CC BY
2
Тел.:+7 (3812) 31-34-46.
E-mail: [email protected]
Гершм-ан Иосиф Сергеевич
Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ).
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Доктор технических наук, отдел «Контактная сеть и токосъем», центр «Электрификация и теплоэнергетика», ВНИИЖТ.
Тел.:+ 7 (499) 260-41-11.
E-mail: gershman.iosif@vniizhtru
Миронос Николай Васильевич
Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ;.
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, отдел «Контактная сеть и токосъем», центр «Электрификация и теплоэнергетика», ВНИИЖТ.
Тел.:+ 7 (499) 260-41-11.
E-mail: [email protected]
Царьков Антон Александрович
Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ;.
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, отдел «Контактная сеть и токосъем», центр «Электрификация и теплоэнергетика», ВНИИЖТ.
Тел.:+ 7 (499) 260-41-11.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСЗООЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Концепция разработки системы токосъема для высокоскоростных магистралей / О. А. Лукьянова, И. С. Гершман, Н. В. Миронос, А. А. Царьков. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. -2024. - № 2 (58). - С. 24 - 36.
Ten.:+7 (3812) 31-34-46.
E-mail: [email protected]
Gershnian Iosif Sergeevich
Joint Stock Company Railway Research Institute (JSC «VNIIZHT»).
10, 3rd Mytishchinskaya st, Moscow, 129626, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, department «Contact network and current collection», center «Electrification and heat power engineering», VNIIZHT
Phone: +7 (499) 260-41 -11.
E-mail: [email protected]
Mironos Nikolay Vasilievich
Joint Stock Company Railway Research Institute (JSC «VNIIZHT»).
10, 3rd Mytishchinskaya St., Moscow, 129626, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, department «Contact network and current collection», center «Electrification and heat power engineering», VNIIZHT.
Phone: +7 (499) 260-41-11.
E-mail: [email protected]
Tsarkov Anton Alexandrovich
Joint Stock Company Railway Research Institute (JSC «VNIIZHT»).
10, 3rd Mytishchinskaya St., Moscow, 129626, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, department «Contact network and current collection», center «Electrification and heat power engineering», VNIIZHT.
Phone: +7 (499) 260-41-11.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Lukyanova O.A., Gershman I.S., Mironos N.V., Tsarkov A.A. Concept of current collection system development for high speed lines. Journal of Transsib Railway Studies, 2024, no. 2 (58), pp. 24-36 (In Russian).
УДК 621.336.3
О. А. Сидоров, А. Н. Тарасов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ТОКОПРИЕМНИК ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАГИСТРАЛЕЙ
Аннотшщя. Совершенствование токоприемников электроподвижного состава является актуальной задачей в современных условиях, характеризующихся ростом транспортной нагрузки, развитием технологий и ужесточением экологических требований. Современные токоприемники должны обеспечивать стабильный контакт с контактной подвеской, чтобы минимизировать износ контактных элементов и контактного провода, уменьшить вероятность дугообразования, пережогов и отжигов контактных проводов, снижая тем самым количество отказов и сбоев в работе системы тягового электроснабжения. Особенно актуальны вопросы обеспечения надежной работы системы электроснабжения при запуске в эксплуатацию новой
36 ИЗВЕСТИЯ ТранссиШ
=
высокоскоростной магистрат (ВСМ), работы по созданию которой е настоягцее время начаты и активно ведутся в Российской Федерации. В данной статье выполнен анализ тенденций развития конструкций токоприемников, предназначенных для высоких скоростей движения, выявлены тенденции развития токоприемников для высокоскоростных линий Разработаны схемные решения двухступенчатого токоприемника, оснаи/енного устройством блокировки нижней подвижной рамы и предназначенного для эксплуатации как на обычных линиях, так и на высокоскоростных магистралях. Для оценки динамических характеристик данного токоприемника принята математическая модель с сосредоточенными массами, выполнены расчеты, показавшие, что предложенная конструкция двухступенчатого токоприемника обеспечивает качественный токосъем при скоростях движения до 400 км/ч при взаимодействии с контактной подвеской ВСЩ имеющей диапазон высот контактного провода 350 мм При использовании токоприемника на сугцествующих линиях при скоростях, до 200 км/ч он обеспечивает надежный и экономичный токосъем с контактной подвески, имеющей рабочий диапазон высот контактного провода до 1300мм Предложена схема автоматического регулирования нажатия верхнего рычага, синхронизированная с системой управления нажимного механизма нижнего рычага Полученные результаты могут быть использованы при проектировании токоприемников отечественной линии ВСМ Москва - Санкт-Петербург.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 23-29-10188.
