит перенос тепла и влаги визоляции [77, 78].

При изменении режима работы ТЭМ, или параметраокружающей среды, происходит нарушение термодинамического равновесия,что приводит к новому равновесному состоянию. Для обеспечениянеобходимой безотказности ТЭМ на электровозе необходимо использованиенаиболее перспективных методов управления температурно-влажностнымрежимом, таких как контроль за режимом эксплуатации электровоза при98разных токовых нагрузках, а также возможность адаптирования конструкциитяговых машин к разным микроклиматическим условиям.Необходимо отметить, что до сих пор не существует единыхтерминологии и обозначений в теории тепло - и массопереноса, включая иклассификацию распределения материалов на группы и на формы связи влагис материалом.В зависимости от преобладания формы связи могут резко меняться иэлектрофизические характеристики увлажненного материала. Влага в видемонослоя влияет на диэлектрическую проницаемость только за счетэлектронной и атомной поляризации [79].Рассмотрим некоторые группы электроизоляционных материалов с этойточки зрения.Слоистые пластики и лакоткани — в основном капиллярно-пористыетела, для которых характерна преимущественно физико-механическая связьвлаги в макро - и микрокапиллярах.