urządzenie elektromagnetyczne do prostowania i napinania blach

urządzenie elektromagnetyczne do prostowania i napinania blach

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
Elektromagnesy, tabor kolejowy,
prostowanie blach, napinanie poszyć
Konrad SCHOEPP*, Ludwik ANTAL*, Piotr ZIELIŃSKI *
F
URZĄDZENIE ELEKTROMAGNETYCZNE DO
PROSTOWANIA I NAPINANIA BLACH POSZYCIA
WAGONÓW I LOKOMOTYW
Nowa koncepcja elektromagnetycznego prostowania i napinania dużych powierzchni blach stalowych stanowiących poszycia pudeł wagonów i lokomotyw, wymagała zaprojektowania specjalnego
urządzenia, którego główną część składową stanowi elektromagnes o bardzo dużej powierzchni roboczej i o dużej sztywności. Pierwszy projekt takiego urządzenia, prostującego blachy o grubości do
2 mm został wykonany w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Instytutu, a następnie wdrożony do produkcji wagonów we Wrocławskiej Fabryce Wagonów „Pafawag”. Skuteczna i bezawaryjna eksploatacja tego urządzenia zachęciła producenta do zastosowania podobnego, prostującego blachy o grubości do 4 mm. Projekt elektromagnesu dla takiego urządzenia został również opracowany w
Instytucie i obecnie jest z powodzeniem wykorzystywany w przemyśle przy produkcji elektrowozów.
W niniejszej pracy przedstawiono krótki opis zastosowanej metody prostowania i napinania, wraz
z charakterystyką obydwu zaprojektowanych elektromagnesów. Omówiono również efekty ich pracy.
1. WSTĘP
Celem uzyskania odpowiedniego rozkładu naprężeń mechanicznych w elementach
nośnych wagonów i lokomotyw kolejowych w trakcie ich eksploatacji, szkielety ich
pudeł są wstępnie napinane, co nadaje im kształt wypukłego ku górze łuku. Napięty
szkielet jest pokrywany arkuszami blach spawanymi do jego konstrukcji. W wyniku
naprężeń powstających w procesie spawania, blachy deformują się a powierzchnia poszycia staje się mocno pofalowana i wymaga prostowania w kolejnej fazie produkcji
pudła. Pierwsze metody prostowania ( „młota i kowadła”) były bardzo pracochłonne,
__________
*
Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, konrad.schoepp @pwr.wroc.pl , [email protected] ,
piotr.zieliń[email protected]
HU
UH
HU
UH
mało efektywne i bardzo uciążliwe, ze względu na związany z nimi hałas. Pozostające
po prostowaniu nierówności powierzchni musiały być wypełniane, przed malowaniem,
specjalnymi masami, co podrażało koszty produkcji. Obecnie stosowana metoda elektromagnetyczna wymaga zastosowania specjalnego urządzenia, którego głównymi elementami są: elektromagnes o dużej płaskiej powierzchni czynnej i płyty dociskowe będące jednocześnie zworami elektromagnesu. Proces prostowania można podzielić na
dwa główne etapy. W pierwszym etapie, duża powierzchnia arkusza pofalowanej blachy
jest mocno ściskana między biegunami elektromagnesu a płytami dociskowymi. Następnie, arkusz jest podgrzewany punktowo na dużym obszarze. W tej fazie, podczas nagrzewania blachy, wyprostowanej między powierzchnią czynną elektromagnesu
i płytami dociskowymi są usuwane naprężenia powodujące deformacje powierzchni. W
kolejnym etapie, w trakcie chłodzenia nagrzanych obszarów, przy nadal włączonym
elektromagnesie, następuje ich kurczenie się, co powoduje powstawanie naprężeń równoległych do płaszczyzny blachy, napinających poszycie i dodatkowo usztywniających
całą konstrukcję pudła. Pozwala to na osiągnięcie podwójnego celu: uzyskanie gładkiej
powierzchni blachy, oraz utrwalenie wypukłego kształtu, nadanego pudłu wagonu czy
lokomotywy podczas wstępnego napinania ich szkieletu.