Ключевые слова: электроподвижной состав, высокоскоростная магистраль, двухступенчатый токоприемник, токосъем, контактное нажатие, диапазон высот контактного провода
Oleg A. Sidorov, Andrey N. Та га so v
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
TWO-STAGE PANTOGRAPH OF ELECTRIC ROLLING STOCK
FOR HIGH-SPEED LINES
A bstract. Improvement ofelectric rolling stock pantographs is an urgent task in the current conditions characterized by the growth of transport load development of technologies and toughening of ecological requirements. Modem pantographs should provide stable contact with the catenary to minimize wear of contact elements and contact wire, to reduce the probability of arcing, bums and annealing of contact wires, thus reducing the number of failures and malfunctions in the traction power supply system. Especially relevant are the issues of ensuring reliable operation of the power supply system at the launch of a new high-speed line (HSL), the work on the creation of which is currently initiated and actively carried out in the Russian Federation. In this article the tendencies of development of pantograph designs intendedfor high speeds are analyzed the tendencies of development ofpantographs for high-speed lines are revealed. The schematic solutions of a two-stage pantograph equipped with a locking device of the lower movable frame and intended for operation both on standard lines and on high-speed lines are developed To evaluate the dynamic characteristics of this pantograph, a mathematical model with concentrated masses was adopted and calculations were performed, which showed that the proposed design of the two-stage current collector provides high-quality current collection at speeds up to 400km/h when interacting with the contact suspension of the high-speed railroad with a contact wire height range of350 mm. When using the pantograph on existing lines at speeds up to 200 km/h, it provides reliable and economical current collection from tlie catenary suspension, which lias a working range of contact wire heights up to 1300 mm. The scheme of automatic control of the upper lever pressing, synchronized with the control .system of the lower lever pressing mechanism, is proposed. The obtained results can be used in designing the pantograph of the domestic line of the Moscow - St. Petersburg High-Speed Railway.
The study was financially supported by the Russian Science Foundation within the framework of scientific project No. 23-29-10188.
Keywords: electric locomotive, high-speed line, two-stage pantograph, current collection, contact push, contact wire height range.
Совершенствование системы тягового электроснабжения является одной из ключевых задач, обозначенных в «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.» [1]. Эта стратегия направлена на комплексное развитие железнодорожной инфраструктуры, повышение эффективности и безопасности перевозок, а также на внедрение современных технологий и инноваций в транспортную отрасль.
Стратегия предусматривает развитие в Российской Федерации сети высокоскоростных железнодорожных магистралей со скоростями движения до 400 км/ч.
Одним из ключевых аспектов успешной реализации подобных проектов является надежность и эффективность системы тягового электроснабжения, важнейшей частью
которой является система токосъема, которая должна обеспечивать надежный, экономичный и экологичный токосъем при высоких скоростях движения. В этих условиях к токоприемникам электроподвижного состава предъявляются высокие требования: минимальная приведенная масса, высокая нагрузочная способность по снимаемому току, способность работать как на высокоскоростных магистралях, так и на обычных линиях.
В первую очередь это касается действующей высокоскоростной линии Москва - Санкт-Петербург, на которой эксптуатируется электропоезд «Сапсан». Контактная подвеска на участках, где реализуются высокие скорости, имеет диапазон изменения высотного положения контактного провода существенно меньше, чем на участках, локализованных в пригородах Москвы и Санкт-Петербурга., где при движении электропоезда «Сапсан» имеют место случаи нарушения стабильности контакта, сопровождающиеся искрением и возникновением опасности термического разрушения токосъемных элементов токоприемника и контактного провода. Поэтому весьма актуальной является задача создания токоприемника, способного работать как при высоких скоростях движения, так и при обычных скоростях в условиях значительного перепада высот контактного провода на указанных выше участках действующей линии Москва - Санкт-Петербург.
Кроме того, аналогичная проблема может возникнуть и при создании высокоскоростных магистралей (ВСМ), когда в периоды испытаний и последующего запуска их в эксплуатацию, скоростной подвижной состав должен будет иметь возможность заходить на обычные линии, прилегающие к высокоскоростной магистрали.
В соответствии с ГОСТ 33944-2016 и ГОСТ Р 58322-2018 контактные подвески обычных и высокоскоростных железных дорог имеют различные рабочие диапазоны высотного положения контактного провода (таблица). Для обьиных линий работай диапазон составляет 1300 мм [2], а для высокоскоростных - 350 мм [3]. Такая универсальность токоприемников необходима на период запуска в эксплуатацию линии ВСМ, когда скоростной подвижной состав должен иметь возможность заходить на обычные линии, прилегающие к высокоскоростной магистрали. Поэтому разработка таких токоприемников является весьма актуальной задачей.
