CC BY
287
6. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 278 с.
УДК 621.336.7
О. А. Сидоров, С. А. Ступаков, В. М. Филиппов
ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА МОНОРЕЛЬСОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
В статье представлены результаты экспериментальных исследований и расчета износа элементов системы токосъема монорельсового электрического транспорта.
В России в 2006 г. была введена в эксплуатацию первоочередная трасса Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС) между станциями метро «Тимирязевская» и «Ботанический сад». Ведутся работы по созданию скоростных линий сообщением «город -аэропорт».
Наряду с основными функциональными узлами монорельсовой дороги - линейным двигателем, системой колесного опирания, системой подвеса, межвагонными тележками -большое значение имеет система токосъема, надежное функционирование которой во многом определяет работоспособность всей транспортной системы.
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС) с 1977 г. принимает участие во всех отечественных программах, связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями по совершенствованию и разработке новых вариантов токоприемников и токопроводов, в том числе для транспортных систем с жесткими токопроводами. В ОмГУПСе разработана методика исследования износа контактных пар устройств токосъема, которая реализуется лабораторным комплексом, включающим в себя специализированные установки возвратно-поступательного, вращательного и ударного типов. Лабораторный комплекс позволяет осуществлять износоусталостные испытания устройств токосъема магистрального и монорельсового электрического транспорта в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта при изменении в широком диапазоне изгибной и контактной нагрузок с учетом протекания электрического тока в контакте. Конструктивные особенности комплекса позволяют моделировать в элементах системы циклические и контактные напряжения от нагрузки, соответствующей реальному режиму эксплуатации.
Установка возвратно-поступательного типа (рисунок 1) используется для исследования контактных пар со сложной геометрической поверхностью, характерных для систем токосъема монорельсового транспорта, и позволяет проводить исследование износа контактных элементов при условии протекания в зоне контакта как постоянного тока, так и переменного.
Рисунок 1 - Схема установки возвратно-поступательного типа
Механическая часть комплекса включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 1. На каретке закреплен контактный элемент 2, взаимодействующий с токопроводом 3, закрепленным на изолировочной пластине 4. Возвратно-поступательное перемещение каретки 1 осуществляется приводом вращения 5, связанным тягой 6 с кареткой.
Кроме возвратно-поступательного движения установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Этот режим используется также при исследовании контактных пар из анизотропных материалов. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 7, который устанавливается на тяге. При движении ролика 8 по поверхности копира токопровод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют.
Для сокращения области неустойчивого скольжения при исследовании узла трения необходимо увеличивать диссипационные составляющие в нормальном и касательном направлениях к поверхностям трения. Конструктивные особенности установки позволяют учитывать влияние диссипационных составляющих. Диссипационные составляющие силы трения в нормальном направлении к поверхностям трения реализованы в установке пневматическим резинокордным элементом 9, вмонтированным в тягу 6 [2].
Методика испытаний, реализуемая на установке возвратно-поступательного типа, включает в себя варьирование следующих параметров для каждой пары контактных материалов: контактного давления; скорости движения элементов пары трения; режимов движения (возвратно-поступательное и однонаправленное); полярности и силы электрического тока; параметров окружающей среды (температуры, влажности, запыленности) и др. Результаты исследований представлены на рисунках 2 - 5.
Дальнейшие исследования контактных пар системы токосъема монорельсового транспорта выполнялись с использованием математических моделей. В соответствии с положениями теории подобия в один критерий были объединены следующие факторы: плотность, твердость, коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность [3, 4]. В качестве значений этих параметров при моделировании процесса внешнего трения и изнашивания были использованы данные о материалах, использованных в эксперименте.
Метод отсеивания несущественных факторов позволил определить следующую группу факторов для составления модели: нагрузку на образец Р, Н; радиус сферической поверхности г, м; скорость скольжения V, м/с; время испытания с; содержание меди в материале контактного элемента М, %; твердость материалов токопровода и контактного элемента Н1 и Н2; теплопроводность материала контактного элемента 11, Вт; удельную теплоемкость токопровода С2, Вт. В качестве параметра оптимизации принят износ массы И,„.