2. KONSTRUKCJA URZĄDZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO DO
NAPINANIA BLACH POSZYCIA PUDEŁ WAGONÓW
Pierwsze urządzenie do prostowania i napinania pudeł wagonów opracowano w Instytucie w latach 1973-1974, na zlecenie Państwowej Fabryki Wagonów „Pafawag”
we Wrocławiu[1]. Było ono przeznaczone do pracy na stosunkowo cienkich poszyciach pudeł wagonów osobowych, wykonanych z blachy o grubości 2mm. Zgodnie z
obowiązującymi wymaganiami dotyczącymi nierównomierności powierzchni, sfalowanie blachy o takiej grubości nie mogło przekroczyć 1mm na długości 1 m. Przeciętne, początkowe sfalowanie blachy poszycia było rzędu 10 mm. Główny problem stanowiło zaprojektowanie wydajnego elektromagnesu o dużej powierzchni czynnej i o
odpowiedniej sile przyciągania, spełniającego przy tym wymagania narzucone przez
trudne warunki termiczne pracy urządzenia. Aby nie występowało przegrzanie izolacji
uzwojeń elektromagnesu, została opracowana procedura pozwalająca na minimalizowanie strat w miedzi, będących jednym ze źródeł ciepła. (Drugie źródło - to palniki
gazowe stosowane do podgrzewania prostowanej blachy, przylegającej w trakcie tej
operacji do powierzchni elektromagnesu). Pierwszy, przygotowawczy etap, polegający na przyłożeniu elektromagnesu do pionowej powierzchni pudła i przykładaniu z
drugiej strony płyt dociskowych, odbywa się przy stosunkowo niewielkim prądzie
wzbudzenia, co pozwala na bezpieczne umieszczanie płyt w wybranych miejscach. W
drugim okresie prąd wzbudzenia ma największą wartość, potrzebną do wytworzenia
siły niezbędnej do przyciągnięcia płyt do elektromagnesu, powodującej spęczenie
znajdującej się między nimi blachy, przy początkowo dużym jej sfalowaniu. Następnie następuje stosunkowo długi okres, w którym blacha jest podgrzewana. Wartość
prądu wzbudzenia wystarczająca do przytrzymania płyt dociskowych w tej pozycji
jest dużo mniejsza.
Zastosowanie przedstawionego schematu procesu technologicznego zapobiega
nadmiernemu wzrostowi temperatury izolacji elektrycznej elektromagnesu i oszczędza
znaczne ilości energii. Zastosowanie, opracowanego w Instytucie urządzenia, w Państwowej Fabryce Wagonów „Pafawag” we Wrocławiu, przyniosło wyraźne korzyści
w stosunku do dotychczas stosowanej technologii. Kilkakrotnie zwiększyła się wydajność pracy, znacznie zmniejszyło się zużycie masy szpachlowej do wyrównywania
powierzchni. Poprawiony został komfort pracy, przez znaczne obniżenie poziomu
hałasu w wytwórni pudeł wagonów.
Po ponad 10-ciu latach ciągłej eksploatacji urządzenie wymagało renowacji. Pod
wpływem kolejnych cykli grzania i chłodzenia, nastąpiła niewielka deformacja powierzchni roboczej elektromagnesów, co odbijało się na dokładności procesu, i wymagało wyrównania powierzchni. Takie wyrównanie powierzchni roboczej przeprowadzono jeszcze raz po dalszych 10.latach pracy. Wynika z tego wniosek, że
urządzenia tego typu muszą mieć technologiczny naddatek grubości, aby można było
wykonywać ich renowację.