Высота подвеса контактного провода стандартных и высокоскоростных железных дорог
Название документа Высота подвеса контактного провода от уровня головки рельса, мм
ГОСТ 33944-2016 «Подвеска железной дороги контактная» Не менее 5500
Не более 6800
ГОСТ Р 58322-2018 «Контактная сеть для высокоскоростных железнодорожных линий» Не менее 5550
Не более 5900
На высокоскоростных линиях токоприемник имеет гораздо меньший рабочий диапазон вертикальных перемещений системы подвижных рам в сравнении с обычными электрифицированными железными линиями, поэтому он может выполняться в виде конструкции, обладающей уменьшенной приведенной массой [4], которая значительно ниже приведенной массы используемых в настоящее время токоприемников.
Для выбора схемных решений нового токоприемника выполнена аналитическая оценка существующих конструкций подвижных рам высокоскоростных токощлгемников, применяемых в различных странах.
Одними из первых проектировать специализированный электроподвижной состав для высокоскоростной магистрали стали японские инженеры. Задачу разработки высокоскоростных токоприемников облегчили жесткие нормы, принятые на японской магистрали Синкансэн, касающиеся проектирования контактной сети с ограниченным
допуском изменения высоты контактного провода над уровнем головки рельса: 4800 - 5100 мм. Это позволило сократить конструкционные размеры токоприемника и его приведенную массу. На начальном этапе эксплуатации Синкансэн использовались Х-образные токоприемники РЯЮОА (рисунок 1, о), но впоследствии от них отказались из-за сложной конструкции и значительного аэродинамического шума при высоких скоростях движения. Затем был разработан Т-образный токоприемник телескопического типа (рисунок 1, б), который, несмотря на простоту конструкции, имел высокую стоимость и в настоящее время не используется. Позднее были разработаны асимметричные токоприемники Р5207 (рисунок 1, в) и Р5208. В 2011 г. максимальная рабочая скорость высокоскоростных поездов серии Е5 с токоприемником/5»^08 достигла 320 км/ч [5].
а б в
Рисунок 1 - Японские токоприемники высокоскоростной магистрали Синкансэн: а - токоприемник PS200; б - Т-образный токоприемник; е - токоприемник PS201
Большой опыт разработки высокоскоростной системы токосъема накоплен французскими специалистами. В 1981 г. была открыта первая высокоскоростная железная дорога во Франции. На этой линии эксплуатируется поезд TGV, который является одним из самых скоростных в мире. В 1990 г. поезд TGV установил мировой рекорд, развив скорость в 515,3 км/ч [6]. В 2007 г. максимальная скорость испытательного поезда TGV-VI50 достигла 574,8 км/ч [7].
На высокоскоростных поездах TGV изначально применялись двухступенчатые токоприемники серии AMDE (рисунок 2, ci). В 1991 г. в целях увеличения скорости движения по высокоскоростным железнодорожным магистралям Франции был разработан асимметричный токоприемник СХ (рисунок 2, б). Он отличается наименьшим размером полоза среди всех известных токоприемников, что привело к значительному уменьшению приведенной массы по сравнению с токоприемниками AMDE.
Рисунок 2 - Французские высокоскоростные токоприемники: а - серии AMDE; б - серии СХ
На железных дорогах Великобритании также были реализованы принципы двухступенчатых токоприемников и разработаны токоприемники Breckneü Willis (рисунок 3). Эти токоприемники оснащены аэродинамическими крыльями, которые установлены для стабилизации контактного нажатия при высоких скоростях движения.
юдвижнои состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
а
Рисунок 3 - Токоприемники фирмы Brecknell Willis
К числу лидеров высокоскоростного движения относится и Германия. Введение немецкой высокоскоростной железнодорожной транспортной системы в эксплуатацию в 1991 г. с максимальной скоростью 250 км/ч представляет собой значительный шаг в развитии железнодорожного транспорта. Система ICE (InterCityExpress) является одной из наиболее надежных, передовых и комфортабельных в Европе.
На высокоскоростных железнодорожных маршрутах ICE применяется асимметричный
токоприемник DSA350SEK (рисунок 4), ^^^^
который является результатом многолетних
исследований по изучению взаимодействия ^ ^^^^
токоприемников с контактной подвеской при
одновременном совершенствовании элемен- ... , ïHÉ^wA
тов и узлов контактной сети. Благодаря этим усилиям максимальная скорость на немецкой железнодорожной сети была увеличена до 400 км/ч [8].
