CC BY
9Транспорт Шёлкового Пути
№1, 2021
UDC 629.423.33
ANALYSIS OF NUMERICAL SIMULATION OF INTERACTION OF CONTACT NETWORK AND CURRENT RECEIVER
Bakhodir ABDURAKHMANOV*, 1st category specialist
Ministry of Innovative Development
7, University st., 100174, Tashkent, Uzbekistan
*Tel: +99899 537-78-60
*E-mail: b [email protected]
Ilya VIKULOV, Associate Professor
St. Petersburg State Transport University
9, Moscow av., St. Petersburg, Russia
Tel: +7 (812) 457-85-36
E-mail: [email protected]
Abstract: With an increase in the speed of electric rolling stock, the requirements for the reliability of current collection increase. In the process of studying the interaction of a pantograph with a contact network, take into account and fully evaluate the dynamic interaction of the "current collector - contact network" system, including vibrations of a locomotive, aerodynamic effects, weather conditions, etc. difficult, therefore different models are used: models with reduced masses; models described by the masses and geometrical dimensions of a real current collector; pantograph models created in specialized CAD systems that describe in detail the geometric dimensions and physical properties of each pantograph element.
Key words: pantograph, current collector insert, mathematical modeling, reliability, wear. UO^ 629.423.33
ALOQA TARMOG'I VA QABUL QILUVCHINING O'ZARO TA'SIRINI RAQAMLI SIMULYATSIYASINI TAHLIL QILISH
Baxodir ABDURAXMANOV*, 1-toifali mutaxassis
Innovatsion rivojlanish vazirligi
100174, O'zbekiston, Toshkent, Universitet ko'ch., 7
*Tel: +998(99) 537-78-60
*E-mail: [email protected]
Ilya VIKULOV, dotsent
Imperatori Aleksandr I nomli S. Peterburg federal davlat transport universiteti Rossiya, S. Peterburg, Moskva shox ko'ch., 9 Tel: +7 (812) 457-85-36 E-mail: [email protected],
УДК 629.423.33
АНАЛИЗ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ТОКОПРИЕМНИКА
Баходир АБДУРАХМАНОВ*, Специалист 1-категории
Министерство Инновационного развития
100174, Узбекистан, Ташкент, ул. Университетская, 7
*Тел: +99899 537-78-60
*E-mail: b. [email protected]
Илья ВИКУЛОВ, доцент
ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» Россия, С.Петербург, Московский пр., 9 Тел: +7812 457-85-36 E-mail: [email protected]
Аннотация: С увеличением скорости электрического подвижного состава возрастают требования к надежности токосъема. В процессе изучения взаимодействия токоприемника с контактной сетью учесть и оценить в полной мере динамическое взаимодействие системы «токоприемник - контактная сеть», в том числе, колебания локомотива, аэродинамическое воздействие, погодные условия и т.д. сложно, поэтому используют различные модели: - модели с приведенными массами; - модели, описываемые массами и геометрическими размерами
реального токоприемника; - модели токоприемника, созданные в специализированных СЛВ-системах, которые детально описывают геометрические размеры и физические свойства каждого элемента токоприемника.
Ключевые слова: токоприемник, токосъемная вставка, математическое моделирование, надежность, износ.
1.ВВЕДЕНИЕ
С увеличением пропускной способности поездов на электрифицированных железных дорогах Узбекистана возникают вопросы повышения скоростей движения, что в свою очередь требует надежности устройств токосъёма.
Процесс передачи электрической энергии к электроподвижному поставу (ЭПС) осуществляется посредством контактной сети на токоприемник. Для решения задачи качественного токосъема становится необходимым изучение взаимодействия элементов системы токоприемник - контактная сеть. Ввиду огромного количества факторов, влияющих на процесс изучения токосъема в реальном времени, моделирование взаимодействия системы является одним из рациональных решений поставленной задачи [1].
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ
2.1 Анализ численного моделирования токоприемника
При численном моделировании токоприемника различают три типа моделирования: схема с малыми степенями свободы и приведенными массами; схема, состоящая из элементов, описываемых массами и геометрическими размерами реального токоприемника; модели токоприемника, созданные в специализированных СЛВ-системах, которые детально описывают геометрические размеры и физические свойства каждого элемента токоприемника (рисунок 1) [2].