3. URZĄDZENIE ELEKTROMAGNETYCZNE DO NAPINANIA POSZYCIA
PUDEŁ LOKOMOTYW
W roku 2001 opracowano kolejne urządzenie elektromagnetyczne do napinania
i prostowania blach poszycia pudeł lokomotyw elektrycznych [2]. Urządzenie to było
przeznaczone do prostowania blachy o grubości do 4 mm przy sfalowaniu dochodzącym do 10 mm. Wymagane siły jednostkowe są tu znacznie większe niż w poprzednio
opisanym elektromagnesie. Dla ich uzyskania powiększono przepływ jednostkowy co
wiązało się ze zwiększeniem głębokości żłobków, oraz powiększono podziałkę żłobkową w stosunku do poprzedniego elektromagnesu. Postęp w technologii materiałów
izolacyjnych pozwolił podnieść klasę izolacji do H, dopuszczającą temperaturę 180°C.
Wprowadzono również lepszą izolację termiczną między uzwojeniem a powierzchnią
nagrzewanej punktowo blachy poszycia. Główne wymiary elektromagnesu:
2068x1435x160 mm. Najdłuższy wymiar związany jest z taką właśnie wysokością
pudła lokomotywy. Masa elektromagnesu wynosi około 3300 kg. Aby zwiększyć
elastyczność wykorzystania elektromagnesu i zmniejszyć zużycie energii, powierzchnia czynna elektromagnesu została podzielona na 2 niezależne pola robocze o wymiarach 1034x1435 mm. Każde pole stanowi niezależnie zasilany i sterowany elektromagnes, mimo że stanowią jedną nierozdzielną całość. Maksymalna siła elektromagnesu
3
wynosi około 180 T (przy minimalnej szczelinie równej 0,25 mm i maksymalnym
prądzie wzbudzenia 350 A).
4. PRZEBIEG PROCESU TECHNOLOGICZNEGO PRZY PROSTOWANIU
Zastosowano technologię pracy sprawdzoną z powodzeniem w poprzednio zbudowanym urządzeniu elektromagnetycznym. Najmniejsze wartości prądu wzbudzenia 40 – 70 A są stosowane w fazie przygotowawczej, podczas przykładania elektromagnesu do boku pudła pojazdu i nakładania na prostowane blachy płyt dociskowych.
Elektromagnes pracuje w pozycji pionowej: wartości wytwarzanych sił powinny być
tak dobrane aby bezpiecznie przykładać płyty dociskowe, pozwalać na ich łatwe przesuwanie, zapobiegając jednocześnie ich odpadaniu od powierzchni blachy. Następnie
elektromagnes jest zasilany prądem 250 do 350 A. Aby uniknąć przegrzania uzwojeń
czas przepływu prądu nie powinien przekraczać 10 sekund. Duża siła powoduje ściśnięcie pofalowanej blachy. Zmniejsza się wtedy zastępcza szczelina powietrzna układu: elektromagnes – płyta dociskowa. Do utrzymania blachy w tym stanie wystarcza
wartość prądu w granicach 150 – 200 A. Zatem po 10 sekundach elektromagnes przechodzi do pracy przy tak zmniejszonym prądzie wzbudzenia. Jest to najdłuższy okres
cyklu pracy. W tym okresie odbywa się punktowe nagrzewanie a następnie studzenie
blachy, w czasie którego następuje proces trwałego prostowania i napinania poszycia.
Długość tego okresu zależy od biegłości pracowników obsługujących palniki gazowe
stosowane do nagrzewania. Wartości prądów w podanych zakresach mogą być dobierane na podstawie prób na stanowisku roboczym. Większe wartości prądów dotyczą
grubszych lub bardziej odkształconych poszyć. Wymienionym wartościom prądu
wzbudzenia odpowiadają jednostkowe siły docisku zestawione w tabeli 1.