В Германии был разработан двухступенчатый токоприемник, который характеризуется способностью отрабатывать изменения высотного положения контактного провода с помощью нижнего основания, в то время как верхняя часть его служит для реагирования на высокочастотные колебания небольшой амплитуды (рисунок 5). Управление работой токоприемника осуществляется с помощью согласующих устройств 3 при помощи двух пневмоцилиндров - 1 и 2.
В Российской Федерации также проводились токоприемников
Рисунок 4 - Токоприемник DSA350SEK, разработанный в Германии
Рисунок 5 - Схема двухступенчатого авторегулируемого токоприемника
работы по созданию скоростных В результате совместной работы ВНИИЖТа с различными научными организациями и после выполнения обширного комплекса опытно-конструкторских работ был разработан авторегулируемый токоприемник пантографного типа ТСп-1м (рисунок 6), который применялся на электропоезде ЭР200 и скоростном электровозе ЧС200. В 2006 г. в рамках экспериментальной поездки была достигнута скорость 262 км/ч, которая в то время являлась рекордной для электрифицированных железных дорог России. Техническая инновация заключалась в наличии двух систем подвижных рам (верхней и нижней). При небольших изменениях высоты контактного провода в пролетах контактной подвески реагировала только верхняя часть токоприемника, а при значительных изменениях высоты,
например, при прохождении под искусственным сооружениями, реагировали обе подвижные системы. При этом верхняя система управляла нижней посредством пневмомеханической связи, реализованной с помощью золотников.
3
рамы верхней системы; 5 - подвижные рамы нижней системы; б - блокировка; 7 - основание
На основании выполненного анализа выявлены следующие основные тенденции развития скоростных токоприемников.
1. Ведущие страны при увеличении скорости движения электроподвижного состава используют асимметричные токоприемники с минимальной приведенной массой и нейтральной аэродинамической характеристикой.
2. Применяются двухступенчатые токоприемники, где основание нижней ступени может регулироваться по высоте с временной фиксацией в определенном диапазоне высот, а верхняя ступень работает в минимальном вертикальном диапазоне, обеспечивая отработку изменений высоты контактного провода и являясь своего рода датчиком для регулирования высоты нижней ступени.
3. В подъемно-опускающих механизмах токоприемников широко применяются управляемые пневматические резинокордные элементы.
4. Механизм подъема и опускания токоприемника должен обеспечивать возможность регулировки статического нажатия на контактный провод как в ручном, так и в автоматическом режимах.
5. Основание токоприемника должно быть оснащено универсальными креплениями для обеспечения его установки на различные типы элекгроподвижного состава.
6. Приведенная масса системы подвижных рам токоприемника должна быть минимизирована, при этом необходимо обеспечить требуемую поперечную и продольную жесткость. Материалы, используемые для их изготовления, должны обладать хорошей электрической проводимостью.
Среди указанных выше направлений совершенствования конструкций скоростных токоприемников наибольший интерес представляет применение двухступенчатых схем, реализация которых может дать одновременно несколько положительных эффектов: снижение приведенной массы системы подвижных рам, увеличение продольной и поперечной жесткости верхних рычагов, снижение вертикальных аэродинамических сил, действующих на верхний рычаг токоприемника.
В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» предложена конструкция двухступенчатого токоприемника электроподвижного состава, представленная на рисунке 7.
Транссиба 41
ИЗВЕСТИЯ
Предложенный токоприемник работает следующим образом. При эксплуатации токоприемника на обычных электрифицированных железных дорогах одновременно работают нижняя и верхняя подвижные рамы, обеспечивая рабочий диапазон изменений высоты контактного провода 1300 мм.
Рисунок 7 - Схема двухступенчатого токоприемника электроподвижного состава ОмГУПСа: 1 - основание; 2 - механизм подъема и опускания нижней подвижной рамы; 3 - нижняя подвижная рама;
4 - верхняя подвижная рама; 5 - механизм нажатия верхней подвижной рамы; 6 - контактный провод; 7 - полоз; 8 - каретка; 9 - источник сжатого воздуха; 10 - регулятор давления воздуха в пневмоэлементе подъема и опускания; 11 - регулятор давления в верхнем пневмоэлементе; 12 - блок управления; 13 - датчик скорости движения; 14 - пульт машиниста; 15 - датчик контактного нажатия;
16 - пневматический привод; 17 -упор-ограничитель; 18-управляемый клапан; 19-аэродинамически
обтекаемый корпус
Связь между работой нижней и верхней рамы в этом режиме выполнена посредством контроля и синхронизации давления воздуха в нижнем и верхнем пневмоэлементах. На верхних шарнирах нижней подвижной рамы крепится верхняя подвижная рама, оснащенная механизмом нажатия верхней подвижной рамы, выполненным в виде пневматического элемента. Полоз закреплен на верхней подвижной раме посредством кареток. Механизм нажатия верхней подвижной рамы установлен в аэродинамически обтекаемом корпусе, закрепленном на нижней подвижной раме. Обтекаемый корпус позволит снизить аэродинамическое сопротивление токоприемника, что особенно важно при движении электроподвижного состава на высоких скоростях.
