ГЛАВА VI
ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Можно указать на следующие основные мероприятия, повышающие технический уровень тяговых двигателей:
- Применение новой электротехнической стали, обладающей большей магнитной проницаемостью и меньшими удельными потерями, чем применяемая в настоящее время горячекатаная сталь марок Э12 и Э13. Сравнительные показатели существующей стали и стали улучшенной текстуры приведены на рис. 98.
При этом оптимальные насыщения в зубцах якоря могут быть повышены до 21 000—22 000 гс и более.
Не исключена возможность применения «кубической» стали и для сердечников главных и добавочных полюсов. Как показывают проведенные расчеты, переход на эту новую электротехническую сталь позволит увеличить удельную мощность двигателя на единицу веса примерно на 8—10%, а при сокращении объема пакета якоря — на 10—12%.
- Применение материалов класса Н с высокой электрической прочностью. В частности, целесообразно применить резиностеклоткань и материалы на основе слюдинита, как это имеет место в некоторых зарубежных конструкциях.
Повсеместное использование изоляционных материалов класса Н в тех двигателях, в которых сейчас еще применяются материалы классов В и F, позволит увеличить их мощность на 5— 12%. Кроме того, создание и внедрение изоляции на основе кремний-органических каучуков, возможно улучшит упругие свойства изоляции и позволит отказаться в конструкции крепления катушек от стальных упругих элементов.
Применение однородных изоляционных материалов с повышенной электрической прочностью, по-видимому, целесообразно использовать для увеличения запаса электрической прочности обмоток с тем, чтобы разрушающее напряжение для изоляции двигателей на напряжение 550 в было не ниже 12 кв, а для двигателей на напряжение 750 в — не ниже 15 кв.
Рис. 98. Характеристики стали
Применение обмоточных проводов повышенной нагревостойкости (класса Н) с пониженной толщиной изоляции за счет внедрения стеклянной изоляции проводов с диаметром элементарной нити до 3—4 мк что позволит повысить коэффициент заполнения обмоточного пространства, увеличить сечение меди в том же объеме на 8—10% и повысить мощность машины на 5—7% и более.
В частности, при толщине проводника обмотки якоря до 1,5 мм применение провода ПСДКТ с тонкой изоляцией вместо провода ПСД позволяет увеличить сечение меди примерно на 8%, а переход на этот провод в параллельной обмотке возбуждения позволит сократить общий объем катушки почти на 20%. Применение проводов типа ПСДКТ (взамен ПСД) в двигателе ДК-207 позволило увеличить сечение меди всех последовательных обмоток, в том числе последовательных катушек возбуждения и катушек добавочных полюсов за счет сокращения объема параллельной катушки возбуждения, улучшить теплоотдачу параллельной обмотки и на этой основе повысить мощность двигателя с 100 до 110 кВт.
Проведение этих мероприятий позволяет, таким образом, существенно повысить использование активного слоя якоря и улучшить заполнение междукатушечного пространства.
Необходимо особо отметить, что при внедрении новых изоляционных материалов с повышенной термической и электрической прочностью, а также новых материалов для коллекторов и щеток период между очередными подъемочными ремонтами будет в значительной степени определяться качеством подшипников. Для перспективных тяговых двигателей необходимы подшипники со сроком службы не менее 25 000 ч (500 000—1 000 000 км пробега) при средней рабочей скорости вращения не менее 3000 об/мин и максимальной (при испытании двигателя) скорости вращения 6000 об/мин. Желательно также, чтобы срок службы смазки при ее добавлении (или смене) не чаще одного раза в год соответствовал бы характеристикам подшипников.
Применение компенсационной обмотки в машинах с тяжелыми потенциальными условиями на коллекторе существенно увеличит диапазон регулирования скорости ослаблением поля и повысит эффективность динамического тормоза. Внедрение коллекторов с пластмассовым креплением обеспечит возможность дальнейшего повышения скорости вращения без нарушения монолитности коллектора.
Использование коллекторной меди повышенной износоустойчивости (например, с содержанием кадмия) и щеток с улучшенными коммутационными показателями и повышенной износоустойчивостью может повысить общий срок службы щеток и коллектора и сократить периоды между очередными ремонтами.
Улучшение технологии изготовления и, в частности, повышение класса точности обработки подшипниковых узлов и других деталей двигателя повысит стабильность характеристик, улучшит балансировку якоря, снизит шум, повысит фактическую электрическую и термическую прочность изоляции, что должно увеличить срок службы основных деталей двигателя.