Tabela 1. Jednostkowe siły docisku
Table 1. Specific thrust force
Prąd wzbudzenia
Lp
I
A
1
2
3
4
5
350
250
200
150
70
Pofalowanie δ
δ = 10mm
δ = 0,25mm
Siła jednostkowa
p*105 N/m2
0,73
5,95
0,4
5,5
0,25
5,2
0,15
4,7
0,04
3,3
6
40
<0,01
2,8
Na rysunku 1 przedstawiono jednostkowe siły docisku w zależności od prądu
wzbudzenia elektromagnesu, dla różnych wartości szczelin, natomiast na rysunku 2
zależność jednostkowej siły od wartości szczeliny, dla różnych wartości prądu wzbudzenia.
700 000
p [N/m2]
1 - 0,25 mm
2 - 0,50 mm
3 - 2 mm
4 - 4 mm
5 - 6 mm
6 - 10 mm
600 000
500 000
B
A
400 000
1
2
300 000
3
200 000
5
100 000
6
4
I [A]
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Rys.1. Zależność jednostkowej siły docisku od prądu wzbudzenia elektromagnesu p = f(I) [N/m2] dla
różnych szczelin δ = δi = const. i = var
Fig. 1. Pressure of the electromagnet versus excitation current for various air gaps. p=f(I) [N/m2]
700 000
2
p [N/m ]
1 - 350 A
2 - 250 A
3 - 150 A
4 - 100 A
5 - 50 A
6 - 30 A
600 000
500 000
1
400 000
2
300 000
3
200 000
4
100 000
5
6
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
δ [mm]
10
Rys.2. Zależność jednostkowej siły od szczeliny, dla różnych prądów wzbudzenia elektromagnesu
5
p = f(δ) [N/m2] dla I = Ii = const i = var
Fig. 2. Pressure of the electromagnet versus an air gap length, p=f(δ) [N/m2], for various values of excitation current
Na charakterystykach p=f(I lub δ) zaznaczono główne punkty pracy przejściowej
(siła największa) i ciągłej elektromagnesu.
5. STEROWANIE PRACĄ ELEKTROMAGNESU
Sterowanie pracą elektromagnesu jest realizowane przez obsługę z wnętrza pudła.
Natomiast sterowanie ich przemieszczaniem powinno być wykonywane z zewnętrznej
strony pudła. W układzie sterowania przewidziano blokadę możliwości włączania
napędu przemieszczania elektromagnesów w czasie ich pracy oraz włączania elektromagnesów, gdy są one przemieszczane.
Ze względu na bezpieczeństwo obsługi (przepięcia elektryczne i odpadanie płyt
dociskowych) obwód elektryczny uzwojenia wzbudzenia elektromagnesu pozostaje
stale zamknięty (np. przez blok prostowniczy i uzwojenie wtórne transformatora jednostki zasilającej), a operacje załączania, wyłączania i zmiany natężenia prądu wzbudzenia muszą być wykonywane po stronie pierwotnej transformatora. Dla dodatkowego zabezpieczenia obsługi i uzwojeń wzbudzenia elektromagnesu, uzwojenie to
zwarto diodą zwrotną. Dioda ta chroni uzwojenie wzbudzenia elektromagnesu przed
przepięciami spowodowanymi awaryjnym przerwaniem obwodu wtórnego układu
zasilania.
Zmiany wartości natężenia prądu wzbudzenia muszą się odbywać w taki sposób
aby wyeliminować możliwość powstania przerwy w zasilaniu uzwojeń elektromagnesu.
6. BADANIE POLA MAGNETYCZNEGO W OTOCZENIU ELEKTROMAGNESU
Badania miały na celu określenie czy pole magnetyczne w otoczeniu elektromagnesu nie przekracza wartości dopuszczalnych dla obsługi. Najsilniejsze pole magnetyczne będzie oczywiście przy największym prądzie wzbudzenia 350 A.