При поднятии токоприемника сжатый воздух из источника сжатого воздуха подается в механизм подъема и опускания нижней подвижной рамы через регулятор давления пневмоэлемента подъема и опускания и в механизм нажатия верхней подвижной рамы через соответствующий регулятор давления так, чтобы обеспечить синхронную работу нижней и верхней рам. Входы регуляторов давления соединены с блоком управления.
При переходе на контактную сеть высокоскоростной магистрали нижняя подвижная рама вручную с пульта машиниста или автоматически по сигналу датчика скорости движения
блокируется с помощью упора-ограничителя, связанного с пнемоприводом. При этом блок управления увеличивает давление в пневматическом элементе нижней рамы, которая упирается в упор-ограничитель и фиксируется в таком положении, чтобы верхняя рама находилась под углом около 45°. Это обеспечивает работу верхней подвижной рамы в пределах заранее заданного диапазона и позволяет заблокировать перемещения нижней подвижной рамы. Установленный на полозе токоприемника датчик нажатия связан с регулятором давления пневмоэлемента подъема и опускания нижней рамы и необходим для поддержания установленного нажатия на контактный провод за счет изменения давления в полости механизма нажатия верхней подвижной рамы с помощью регулятора давления, связанного с блоком управления.
При опускании токоприемника машинист подает сигнал на блок управления, который, в свою очередь, через регуляторы давления и управляемый клапан выпускает сжатый воздух из нижнего и верхнего пневмоэлементов и из пневматического привода, что приводит к отведению упора-ограничителя высоты подъема нижней подвижной рамы.
Разработанный токоприемник электроподвижного состава позволяет повысить качество токосъема за счет обеспечения независимой работы верхней подвижной рамы путем фиксации нижней подвижной рамы на определенной высоте, что также позволит снизить приведенную массу токоприемника. Таким образом, с помощью предлагаемого токоприемника электроподвижной состав сможет эффективно работать как на высокоскоростных магистралях, так и на обычных электрифицированных железных дорогах.
Кроме того, при выполнении комплекса испытаний по выбору рационального варианта контактной подвески для линии ВСМ предлагаемый токоприемник позволит оценивать работоспособность системы токосъема при фиксации нижней рамы на различных высотах, что даст возможность оперативно подобрать параметры верхней подвижной рамы и каретки, которая может оснащаться управляемым упругими элементами при дальнейшем развитии системы автоматического регулирования нажатия.
Для анализа характеристик двухступенчатого токоприемника приняты математические модели с приведенными массами. На этапе оценки работоспособности предлагаемых схемных решений эти модели позволяют с приемлемой точностью моделировать взаимодействие токоприемника и контактной подвески в широком диапазоне скоростей движения, одновременно сокращая затраты времени на необходимые вычисления [9]. На рисунке 8 представлены схемы двухступенчатого токоприемника при обычных и высоких скоростях движения, а также их математические модели с приведенным массами.
<; 1 : " 1 Г
Рисунок 8 - Двухступенчатый токоприемник при обычных скоростях движения (а), его расчетная схема трехмассовой модели (б), двухступенчатый токоприемник при высоких скоростях движения при фиксации нижней подвижной рамы (е) и его расчетная схема двухмассовой модели (г)
Для расчета характеристик двухступенчатого токоприемника при стандартных скоростях применяется трехмассовая модель (рисунок 8, б), которая представляет собой колебательную систему, состоящую из трех приведенных масс: верхний узел 1 токоприемника, верхняя
подвижная рама 2 и нижняя подвижная рама 3. За начало отсчета координат принимается основание токоприемника.