Внедрение всех перечисленных выше мероприятий позволит снизить вес двигателя с самовентиляцией мощностью 50 кВт до 300 кг, а вес двигателя мощностью 100 кВт — до 550 кг.
При мощности двигателя 110 кВт (при U=550 в) и диаметре якоря 280 мм длина пакета якоря (типа ДК-207) может быть сокращена до 320 мм. Двигатели мощностью 50 кВт (при U = = 270 в) целесообразно построить на пакете якоря диаметром 245 мм при длине пакета немногим более 200 мм.
Одновременно со снижением веса двигателей на 20—25% в сравнении с достигнутым уровнем могут быть снижены (также на 20—25%) маховые массы якорей. В результате будет достигнуто снижение расчетного веса подвижного состава на 4—5% и более.
Улучшение использования активных материалов будет сопровождаться существенным повышением к. п. д. за счет снижения потерь в стали, сокращения средней длины витка и сопротивления обмоток и, возможно, снижения механических потерь. Не исключена возможность повышения к.п.д. с 0,9 до 0,93.
Рис. 99. Тележка вагона монорельсового транспорта.
Для некоторых видов подвижного состава с высокими динамическими показателями целесообразно повысить удельную мощность до 8—10 кВт/т и более при сокращении весов и габаритов тяговых двигателей.
Важной задачей, которая должна быть решена на основе предлагаемых мероприятий, является повышение надежности тяговых двигателей, увеличение межремонтных пробегов, повышение скоростей и суточных пробегов подвижного состава, снижение расхода электроэнергии и сокращение всей суммы эксплуатационных расходов.
Естественно, что повышение технических показателей тяговых двигателей будет сочетаться с дальнейшим совершенствованием технологии их производства (автоматизация штамповочных работ, механизация намотки катушек, внедрение агрегатных станков для обработки станин, улучшение и автоматизация методов контроля).
Особо следует остановиться на системах управления и их связи с конструкцией двигателя. По- видимому, системы с двигателями, у которых преобладает последовательное возбуждение, станут основными, в том числе и для троллейбусов.
Точный учет коммутационных ограничений при проектировании схем и создание двигателей с компенсационной обмоткой должны создать надлежащий запас коммутационной устойчивости.
Очевидно, что прогресс в области конструкции, технологии и систем управлений тяговыми двигателями должен сочетаться с правильным их выбором для конкретных условий эксплуатации, с учетом тепловых и коммутационных ограничений и особенностей их конструкции.
В последние годы были созданы новые виды городского электрифицированного транспорта и в том числе подвижной состав для монорельсовой дороги и трамвая (метрополитена) неглубокого залегания. Ведутся работы по созданию троллейбусного транспорта для работы при повышенном напряжении в контактной сети. Новые виды транспорта обладают рядом особенностей. Они предъявляют особые требования к конструкции и характеристикам тяговых двигателей.
Монорельсовый транспорт.
На рис. 99 изображена тележка для вагона французской монорельсовой дороги. К корпусу двухступенчатого редуктора крепится тяговый двигатель фланцевого исполнения. Условия вписывания в тележку обусловили конструкцию станины квадратной формы. В сравнительно ограниченные габариты тележки вписывается двигатель мощностью 72 кВт при напряжении 600 е и скорости вращения 1400 об/мин, (90 кВт и 1750 об/мин при напряжении 750 в). Вес вагона с пассажирами 27 т, максимальная установившаяся скорость вагона на площадке 90 км/ч при ускорении, по-видимому, 1,5 м/сек2. Скорость выхода на автоматическую характеристику — 30 км/ч. На вагоне устанавливаются четыре тяговых двигателя.
В последней конструкции вагона применен шестиполюсный двигатель круглой формы мощностью 100 кВт при весе менее 600 кг. Приведенные выше формулы для определения мощности двигателя, относящиеся к троллейбусу, с достаточной точностью могут быть применены и к вагонам монорельсовой дороги.
Потребная мощность двигателя по расчету равна
Эта мощность лишь на 4% отличается от фактической.
При дальнейшем повышении скорости выхода на характеристику и увеличении максимальной скорости возрастает относительная величина пусковых потерь.
В связи с этим при максимальной конструктивной скорости 150 км/ч, установившейся скорости на площадке 125 км/ч, скорости выхода на первую безреостатную тяговую характеристику 55 км/ч и ускорении 1,3 м/сек2 потребная удельная мощность может быть определена исходя из величины Р0, равной 9 кВт/т.