Рис. 1. Типы моделирования токоприемника
2.2 Моделирование токоприемника методом приведенных масс
При моделировании взаимодействия токоприемника и контактной подвески токоприемник обычно представляют в виде приведенной массы, движущуюся в вертикальном направлении со скоростью точки приведения и обладающую такой же кинетической энергией, что и та часть токоприемника, которая заменяется приведенной массой. На рисунке 2 приведена математическая модель токоприемника с одной степенью свободы.
В случае одно массовой модели не учитываются рессорные элементы токоприемника. Более качественные модели получаются, если токоприемник разделить на несколько приведенных масс. На рисунке 3 приведены многомерные модели токоприемника.
тт
1
Рис. 2. Модель токоприемника с одной степенью свободы
Рис. 3. Многомерные модели токоприемника:
а) модель с тремя степенями свободы; б) модель с двумя степенями свободы; в) модель с шестью степенями свободы
2.3 Моделирование токоприемника с реальными массами и геометрическими размерами
Метод моделирования токоприемника с реальными массами и геометрическими размерами (рисунок 4) более точно описывает реальные геометрические, кинематические, упругие и инерционные параметры токоприемника. Данная модель позволяет более точно описать работу токоприемника, подобрать размеры и параметры отдельных его элементов с точки зрения оптимизации динамики и статики процесса токосъема [3].
При использовании такого типа моделей появляется возможность моделировать токоприемник в трех измерениях, создавая условия для учета распределения усилий в каретках, при нагрузках, неравномерно действующих на полоз.
'У
Рис. 4. Кинематическая модель токоприемника
2.4 Моделирование токоприемника в cad-системах
Моделирования токоприемника в СЛО-системах подразумевает использование специализированных программных средств (ANSYS, MSC Nastran, Т-БЬБХ, SolidWorks, СЛТ1Л), позволяющих выполнить поэлементное проектирование основных элементов и систем токоприемника (рисунок 5). При проектировании модели учитывается вся реальные размеры токоприемника, а также особенности используемых материалов, форм и креплений. При использовании этого типа моделирования появляется возможность выполнять не
только динамические расчеты процесса токосъема, но и аэродинамические, температурные, прочностные. В совокупности такое параметрическое моделирование позволяет выполнить рациональное проектирование элементов токоприемника.
Рис. 5. Трехмерная модель токоприемника ТЛ-13У, созданная в БоШШогкз 2.5 Анализ численного моделирования контактной сети
При динамическом моделировании взаимодействия токоприемника с контактной сетью модель контактной подвески может быть представлена двумя способами: модель контактной подвески в виде сосредоточенной массы и конечномерная модель на основе метода конечных элементов (модель с распределенными параметрами).
До настоящего времени исследования процесса токосъема основаны на представлении системы в виде математических моделей с учетом сосредоточенных параметров [4, 5,]. При этом предполагается, что жесткость контактной подвески в пролете изменяется периодически. В других работах процесс токосъема анализируют как математическую модель с распределенными параметрами. Эту модель получают путем сведения систем с распределенными параметрами к системе обыкновенных дифференциальных уравнений [3-5]. При этом учитывают перемещение провода, которое рассматривают в виде суммы произведений двух функций, одна из которых зависит от координаты перемещения, а другая от времени.
Рис. 6. Модель контактной подвески, представленная в виде приведенной массы
На рисунке 2.1 приняты следующие обозначения: тк - приведенная масса контактной подвески, кг; ск -жесткость подвески, Н/м; гк - коэффициент вязкого трения в шарнирах контактной подвески, Н-с/м; wк - сила сопротивления сухого трения в шарнирах контактной подвески.
Данная модель имеет ряд существенных недостатков. Так в ней не учитывается распространение волн вдоль контактной сети. Так же для определения приведенной массы контактной подвески предлагается проводить ряд специально поставленных экспериментов, но при изменении условий эксперимента приведенная масса подвески может существенно изменяться, что может значительно повлиять на результаты моделирования. Еще одним важным недостатком данной модели можно считать то, что при моделировании взаимного влияния нескольких токоприемников можно учесть лишь статическую составляющую нажатия [3].
Самым распространенным методом динамического моделирования контактной подвески является метод конечных элементов. При использовании данного метода контактная подвеска, обладающая бесконечным числом степеней свобод, разбивается на конечные элементы, которые представляют собой различные физические абстракции с ограниченным числом степеней свободы. Это могут быть абсолютно жесткие стержни, соединенные между собой шарнирами, натянутые гибкие линии, бесконечно малые точки, обладающие массой и соединенные с соседними точками гибкими невесомыми линиями и т.д.
