[08-2024] Модель нагревания и охлаждения тяговых двигателей в процессе эксплуатации
 

Модель нагревания и охлаждения тяговых двигателей в процессе эксплуатации

Э.Г. БОРОДАВИЦИН, заместитель начальника отдела планирования линейного оборудования и вторичных ресурсов,
6.0. МУХИН, канд. техн, наук, ведущий технолог отдела, Дирекция тяги — филиал ОАО «РЖД»,
В.В. ЗАБОЛОТНЫЙ, эксперт Хабаровской группы заказчика по строительству объектов железнодорожного транспорта

Электрические машины локомотивов, эксплуатируемых на Восточном полигоне, по-прежнему остаются на лидирующих позициях по количеству отказов. Данный факт является следствием суровых климатических условий региона и профиля железнодорожного пути. Интенсивное тепловое воздействие дополняется термомеханическим износом, вызванным увеличением температуры обмоток при вождении поездов повышенной массы и эксплуатацией локомотивов при низкой температуре окружающей среды, когда из-за уменьшения влаги в воздухе снижается упругость изоляции. Текущее положение дел препятствует бесперебойной организации тяжеловесного движения на Восточном направлении.

Особое внимание уделяется техническому состоянию тяговых электродвигателей. Наиболее типичной, приводимой в литературных источниках температурно-временной зависимостью, используемой в практических расчетах температуры перегрева обмоток электрических машин, является экспонента, формально соответствующая классической теории нагрева однородного тела.
В ходе проведенных исследований и полученных результатов можно сделать вывод, что существующий фонд научных работ является недостаточным и не затрагивает область исследования поэлементного нагревания тяговых электродвигателей в различных точках каждого составного элемента. Например, микропроцессорная система управления и диагностики электровоза контролирует изменение температурных режимов по четырем основным элементам, без учета распределения температуры в их различных точках, таких как: компенсационная обмотка, главный, добавочный полюса и якорь.


С применением программных средств имитационного моделирования разработана конечно-элементная модель тягового электродвигателя НБ-514Б (рис. 1) с возможностью расчета температуры нагревания по заранее заданным параметрам движения локомотива. Модель позволяет определять техническую возможность и готовность электровозов к решению поставленных задач в части обеспечения вывоза повышенного грузопотока. Для оценки качества модели выполнена ее верификация — адекватность и пригодность для дальнейшего исследования объекта.
На первом этапе верификации проведено сравнение массогабаритных характеристик модели с чертежными параметрами оборудования Результаты показали разность по массе, не превышающую 1 %, что является допустимым.



На втором этапе выполнена оценка модели на соответствие результатам расчета температуры узлов при часовом режиме работы тягового электродвигателя (рис. 2). На базе электромашинного цеха сервисного локомотивного депо Дальневосточное в рамках приемосдаточных испытаний на нагрузочной станции А2690 проведено исследование температурных режимов работы тягового электродвигателя. В результате проведенных испытаний с помощью тепловизора зафиксирована температура и сформированы соответствующие теплограммы.
На рис. 2 представлены теплограммы реального тягового электродвигателя и результаты расчета нагрева по разработанной конечно-элементной модели. Отклонение по температуре между теплограммой и графиком температуры конечно-элементной модели также не превышает 1 %, что подтверждает пригодность модели к исследованию.
Проведен ряд тепловых расчетов в часовом режиме работы двигателя и зафиксирован неравномерный нагрев его составных элементов (рис. 3). Например, максимальная и минимальная температуры для компенсационной обмотки составляют 124 и 82 °C, добавочных полюсов — 111 и 49 °C, обмотки главных полюсов —171 и 57 °C, обмотки якоря—172 и 163 °C.


С использованием модели произведен расчет поэлементного нагрева тягового электродвигателя с приближением к реальным эксплуатационным условиям движения грузового поезда на критическом участке протяжностью 12 км, расположенном в границах станций Смоляниново — Находка (рис. 4). В качестве входных данных для расчетной модели принята температура окружающего воздуха 20 °C, атмосферное давление 101,33 кПа, влажность воздуха 60 %, объемный расход воздуха на охлаждение двигателя 70 м3/мин и токовая нагрузка при движении с массой поезда 6300 т. Локомотив
трогается с места при условии отсутствия предварительного нагрева элементов. По результатам расчета максимальная температура нагрева основных элементов двигателя не превышает допустимый порог для класса изоляции Н двигателя НБ-514Б.

Таким образом, разработанная конечноэлементная модель позволяет проверить особенности эксплуатации тяговых электродвигателей на участках железной дороги, спрогнозировать поэлементный нагрев в критических условиях работы. Модель может служить дополнительным инструментом для формирования предложений по корректировке установленных норм масс и длин пассажирских и грузовых поездов, а также для выработки закономерностей поэлементного нагрева составных частей двигателя и совершенствования алгоритмической защиты микропроцессорной системы управления локомотивом.