Повышение надежности тяговых электродвигателей тепловозов с учетом теплофизических параметров изоляции и проводников обмотки якоря

Введение. Вопрос обеспечения работоспособного состояния тягового электродвигателя постоянного тока является актуальным ввиду его масштабного применения на тепловозах, в том числе и современных мощных, работающих на линиях с повышенными массами поездов. В настоящее время в локомотивном хозяйстве сложилось довольно сложное положение из-за выхода из строя тяговых электродвигателей тепловозов по причинам снижения сопротивления изоляций обмоток якорей электродвигателей и последующих их пробоев: до 28 % от общего числа отказов электродвигателей приходится на пробой корпусной изоляции и межвиткового замыкания якоря и 13 % — на случаи понижения сопротивления изоляционного материала.

Материалы и методы. В работе рассмотрены основные направления научных изысканий по исследованию причин нарушения целостности изоляции, которые приводят к внеплановым ремонтам тяговых электродвигателей. Теоретическое обоснование первопричин разрушения изоляции основывается на значимости учета коэффициентов теплового линейного расширения меди и изолирующих ее материалов. С целью исследования термодинамических процессов в обмотке тягового электродвигателя разработана расчетная конечно-элементная модель витка обмотки, уложенного в паз сердечника якоря. Модель обмотки представлена отдельно проводником и изоляцией, между которыми заданы условия контакта. Проводнику расчетной модели от протекания тока сообщен нагрев до 120 °С. Математический аппарат, заложенный в расчетную программу MSC. Patran — Nastran, позволил оценить деформацию проводника относительно изоляции в результате линейного приращения из-за теплового расширения.

Результаты. С помощью метода математического моделирования и на основании результатов конечноэлементного анализа наглядно показано подтверждение теоретического обоснования. Различие удлинений при нагревании проводника якоря электродвигателя и изоляции, полученное методом математического моделирования, составляет 0,6 мм и является значительным для обмотки (состоящей из проводника и изоляции), которую принято рассматривать единым целым телом.

Обсуждение и заключение. Полученный результат показывает необходимость более детальных исследований для подбора технологии исполнения изоляции тягового электродвигателя постоянного тока. Применение изоляционных материалов обмотки якоря с коэффициентами теплового линейного расширения, равными коэффициенту теплового расширения меди проводников обмотки, позволит повысить надежность тяговых электродвигателей тепловозов в эксплуатации.

1. Influence of Process Parameters on Dynamics of Traction Motor Armature / S. Shantarenko [et al.] // Transportation Research Procedia. 2021. Vol. 54. P. 961–971.

2. Механическая часть тягового привода: учеб. для вузов ж.-д. транспорта / И. В. Бирюков [и др.]. М.: Транспорт, 1992. 440 с.

3. Федянин А. И. Актуальные проблемы надежности тяговых электродвигателей локомотивов в эксплуатации // Локомотивы. Электрический транспорт – XXI век: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. (Санкт-Петербург, 10–12 ноября 2020 г.) / Петербургский государственный университет путей сообщения императора Александра I. СПб.: ПГУПС, 2020. С. 19.

4. Шкодун П. К., Галеев А. Д. Анализ современных методов диагностирования повреждений изоляции тяговых электродвигателей подвижного состава // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы XI науч. конф., посвящ. Дню российской науки / Омский государственный университет путей сообщения. Омск: ОмГУПС, 2017. С. 96–101.

5. Санников А. С., Чубарев В. Е., Колмаков В. О. Статистика и виды отказов тяговых электродвигателей электровозов // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2019. Issue 17. P. 74–76. https://doi.org/10.26160/2474-5901-2019-17-74-76.

6. Буйносов А. П., Худояров Д. Л., Тюшев И. А. Разработка алгоритма диагностики тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6 СИНАРА // Транспорт Урала. 2021. Т. 71, № 4. С. 74–79.

7. Диагностирование тяговых электродвигателей по неравномерности вращения якоря / Б. Е. Боднарь [и др.] // Наука та прогрес транспорту. 2013. Т. 45, № 3. С. 13–21.

8. Похор Д. И. Результаты эксплуатационных испытаний опытной системы изоляции класса «Н» тяговых двигателей тепловозов и ее контроль средствами мобильной диагностики // Бюллетень результатов научных исследований. 2021. № 4. С. 35–46.

9. ГОСТ 2582–2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия: межгос. стандарт: введен в действие в качестве нац. стандарта Российской Федерации приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2013 г. № 1969-ст: дата введения 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2014. 66 с.

10. Данковцев В. Т., Киселев В. И., Четвергов В. А. Техническое обслуживание и ремонт локомотивов. М.: Маршрут, 2007. 326 с.

11. Грищенко М. А. Анализ теплового состояния обмотки якоря тягового электродвигателя // Транспорт Урала. 2009. Т. 20, № 1. C. 73–76.

12. Грищенко М. А. Математическое моделирование процесса теплопередачи в якоре тягового электродвигателя тепловоза // Известия Петербургского университета путей сообщения (Известия ПГУПС). 2010. Т. 22, № 1. C. 33–44.

13. Киселев В. И., Файзибаев Ш. С., Федянин А. И. Надежность тяговых электродвигателей локомотивов // Железнодорожный транспорт. 2020. № 10. С. 48–49.

14. Киселев В. И. Повышение надежности тяговых электродвигателей локомотивов // Железнодорожный транспорт. 2017. № 6. С. 66–67.

15. Новикова С. И. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974. 294 с.

16. Henao H., Kia S. H., Capolino G.-A. Torsional-Vibration Assessment and Gear-Fault Diagnosis in Railway Traction System // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011. Vol. 58, no. 5. P. 1707–1717.

17. Грищенко М. А. Повышение остаточного ресурса якорей тяговых электродвигателей за счет ограничения максимальной температуры обмоток: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. СПб., 2010. 156 с.

18. MSC. Nastran 2004. Reference Manual / MSC Software Corporation. [S. l.], 2004. 990 р.