W badaniach symulacyjnych przyjęto grubość blach poszycia pudeł 4 mm, a płyt
dociskowych 20mm. Wyznaczono rozkład indukcji w otoczeniu elektromagnesu w
przestrzeni przylegającej do jego płaszczyzny roboczej. Wybrane wyniki badań symulacyjnych przedstawiono w tabeli 2. Za strefę bezpieczną dla obsługi uznaje się obszar, w którym natężenie pola magnetycznego stałego nie przekracza 8kA/m, co odpowiada indukcji 10 mT w powietrzu [3].
Wyznaczona w badaniach symulacyjnych maksymalna wartość indukcji nie przekracza 0,3 mT (tabela 2), a więc jest znacznie mniejsza od dopuszczalnej [2]. W odległości 10 cm od powierzchni roboczej maksymalna wartość indukcji, która wystąpi przy
prądzie 350 A, bez blachy napinanej i płyty dociskowej, wynosi 6 mT, więc jest to
również wartość bezpieczna. W innych przypadkach (mniejsze prądy, obecność płyt
dociskowych) wartości indukcji są wielokrotnie niższe.
Tabela 2. Wartości natężenia pola (H), indukcji B i gęstości energii w odległości 200 mm
od powierzchni elektromagnesu
Table 2. Values of the magnetic field strength (H), flux density (B) and energy density at the distance of
200mm from the electromagnet surface
I
B
H
w
A
mT
A/m
mJ/m3
0,010
7,8
0,038
0,275
219,0
30,145
0,289
230,3
33,339
Układ
1
2
3
350
Układ: 1 – elektromagnes z prostowaną blachą i płytą dociskową;
2 - elektromagnes bez płyty dociskowej,
3 - elektromagnes bez blachy i płyty.
Na podstawie uzyskanych wyników obliczeń można stwierdzić, że praca w obszarze pola magnetycznego wytwarzanego przez omawiany elektromagnes jest bezpieczna dla obsługi, pod warunkiem nie zbliżania się do jego nie osłoniętej powierzchni
roboczej (bez blachy prostowanej i płyt dociskowych) na odległość mniejszą niż
9 cm.
7. PODSUMOWANIE
Zaprojektowane i wdrożone urządzenie elektromagnetyczne do prostowania i napinania blach poszycia pudeł wagonów i lokomotyw, wykorzystujące opisaną technologię, w pełni potwierdziło swe zalety. Nastąpiło znaczne obniżenie kosztu operacji,
przez zmniejszenie zużycia masy szpachlowej, wielokrotne zmniejszenie zużycia gazów technicznych, zmniejszenie pracochłonności oraz zwiększenie przepustowości
7
stanowiska do napinania blach. Podwyższenie jakości wyrobów, w wyniku lepszej
jakości powierzchni poszycia, zwiększa ich konkurencyjność. Znaczne obniżenie poziomu hałasu poprawiło warunki pracy.
LITERATURA
[1] Karwacki W., Kostowski A., Schoepp K.; Elektromagnes do napinania blach poszycia wagonów,
Energetyka 1991, nr 10, s.357-362
[2] Antal L.i in.; Elektromagnes do napinania blach poszycia lokomotyw, IMNiPE, Raport z serii SPR nr
6/2001
[3] Markiewicz H.; Bezpieczeństwo w elektroenergetyce, WNT, Warszawa 1999, s.338-341
AN ELECTROMAGNETIC DEVICE FOR STRAIGHTENING AND STRETCHING OF
SHEET LAYINGS OF RAILWAY CARS AND LOCOMOTIVES
A new technology for straightening and stretching of large steel sheets being a sheathing of railway
cars and locomotives needed a design of special device with an electromagnet of very large working
surface and very high rigidity. The first design of such a device was meant for steel sheathings of 2mm
thick and it was made in Electrical Machines Section of the Institute and realized in “Pafawag” of Wroclaw, where it was operating for a very long time without any major failures. This encouraged the producer to use the similar device for thicker sheathing of 4mm. Such a device has been designed in the
Institute an successfully used in fabrication of railway cars and locomotives. The brief characteristic of
the method of straightening and stretching and characteristics of both designed electromagnets has been
presented in the paper.