Приведенные массы связаны между собой с помощью элементов, имитирующих жесткость, силы вязкого трения и нелинейные силы сухого трения. На расчетной схеме приняты следующие обозначения: х\ - высотное положение верхнего узла токоприемника; л*2 - высотное положение верхней подвижной рамы; хз - высотное положение нижней подвижной рамы; хк - положение контактного провода; гп\ - масса верхнего узла токоприемника; тг - приведенная масса верхней подвижной рамы; тз - приведенная масса нижней подвижной рамы; к\ - жесткость кареток; кг - жесткость верхней подвижной рамы; кз - жесткость нижней подвижной рамы; с\ - сила вязкого трения в каретке; а - сила вязкого трения в верхней подвижной раме; сз - сила вязкого трения в нижней подвижной раме; м>\ - нелинейная сила сухого трения в каретке; м>г - нелинейная сила сухого трения в верхней подвижной раме; м>з - нелинейная сила сухого трения в нижней подвижной раме, Ррг- сила, создаваемая механизмом нажатия верхней подвижной рамы; Ррз - сила, создаваемая механизмом подъема и опускания нижней подвижной рамы.
В ходе расчетов приняты следующие допущения:
- вертикальные колебания кузова современного высокоскоростного электроподвижного состава локализуются в пределах 0,005 м, что позволяет принять допущение о том, что основание токоприемника является неподвижным;
- силы (Рр2) и (Ррз) в ходе расчетов приняты постоянными, поскольку в кинематической схеме механизма нажатия верхней рамы и механизма подъема и опускания нижней рамы использованы рычажно-тросовые устройства, обеспечивающие стабильность статического нажатия, несмотря на нелинейность характеристик резинокордных пневмоэлементов;
- изгибные колебания рам не учитываются;
- траектория провисания контактного провода принимается в виде жесткой синусоиды, поскольку такой режим является максимально неблагоприятным для токоприемника с точки зрения возникновения резонансных явлений, но необходимым на этапе проверки его работоспособности;
- влияние аэродинамических сил не учитывается;
- токоприемник считается абсолютно жестким в продольном и поперечном направлениях;
-контакт между полозом и контактным проводом представлен в виде виртуальной
пружины большой жесткости (50 кН/м);
-нелинейные силы сухого трения были линеаризованы с помощью кусочно-линейной аппроксимации.
Математическая модель токоприемника с приведенными массами может быть описана с использованием уравнений Лагранжа второго рода, которые связывают движение тел в модели с дифференциальными уравнениями второго порядка [10]:
да
ат ап аФ
дд. дд дд.
0; д^[х{,х2,хъ].
(О
где д! - обобщенная координата;
Т - кинетическая энергия системы; П - потенциальная энергия системы; Ф - диссипативная функция;
Ос< - обобщенная сила по обобщенной координате д.
После вычисления частных производных кинетической, потенциальной энергий и диссипативной функции составляется система дифференциальных уравнений второго порядка:
щхх -кк + кх (х, -х21 + с, (х, ~х2) = —М''1з1§п(х1 -х2];
" ™г*г-к\{х\-хг) + кг{хг-хъ)-с\{х\ -л"2)+с2(х2-х3) = ^^п^-х2)-му^п(х2-х^+Р^, (2) тг'хг~к2 ^Х2 - Х3 ) + к3Х3 - С2 (х2 - Х3 ) + С3Х3 = (х2 - Хз)-М>381§П ^Х31 - Рр2 + ^рЗ •
Для расчета токоприемника при высоких скоростях движения используется двухмассовая модель токоприемника (рисунок 8, г). Расчет выполняется аналогично, но с учетом фиксации нижней подвижной рамы, т. е. расчетная схема состоит из двух приведенных масс: верхний узел 1 токоприемника и верхняя подвижная рама 2. После вычислений система дифференциальных уравнений второго порядка примет вид:
I га^ -(хк — ^ ^ + кх (х1 -х21 + с, (х, -х2) = -■и>1з1§п(х! -х2);
2Х2 -к^-х2) + к2х2 - с, (х, - х2) + с2х2 = м^щп - х2) - м^п (х2) +
(3)
Для проверки эффективности работы предлагаемого двухступенчатого токоприемника выполнено моделирование асимметричного одноступенчатого и предлагаемого двухступенчатого токоприемников в двух режимах (зафиксированной нижней рамой и совместной работе нижней и верхней подвижных рам) в виде моделей с приведенными массами в среде Ma.ti.ab/Simи!тк.
Для расчетов асимметричного одноступенчатого и предлагаемого двухступенчатого токоприемников с зафиксированной нижней подвижной рамой взяты двухмассовые модели, которые имитируют систему подвижных рам и верхний узел токоприемника (рисунок 9, а).
