Ультразвуковая пропитка лаком обмоток электродвигателей
В середине прошлого столетия исследователи К.Н. Барэмбо и Л.М. Бернштейн проводили опыты по пропитке лаком обмоток электродвигателей с помощью ультразвука. Для этого они использовали механические излучатели ультразвука — гидродинамические излучатели (свистки типа СОЖ-1) и электромеханические — магнитострикционные излучатели (без акустической обратной связи). Результаты опытов показали, что механические и диэлектрические характеристики изоляции обмоток электродвигателей по сравнению с изоляцией, пропитанной погружением изделия в лак при атмосферном давлении, не улучшились. Поэтому исследователи сделали вывод о непригодности использования ультразвука для пропитки обмоток электрических машин.
В 1961 г. академик Е.Г. Коновалов открыл ультразвуковой капиллярный эффект. Он характеризуется аномально ускоренным движением жидкости в капиллярных трубках под действием ультразвука. Исследование данного эффекта показали, что около входа в капиллярные трубки локализуется кавитационная область, которая как бы прокачивает жидкость сквозь трубки. Кавитационная область состоит из множества захлопывающихся микроскопических полостей. Их захлопывание приводит к образованию кумулятивных микроструек, из-за которых наблюдается ускорение движения пропиточной жидкости в поровые и капиллярные каналы изоляционного материала обмоток электродвигателей.
Локализация кавитационой области наблюдается в узком диапазоне частоты ультразвука в зависимости от гидродинамических свойств жидкости и при расположении излучателя ультразвука на расстоянии около 1 см от входа в трубку. При увеличении частоты колебания стержневого концентратора магнитострикционного излучателя кавитационная область смывается сильными акустическими течениями. Кроме того, мною экспериментально было определено скачкообразное увеличение расхода жидкости через пористые материалы при действии ультразвука. Это явление показывает уникальные возможности воздействия ультразвука на движение жидкости в каналах, образованных сообщающимися между собой поро-выми и капиллярными полостями изоляционного материала обмоток электродвигателей.
Но вернемся к середине прошлого века и рассмотрим проведенные тогда исследования по ультразвуковой пропитке обмоток электродвигателей. Применение магнитострикционных излучателей без акустической обратной связи в опытах приводит к нестабильности частоты и амплитуды ультразвуковых колебаний. Эта нестабильность параметров излучения ультразвука не дает возможности локализовать кавитационную область у входных отверстий системы поровых и капиллярных каналов изоляции обмоток электродвигателей. Без образования кавитационной области у входных отверстий капилляров не наблюдается ультразвуковой капиллярный эффект.
Аналогично, гидродинамический излучатель ультразвука характеризуется нестабильностью частоты, амплитуды. В результате этого генерируются сильные акустические течения, которые не способствуют локализации кавитационной области у входа поровых и капиллярных каналов изоляции обмоток электродвигателей. Эти факторы привели исследователей 60-х годов к ошибочному выводу о непригодности использования ультразвука для пропитки обмоток электрических машин.
В то же время, исследователи В.И. Дрожалова, Л.И. Гинзбург, В.Н. Чехов, К.С. Ковалдов, Т.С. Пушкина и другие в своих монографиях приводят факты явного улучшения механических и диэлектрических характеристик изоляции электротехнических изделий при ультразвуковой пропитке по сравнению с другими методами. Молекулы жидкости под действием ультразвука располагаются упорядоченно на твердой основе изоляции, в результате чего образуется однородная изоляционная пленка, обладающая высокими диэлектрическими параметрами.
Иными словами, в отличие от других методов пропитки, при ультразвуковой пропитке связующее вещество располагается более равномерно по всему объему и прочность его повышается в 3 — 4 раза. При этом адгезионная прочность лака увеличивается на 50 — 60 % за счет усиления прочности сцепления, обусловленного дегазацией лака.
Процесс ультразвуковой пропитки представляет собой комплекс проявлений:
* капиллярное впитывание, сорбционные явления;
* диффузные процессы, определяющие набухание пропитываемого пористого материала изоляции, осмос, контракцию (сжатие) изоляционной системы обмотки, диффузное перемещение растворенного в жидкости газа, проникновение частиц пропитывающей жидкости во влагу, содержащуюся в изоляционном материале;
* перемещение жидкости в глубь пористого тела изоляции под действием градиента давления.
Ультразвук оказывает влияние на каждый из этих факторов.
Практическая результативность и новизна исследования влияния ультразвуковых колебаний на процессы пропитки обмоток якорей тяговых двигателей локомотивов была защищена в 1985 г. авторским свидетельством СССР № 1197013 «Способ пропитки обмоток электрической машины».
Последующая задача — внедрение новой технологии — оказалась мало разрешимой. Основная трудность заключается в доведении лабораторных исследований до практических методик, пригодных для использования в инженерной практике.
В конце 1980-х годов ультразвуковой способ пропитки якорей тяговых электродвигателей был внесен в правила по ремонту подвижного состава ЦТВР МПС СССР. Затем этот способ был использован на предприятиях Улан-Удэ, Челябинска и Львова. На Челябинском электровозоремонтном заводе, начиная с 1988 г. по настоящее время, эксплуатируют две установки для ультразвуковой пропитки якорей тяговых двигателей. Общее количество пропитываемых якорей тяговых двигателей в год составляет около двух тысяч. Кроме того, инженеры этого завода разработали проект установки для пропитки обмоток якорей вспомогательных машин. Эта установка введена в эксплуатацию в 1999 г.
Инженеры Центра внедрения новой техники и технологии «Транспорт» МПС России (г. Омск) в 1999 г. ввели в эксплуатацию ультразвуковую установку для пропитки якорей тяговых двигателей (УЗП) в депо Инская. Затем в 2003 г. они ввели в эксплуатацию УЗП на Уссурийском локомотиворемонтном заводе, депо Карасук.
Между тем, существовало мнение о непригодности ультразвука для пропитки обмоток электродвигателей с проводниками с эмалевой изоляцией из-за разрушающего воздействия кавитации. Опыты показали, что колебания в лаке МЛ-92 излучателя ультразвука мощностью 1 кВт на расстоянии 1 см от поверхности проводника не разрушают эмалевую изоляцию. В 2005 г. впервые ученые и инженеры ИрГУПСа провели ультразвуковую пропитку обмоток статоров асинхронных электродвигателей с проводниками эмалевой изоляцией на предприятии «Дорожные электромеханические мастерские» Восточно-Сибирской дороги. Годовой экономический эффект от внедрения ультразвуковой пропитки обмоток электродвигателей общего назначения на ремонтных предприятиях этой магистрали составляет 6 млн. руб.
Таким образом, специфические свойства ультразвука применяют для улучшения диэлектрических и механических характеристик изоляции обмоток электродвигателей.
Канд. техн. наук В.Ц. ВАННИКОВ, ИрГУПС
