Bulletin of scientific research results Bulletin of scientific research results Бюллетень результатов научных исследований 2223-9987 119473 10.20295/2223-9987-2026-1-7-16 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем 3D model of the stress-strain state of the locomotive traction electric motor insulation 3D-модель напряженного состояния изоляции тяговых электродвигателей локомотивов Шрайбер Марина Александровна Shrayber Marina Aleksandrovna goshapti4ka@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Грачев Владимир Васильевич Grachev Vladimir Vasil'evich

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Грищенко Александр Васильевич Grischenko Aleksandr Vasil'evich

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Санкт-Петербург Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Saint-Petersburg Russian Federation Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Россия Emperor Alexander I Petersburg State Transport University Russian Federation 03 04 2026 03 04 2026 2026 1 7 16 06 11 2025 09 02 2026 https://izvestiapgups.editorum.ru/en/nauka/article/119473/view

Цель: оценить уровень термомеханических напряжений в изоляционном материале тяговых электродвигателей (ТЭД) локомотивов. Методы: анализ термомеханических напряжений проводился с использованием метода конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе SolidWorks 2010 для детального изучения напряженно-деформированного состояния изоляционного материала на всех этапах нагружения, обеспечивая высокую точность и надежность результатов. Результаты: термомеханические напряжения оказывают значительное влияние на динамическое термическое старение изоляционной системы обмоток. Они вызывают усталостные разрушения, которые приводят к деградации изоляционных свойств и снижению надежности ТЭД. На основе полученных данных разработана методика численного моделирования, позволяющая точно предсказывать напряженно-деформированное состояние изоляционного материала на различных этапах нагружения. Это обеспечивает возможность проектирования и оптимизации конструкций ТЭД с учетом реальных эксплуатационных условий. Разработанная методика может быть применена для оценки термомеханических напряжений в пропиточных материалах изоляции ТЭД и аналогичных конструкциях, что расширяет ее практическое применение и значимость. Это представляет собой важный шаг в понимании механизмов старения изоляции ТЭД и разработке методов повышения их надежности и долговечности. Практическая значимость: полученные результаты могут быть использованы для создания новых технологий и инженерных решений, которые значительно улучшат эксплуатационные характеристики локомотивов, снижая затраты на их обслуживание и повышая безопасность перевозок.

Objective: to quantify thermomechanical stresses in the insulation of locomotive traction electric motors (TED). Methods: thermomechanical stress analysis was performed using the finite element method (FEM) within the SolidWorks 2010 environment, enabling a detailed evaluation of the insulation material’s stressstrain state across all loading stages while ensuring high accuracy and reliability. Results: thermomechanical stresses significantly accelerate dynamic thermal aging of the winding insulation provoking fatigue damage that degrades insulating properties and diminishes TED reliability. From these findings, a numerical modelling technique was developed to accurately predict the insulation material’s stress-strain behavior under various loading conditions. This approach enables the design and optimization of TED structures under actual operating conditions. The developed methodology can be applied to assess thermomechanical stresses in treated insulation materials associated with TEDs and analogous structures, thereby broadening its practical applicability and significance. It constitutes an important advance in elucidating the aging mechanisms of TED insulation and in devising measures to enhance their reliability and service life. Practical importance: the findings can guide the creation of innovative technologies and engineering solutions that will significantly improve locomotive performance, reduce maintenance costs and increase transportation safety.

 тяговый электродвигатель локомотива тепловые процессы электрических машин старение изоляции термомеханические напряжения надежность электрических машин locomotive traction electric motor thermal processes of electric machines insulation aging thermomechanical stresses and reliability of electric machines