I
►О-
-о
из-
н
|
Э
Рисунок 9 - Двухмассовая модель двухступенчатого токоприемника с зафиксированной нижней подвижной рамой в МаНаЬ/ЯжиНпк (а), трехмассовая модель двухступенчатого токоприемника без фиксации нижней
подвижной рамы (б)
Верхний узел токоприемника, в свою очередь, включает в себя полоз и каретку. Для расчета двухступенчатого токоприемника с двумя совместно рабочими подвижным рамами была смоделирована трехмассовая модель (рисунок 9, б), состоящая из верхнего узла, верхней и нижней подвижных рам. Контактная подвеска представлена в виде жесткой синусоиды с амплитудой 0,01 м. Увеличение скорости движения электроподвижного состава приводит к
росту частоты / вертикальных колебаний, передающихся от контактной подвески на токоприемник в соответствии с формулой
/= V//, (4)
где V - скорость движения электроподвижного состава, м/с;
/ - длина пролета контактной сети, м.
Диапазон частоты генерируемых подвеской вертикальных колебаний задан от 0 до 2 Гц, что при длине пролета контактной подвески 60 м соответствует скорости движения от 0 до 432 км/ч.
Контактное нажатие на контактный провод в зависимости от частоты вертикальных колебаний показано на рисунке 10. По результатам моделирования видно, что двухступенчатый токоприемник одинаково хорошо работает в обоих режимах при частоте колебаний до 0,9 Гц, но при дальнейшем увел тении частоты при фиксации нижней подвижной рамы разброс контактного нажатия меньше, чем при не зафиксированной подвижной раме. Также видно, что при применении двухступенчатого токоприемника разброс контактного нажатия токоприемника на контактный провод снижается по сравнению с асимметричным одноступенчатым токоприемником.
о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Гц 2
/--
Рисунок 10 - Контактное нажатое на контактный провод асимметричного одноступенчатого токоприемника и двухступенчатого токоприемника в двух режимах работы (с фиксацией нижней рамы и без ее фиксации) в зависимости от частоты вертикальных колебаний, генерируемых кон гакчной подвеской при движении
подвижного состава
По данным моделирования можно сделать вывод о том, что предлагаемый токоприемник позволяет сохранить необходимое контактное нажатие на более высоких скоростях движения вплоть до 400 км/ч, что соответствует частоте вертикальных колебаний 1,85 Гц. При дальнейшем росте частоты колебаний наблюдается падение минимального значения контактного нажатия ниже допустимого предела, составляющего 30 % от статического нажатия.
Из этого следует, что предлагаемая двухступенчатая схема с блокировкой нижней рамы позволит обеспечить заданное качество токосъема при использовании его на проектируемой линии ВСМ. На основании изложенного можно сделать выводы.
1. Выявлены основные тенденции развития зарубежных и отечественных конструкций токоприемников, предназначенных для высоких скоростей движения.
2. В ОмГУПСе предложена конструкция авторегулируемого двухступенчатого токоприемника, оснащенного устройством блокировки перемещений нижней рамы для работы как при скорости движения до 200 км/ч по обычной контактной подвеске с диапазоном высотного положения контактного провода 1300 мм, так и при скорости до 400 км/ч при
46 ИЗВЕСТИЯ Транссиба И™'
работе с высокоскоростной контактной подвеской линии ВСМ с диапазоном высотного положения контактного провода 350 мм.
3. На этапе оценки работоспособности принятых схемных решений путем исследования динамических характеристик предлагаемого двухступенчатого токоприемника приняты к использованию математические модели с сосредоточенными массами, реализованные в программной среде Matlab/Simulink.
4. По результатам расчета построены зависимости разброса контактного нажатия от частоты вертикальных воздействий со стороны контактной подвески при движении подвижного состава, которые показали, что при скорости движения до 400 км/ч двухступенчатый токоприемник имеет лучшие динамические характеристики по сравнению с одноступенчатыми асимметричными токоприемниками за счет меньшей приведенной массы системы подвижных рам.
5. Предлагаемая конструкция двухступенчатого авторегулируемого токоприемника с устройством блокировки нижней рамы может быть рекомендована для применения на действующей линии Москва - Санкт-Петербург и в системе токосъема проектируемой линии ВСМ.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РИФ в рамках научного проекта №23-29-10188.
Список литературы
1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р. -Москва, 2008. - 171 с. - Текст : непосредственный.
2. ГОСТ 33944-2016. Подвеска железной дороги контактная. Технические требования и методы контроля. - Москва : Стандартинформ, 2017. - 16 с. - Текст : непосредственный.
3. ГОСТ Р 58322-2018. Контактная сеть для высокоскоростных железнодорожных линий. Технические требования и методы контроля. - Москва : Стандартинформ, 2018. - 20 с. - Текст : непосредственный.