Тогда
При весе вагона 25 т потребная мощность двигателя равна:
Повышенная удельная мощность, необходимая для подвижного состава монорельсовой железной дороги, обусловлена высокими ускорениями и скоростями при повышенном сопротивлении движению из-за наличия шин, а также боковых ограничителей.
На рис. 100 приведены тяговые характеристики вагона опытной монорельсовой дороги (Франция). Примененные двигатели характеризуются весьма ненасыщенной магнитной системой и крутыми тяговыми характеристиками.
На рис. 101 приведена зависимость скорости сообщения, достигаемая монорельсовым транспортом, от расстояния между остановками (при длительности остановки 20 сек). Как видно из данных рис. 101, весьма крутые характеристики тягового двигателя позволяют при расстоянии между остановками 1200 м обеспечить скорость сообщения 50 км/ч. Эту скорость следует считать достаточно высокой.
Рис. 100. Тяговые характеристики монорельсовой дороги
При расстоянии между остановками 350 м монорельсовый транспорт не отличается существенно по значению расчетной скорости от других видов транспорта с двигателями современного типа (25—27 км/ч).
Трамвай (метрополитен) неглубокого залегания.
Как указывалось выше, расчетные скорости сообщения для подвижного состава наземного транспорта могут быть достигнуты только на автономной трассе. Практическая скорость сообщения вагонов метрополитена составляет 90% расчетной: при длине перегона 2000 м расчетная скорость сообщения вагонов метрополитена типа Е составляет 52 км/ч, а фактическая целесообразная скорость достигает 48 км/ч.
Некоторое снижение фактической скорости в сравнении с максимальной расчетной (при езде без выбега) связано с условиями целесообразного расхода энергии, нагрузки электрооборудования, необходимости резерва для нагона.
Скорости сообщения, близкие к расчетным, были достигнуты при испытании новых типов троллейбусов и трамваев в условиях движения на свободном маршруте (в ночной период времени). В частности, при испытании троллейбуса ЗИУ-5 в условиях свободной трассы при длине перегона 350 м (условия движения по ГОСТ 7495) была достигнута скорость сообщения более 25 км/ч. Однако в реальных условиях движения не на автономной трассе фактическая скорость сообщения наземного транспорта значительно ниже расчетной.
Рис. 101. Скорость сообщения монорельсового транспорта в зависимости от длины перегона
Определение достаточно точного отношения фактической скорости сообщения наземного транспорта (не автономная трасса) к максимальной (расчетной) скорости весьма затруднительно, так как оно зависит от большого числа факторов: характеристики трассы, взаимосвязи с другими видами транспорта, условий погоды, ограничений при движении и др.
Приближенно следует считать, что фактическая скорость наземного подвижного состава (на не автономной трассе) составляет примерно 70% максимальной расчетной скорости.
После замены старого подвижного состава наземного транспорта новым с высокими динамическими показателями скорость сообщения троллейбусов и трамваев при средней длине перегона 400 м может быть повышена с 15 до 18—19 км/ч при максимальной расчетной скорости сообщения 25 км/ч.
Таким образом, даже после перехода на новые виды подвижного состава будет иметь место весьма значительный разрыв между скоростью сообщения вагонов магистрального метрополитена 48 км/ч при длине перегона 2000 м и наземного транспорта (трамвай и троллейбус) 18—19 км/ч при длине перегона 400 м.
В ряде стран начинает внедряться новая система транспорта — трамвай неглубокого залегания с автономной трассой при высоких динамических показателях. Этот вид транспорта может обеспечить скорость сообщения 25—28 км/ч при длине перегона 400—500 м.
Рис. 102. Кривая движения и ускорение вагона на автономной трассе
Подобная скорость сообщения достигается вагонами, аналогичными вагонам метрополитена типа Е, за счет движения на автономной трассе и больших ускоряющих усилий после выхода на автоматическую характеристику.
Если у вагонов этого типа увеличить ускорение до 1,5 м/сек2 при установившейся (условной) скорости на площадке 90 км/ч и выше, то при длине перегона 500 м без затруднений может быть достигнута скорость сообщения 30 км/ч (при времени стоянки 15 сек).