Попов A.A., Логинова Е. Ю. Результаты экспериментального и расчетного определения температур обмоток тягового электродвигателя электровоза // Вестник ВНИИЖТ. 1999. № 6. С. 34–39. Popov A.A., Loginova E. Yu. Rezul'taty eksperimental'nogo i raschetnogo opredeleniya temperatur obmotok tyagovogo elektrodvigatelya elektrovoza // Vestnik VNIIZhT. 1999. № 6. S. 34–39. Влияние климатического старения на характеристики упругости и прочности полимерных композитных материалов / В. Ф. Кутьинов [и др.] // Ученые записки ЦАГИ. 2006. № 4. С. 54–64. Vliyanie klimaticheskogo stareniya na harakteristiki uprugosti i prochnosti polimernyh kompozitnyh materialov / V. F. Kut'inov [i dr.] // Uchenye zapiski CAGI. 2006. № 4. S. 54–64. Оценка остаточного ресурса изоляции погружного электродвигателя установок электрических центробежных насосов добычи нефти при воздействиях импульсных перенапряжений / В. В. Сушков [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 10. С. 74–80 Ocenka ostatochnogo resursa izolyacii pogruzhnogo elektrodvigatelya ustanovok elektricheskih centrobezhnyh nasosov dobychi nefti pri vozdeystviyah impul'snyh perenapryazheniy / V. V. Sushkov [i dr.] // Izvestiya Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2017. T. 328, № 10. S. 74–80 Исмаилов Ш. К. Электрическая прочность изоляции электрических машин локомотивов: монография. Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2003. 272 с. Ismailov Sh. K. Elektricheskaya prochnost' izolyacii elektricheskih mashin lokomotivov: monografiya. Omsk: Omskiy gosudarstvennyy universitet putey soobscheniya, 2003. 272 s. Odegard G., Bandyopadhyay A. Physical aging of epoxy polymers and their composites // Polymer Physics, 2011, vol. 49, iss. 24, pp. 1695–1716. Odegard G., Bandyopadhyay A. Physical aging of epoxy polymers and their composites // Polymer Physics, 2011, vol. 49, iss. 24, pp. 1695–1716. Экспериментальные исследования теплового состояния коллектора ТЭД / А. В. Гри- щенко [и др.] // Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век: сборник материалов VI Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС А. В. Плакса. СПб., 2018. С. 124–129. Eksperimental'nye issledovaniya teplovogo sostoyaniya kollektora TED / A. V. Gri- schenko [i dr.] // Lokomotivy. Elektricheskiy transport. XXI vek: sbornik materialov VI Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii, posvyaschennoy 90-letiyu so dnya rozhdeniya doktora tehnicheskih nauk, professora kafedry «Elektricheskaya tyaga» PGUPS A. V. Plaksa. SPb., 2018. S. 124–129. Грачев В. В., Грищенко А. В., Шрайбер М. А. Методика оценки степени увлажнения изоляции тяговых электродвигателей тепловозов // Бюллетень результатов научных исследований. 2021. № 4. С. 47–56. Grachev V. V., Grischenko A. V., Shrayber M. A. Metodika ocenki stepeni uvlazhneniya izolyacii tyagovyh elektrodvigateley teplovozov // Byulleten' rezul'tatov nauchnyh issledovaniy. 2021. № 4. S. 47–56. Устройство и ремонт электровозов и электропоездов: учебник / А. В. Грищенко [и др.]; под ред. А. В. Грищенко. М.: Академия, 2010. 320 с. Ustroystvo i remont elektrovozov i elektropoezdov: uchebnik / A. V. Grischenko [i dr.]; pod red. A. V. Grischenko. M.: Akademiya, 2010. 320 s. Корицкий Ю. В., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Справочник по электротехническим материалам. Т. 1. 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1986. 368 с. Korickiy Yu. V., Pasynkov V. V., Tareev B. M. Spravochnik po elektrotehnicheskim materialam. T. 1. 3-e izd. M.: Energoatomizdat, 1986. 368 s. Пак В. М., Трубачев С. Г. Новые материалы и системы изоляции высоковольтных электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 2007. 416 с. Pak V. M., Trubachev S. G. Novye materialy i sistemy izolyacii vysokovol'tnyh elektricheskih mashin. M.: Energoatomizdat, 2007. 416 s. Алиев И. И., Калганова С. Г. Электротехнические материалы и изделия. М.: Радио- Софт, 2005. 329 с. Aliev I. I., Kalganova S. G. Elektrotehnicheskie materialy i izdeliya. M.: Radio- Soft, 2005. 329 s. Тимошенко С. П. Механика материалов: учебник для вузов. 2-е изд., стер. СПб.: Лань, 2002. 672 с. Timoshenko S. P. Mehanika materialov: uchebnik dlya vuzov. 2-e izd., ster. SPb.: Lan', 2002. 672 s. Грищенко А. В., Козаченко Е. В. Новые электрические машины локомотивов: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. 271 с. Grischenko A. V., Kozachenko E. V. Novye elektricheskie mashiny lokomotivov: uchebnoe posobie dlya vuzov zh.-d. transporta. M.: GOU «Uchebno-metodicheskiy centr po obrazovaniyu na zheleznodorozhnom transporte», 2008. 271 s.