4. Беляев, И. А. / Токосъем и токоприемники электроподвижного состава / И. А. Беляев, В. П. Михеев, В. А. Шиян. - Москва : Транспорт, 1976. - 184 с. - Текст : непосредственный.
5. Hagiwara Y. Environmentally-friendly aspects and innovative lightweight traction system technologies ofthe shinkansen high-speed EMUs, IEEJ TElectr Electr, 2008, no. 3 (2), pp. 176-182.
6. Kobayasi Т., Fujihasi Y., Tsuburaya Т., Satoh J, Our a Y., Fujii Y. Current collecting performance of overhead contact line-pantograph system at 425 km/h, Electr Eng Japan, 1998, no. 124(3), pp. 73-81.
7. Wang L., Gu H. High-speed rail (HSR) and urban development. Studies on China's high-speed rail new town planning and development. Springer, Singapore, no. 2019, pp. 1-19.
8. Song Y., Jiang Т., Navik P. Geometry deviation effects of railway catenaries on pantograph-catenary interaction: a case study in Norwegian railway system. Railw Eng Sci, 2021, no. 29 (4), pp. 350-361.
9. Система автоматического регулирования токоприемника, оснащенного внутри-пружинными пневмоэлементами в каретках / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, М. С. Михайлов, В. М. Филиппов. - Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2024. - Т. 67. - № 1. - С. 75-81.
10. Сидоров, О. А. Исследование токоприемников элекгроподвижного состава, оснащенных внутрипружинными пневмоэлементами в каретках / О. А. Сидоров, М. С. Михайлов. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. - № 1 (57). - С. 10-22.
References
1. Strategy for the Development of Railway Transport in the Russian Federation until 2030: Order ofthe Government ofthe Russian Federation No. 877-r of June 17. Moscow, 2008, 171 p. (In Russian).
=с'с=гЛтЫ I ——Щ ШЕСТИЯ Транссиба 47
1 i
2. GOST 33944-2016. The contact suspension of the railway. Technical requirements and methods of control. Moscow, Standartinform Publ., 2017. 16 p. (In Russian).
3. National Standard 58322-2018. Contact network for high-speed rail lines. Technical requirements and control methods. Moscow, Standartinform Publ., 2018. 20 p. (In Russian).
4. Belyaev I.A. Tokosem i tokopriemniki elektropodvizhnogo sostava [Current collection and pantographs of electric rolling stock]. Moscow, Transport Publ., 1976, 184 p. (In Russian).
5. Hagiwara Y. Environmentally-friendly aspects and innovative lightweight traction system technologies of the shinkansen high-speed EMUs, UEEJ T Electr Electr, 2008, no. 3 (2), pp. 176-182.
6. Kobayasi T., Fujihasi Y., Tsuburaya T., Satoh J, Oura Y., Fujii Y. Current collecting perfonnance of overhead contact line-pantograph system at 425 km/h, Electr Eng Japan, 1998, no. 124(3), pp. 73-81.
7. Wang L., Gu H. High-speed rail (HSR) and urban development. Studies on China's high-speed rail new town planning and development, Springer, Singapore, no. 2019, pp. 1-19.
8. Song Y., Jiang T., Navik P. Geometry deviation effects of railway catenaries on pantograph-catenary interaction: a case study in Norwegian railway system. Railw Eng Sci, 2021, no. 29 (4), pp. 350-361.
9. Sidorov O.A., Smerdin A.N., Mikhailov M.S., Philippov V.M. Automatic control system of the current collector, equipped with intraspring pneumatic elements in carriages. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika - Russian Electromechanics, 2024, vol. 67, no. 1, pp. 75-81 (In Russian).
10. Sidorov O.A., Mikhailov M.S. Research of electric rolling stock pantographs equipped 'with intra-spring pneumatic elements in the panhead suspension. Izvestiia Transsiba -Journal ofTranssib Railway Studies, 2024, no. 1 (57), pp. 10-22 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Сидоров Олег Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: [email protected]
Sidorov Oleg Asekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Railway power supply», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: [email protected]
Тарасов Андрей Николаевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС. Тел.:+7 (3812) 31-13-46. E-mail: [email protected]
Tarasov Andrey Nikolaevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Railway power supply», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-13-46. E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Сидоров, О. А. Двухступенчатый токоприемник электроподвижного состава для высокоскоростных магистралей / О. А. Сидоров, А. Н. Тарасов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. -№2(58).-С. 36-48.
Sidorov O. A., Tarasov A.N. Two-stage pantograph of electric rolling stock for high-speed lines. Journal of Transsib Railway Studies, 2024, no. 2 (58), pp. 36-48 (In Russian).
рг=тп=