На рис. 102 приведена кривая движения подобного подвижного состава. На перегоне 500 м, как видно из рис. 102, выход на характеристику наиболее ослабленного поля (48 км/ч) осуществляется со средним ускорением 1,2 м/сек2 за 12 сек (80 м пути). Далее имеет место движение на автоматической характеристике до скорости 70—75 км/ч с небольшим выбегом в течение 18 сек (300 м пути). Торможение происходит с замедлением 1,3 м/сек2 в течение 15 сек (120 м пути) и стоянка в течение 15 сек (всего 60 сек).
Тяговые двигатели для трамваев неглубокого залегания характеризуются несколько повышенной удельной мощностью при крутой тяговой характеристике.
При ускорении 1,5 м/сек2 и установившейся скорости на площадке до 90 км/ч удельная мощность тягового двигателя для того вида транспорта составит:
а с учетом повышенного сопротивления движению в условиях туннеля при малом числе вагонов в поезде — 9 кВт/т.
Таким образом, можно наметить следующие основные типы тяговых двигателей для различных видов подвижного состава городского транспорта:
а) двигатели для наземного подвижного состава с удельной мощностью 7 кВт/т и более при максимальной установившейся скорости 55 км/ч (троллейбус) и 64 км/ч (наземный трамвай) ;
б) двигатели для подвижного состава, предназначенного для движения на автономной трассе (трамвай неглубокого залегания) с максимальной скоростью на площадке до 100 км/ч и более при удельной мощности 9 кВт/т и расстоянии между остановками до 500 м. Эти же двигатели также пригодны для подвижного состава магистрального метрополитена при длине перегонов до 2000 м при несколько меньшей удельной мощности;
в) двигатели для подвижного состава монорельсового транспорта при максимальной скорости до 150 км/ч и удельной мощности до 20 кВт/т.
Троллейбус для работы от сети с напряжением до 1200 в.
На протяжении последних лет в СССР и за рубежом ведутся работы по созданию троллейбусного транспорта на напряжение 1000— 1200 в.
В СССР построена опытная линия, на которой проходят испытание опытные образцы троллейбусов на напряжение 1200 в.
Для троллейбусов на напряжение 1200 в оказывается необходимым создать специальные тяговые двигатели. Выполнение двигателя в целесообразных габаритах с напряжением на коллекторе 1200 в практически не представляется возможным. Двигатель подобного типа при одновитковой обмотке якоря и умеренных напряжениях между коллекторными пластинами может быть построен при минимальном диаметре якоря 400 мм и наружном диаметре станины 700 мм, что недопустимо по габаритным ограничениям.
Возможно также применение двух двигателей с напряжением на коллекторе 600 в, соединяемых последовательно. В этом случае для обеспечения коммутационной устойчивости при надлежащем диапазоне регулирования необходимо применять одновитковую обмотку якоря. Одновитковую обмотку при диаметре якоря 280 мм можно применить лишь при длине пакета 300 мм, т. е. при мощности не менее 80 кВт.
Суммарная мощность 160 кВт является чрезмерной для троллейбуса средней вместимости, хотя двухдвигательный привод подобной мощности может быть применен для сочлененных троллейбусов большой вместимости.
Для троллейбусов средней вместимости может оказаться целесообразным применять двухколлекторный двигатель мощностью 120 кВт.
На рис. 103 приведена конструкция подобного двигателя.
Повышенная изоляция относительно корпуса на 750 в и снижение коэффициента заполнения паза делают необходимым построение этого двигателя на повышенном диаметре пакета якоря 320 мм.
Рис. 103. Двухколлекторный двигатель.
Двигатель в сравнении с одноколлекторным двигателем на напряжение 550 в тяжелее примерно на 200 кг, а увеличенный маховой момент якоря повышает коэффициент вращающихся масс на 4%. В результате становится необходимым повысить мощность двигателя (применительно к троллейбусу ЗИУ-5) со 110 до 120 кВт.
Эти обстоятельства должны учитываться при технико-экономических сравнениях, связанных с применением напряжения 1200 в для тролейбусов.
Таким образом, в ближайшие годы будет продолжаться дальнейшее повышение технического уровня тяговых электродвигателей и расширение области их применения. На этой основе может быть достигнут дальнейший прогресс в области всех видов электрифицированного городского транспорта: повышение скоростей сообщения по меньшей мере на 10—15% при снижении веса двигателей на 15—20%, повышение эксплуатационной надежности, снижение эксплуатационных расходов, создание новых видов транспорта с высокими динамическими показателями.