С, И г, ^
т,
Т? ™ С
хт
к
Рис. 7. Конечно-элементная модель провода, представленная
в
виде системы связанных жестких стержней
Состояние каждого конечного элемента описывается дифференциальным уравнением. Полученная дискретная модель контактной подвески объединяется с моделью токоприемника, которая может быть построена как на основе использования приведения масс, так и представлением токоприемника реальным физическим телом с составлением дифференциальных уравнений, описывающих состояние его каждого элемента. Решение полученной системы уравнений для всей сетки конечных элементов контактной подвески и токоприемника позволяет определить основные физические параметры каждого конечного элемента в функции времени. К физическим параметрам конечного элемента относятся его координаты, направление и величина скорости движения. В результате обработки решения может быть получена траектория точки контакта токоприемника и контактного провода, а также изменение нажатия в функции пути. Для определения нажатия между токоприемником и контактной подвеской помещают фиктивную пружину с большой жесткостью, и нажатие определяют исходя из деформации этой пружины.
Применение метода конечных элементов при моделировании взаимодействия токоприемника с контактной подвеской позволяет учесть влияние на взаимодействие конструктивных особенностей подвески, таких как тип подвески, расположение струн, рессорного троса, электрических соединителей, наличие второго контактного провода и т.д [5]. При этом учитываются волновые процессы, происходящие в подвеске, падающие и отраженные волны. Так же в этом случае возможно моделирование нескольких токоприемников, учет отрывов токоприемника от контактного провода, разгрузка струн.
3. ВЫВОДЫ:
1. Существуют много математических моделей, описывающие взаимодействие токоприемника с контактной сетью, которые можно разделить на три группы:
- модели с оды и приведенными массами;
- модели, описываемых массами и геометрическими размерами реального токоприемника;
- модели токоприемника, созданные в специализированных CAD-системах.
2. Как показывает опыт эксплуатации токоприемников, математические модели не могут полностью описать вибрационное взаимодействие между полозом токоприемника и контактным проводом в виду огромного количества факторов, влияющих на работу токоприемника.
3. Для определения состояния токоприемника целесообразно использовать диагностические устройства. В частности, для определения состояния токосъемных вставок необходимо воспользоваться вибрационной диагностикой.
4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Абдурахманов Б.Б. Контроль состояния токопроводящих вставок электровозов ВЛ80С / Б.Б. Абдурахманов, А.П. Зеленченко // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: сборник трудов LXXVI Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. С. 9 - 12. [In Russian: Abdurakhmanov, B.B. Monitoring the status of contact strips of electric locomotives VL80S / B.B. Abdurakhmanov, A.P. Zelenchenko // Transport: problems, ideas, prospects: proceedings of the LXXVI All-Russian Scientific and Technical Conference of students, graduate students and young scientists, PGUPS, 2016].
2. Абдурахманов Б.Б. Метод диагностики токопроводящих вставок токоприемников электровозов / Б.Б. Абдурахманов, А.П. Зеленченко // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: сборник трудов LXXVII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2017. С. 13 - 18. [In Russian: Abdurakhmanov, B.B. Method for the diagnosis of contact strips of pantograph of electric locomotives / B.B. Abdurakhmanov, A.P. Zelenchenko// Transport: problems, ideas, prospects: proceedings of the LXXVII All-Russian Scientific and Technical Conference of students, graduate students and young scientists, PGUPS, 2017].
3. Марквардт К.Г. Контактная сеть. Учебник для вузов ж.-д. транс. / К.Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1994. -335 с. [In Russian: Marquardt, K.G. Contact network. Textbook for high schools. trance. / K.G. Marquardt - M.: Transport, 1994].
4. Сидоров О.А. Выбор метода численного моделирования токоприемника электроподвижного состава/ О.А. Сидоров, И.Л. Саля // Известия Транссиба - М., 2016. - № 2(26). - С. 107-112. [In Russian: Sidorov, O.A. Choice of a method for numerical simulation of a pantograph of electric rolling stock / O.A. Sidorov, I.L. Salya // Proceedings of the Trans-Siberian Railway. No 2 (26). 2016].
5. Collina A. Numerical simulation of pantograph-overhead equipment interaction / A. Collina, S. Bruni, Vehicle System Dynamics 38 (4), 2002. pp 261-291.