Рр
Рисунок 2 - Зависимость износа контактного элемента от силы тока в контакте
12
мкм/км К б
У 4
2
V / пмг
БрО I
/
\Cxaj ь 5
О 10 20 30 40 50 60 Н 80
Рр
Рисунок 3 - Зависимость износа токосъемных контактных элементов из различных материалов
от силы контактного нажатия
Рисунок 4 - Влияние на износ контактного элемента влажности окружающей среды
Рисунок 5 - Влияние на износ контактного элемента смены полярности тока в контакте
Функциональная зависимость между параметром оптимизации и факторами модели имеет вид:
Ит = ^1(Р; А; V; г; М; Н1/Н2; 1ь С2),
где Н1/Н2 - безразмерный симплекс.
В соответствии с положениями теории подобия получим уравнение подобия:
(1)
И
_т
Р
у3
г Ргс„ Гт Г *т
Iг У
V г 1 У
(М У
Г Н Л
V Н2 У
Из соотношения (2) получим расчетное уравнение:
Г ТТ \
Ит Р
= ап
Грс± Г" Г * у
г\ 1 V г
(М у
Н
V Н2 У
(2)
(3)
где а0 - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; ат,рт, ут, ет - коэффициенты, определяемые экспериментально; Ит/Р - симплекс (отношение износа массы контактного элемента к давлению); Ргс„
г211
- комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопро-
вода накапливать, а контактного элемента - передавать тепло);
vг|г - отношение пути трения к радиусу контактного элемента.
Полученная модель использовалась при соблюдении условий подобия контактирования нагружения и геометрической формы пары трения.
Расчетное уравнение (3) можно представить в виде:
у = а0 х1атХЬтХ3ГтХ;
'4 '
где Х1, Х2, Х3, Х4 - независимые переменные (факторы). После логарифмирования уравнение (4) имеет вид:
у = Ь0 + Ь1Х1 + Ь2 Х2 + Ь3 Х3 + Ь4 Х4,
(4)
(5)
где у - оценка параметра оптимизации; Ь1, Ь2, Ь3, Ь4 - оценки коэффициентов.
Для определения коэффициентов уравнения проведен полный факторный эксперимент в соответствии с матрицей планирования.
Для определения коэффициентов уравнения регрессии была использована формула:
! N (6)
Ь = -Е Хи ,
N и=1
где I = 0...4 - номер фактора;
1пУ. - отклик в опытах в точке и.
ш
В результате вычислений получено уравнение:
1пу = -8,376 + 0,425 1пХ1 - 0, 694 1пХ2 + 0,53 1пХ3 + 0, 769 1пХ4. (7)
Статистический анализ оценки достоверности полученного уравнения подтвердил выполнение гипотезы адекватности модели.
Выполняем потенцирование уравнения (7):
И = Р
-8,376
/п. Л0'425 / . \ -0,694
Ргс2 Г vг' V г211 I г у
( м )
0,53
/ \ 0,769
Г На
V Н2 у
(8)
На основании анализа уравнения (8) можно сделать вывод о том, что наиболее значительное влияние на параметр оптимизации оказывают механические свойства пары трения, а наименее значительный вклад в процесс изнашивания вносит параметр, учитывающий изменение нагрузки.
На рисунках 6 - 8 представлены зависимости износа контактного элемента, полученные на установке возвратно-поступательного типа, и результаты расчета. Экспериментальные и расчетные данные совпадают в области интенсивного механического износа, соответствующего диапазону контактного давления выше 30 Н.
12
МКМ'КМ А 8
6
У 4 2
О 10 20 30 40 50 60 Н 80
Рр--
Рисунок 6 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента ПМГ
12
МКМ'КМ1
I 8
6
У 4 2
0 10 20 30 40 50 60 ТТ 80
Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента БрОЦ
№1(1) 2010
м км/км А 8
6
У 4
2
О 10 20 .Î0 40 50 60 ТТ 80
Рр-*
Рисунок 8 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для стального контактного элемента
Анализ графиков на рисунках 6 - 8 позволяет сделать вывод о том, что прогнозировать величину износа с помощью уравнения (9) с определенной долей вероятности можно для нажатий в диапазоне 40 Н и выше. Это связано с тем, что при уменьшении контактного нажатия возрастает вероятность отрывов и связанных с ним случаев искрообразования и электроэрозионного разрушения поверхностного слоя контактных материалов, а при увеличении выше 48 Н существенную роль играет механический износ, приводящий к истиранию контактного элемента токоприемника и токопровода.
Небольшие отклонения между кривыми связаны с тем, что по формуле (9) вычисляется механический износ, но при этом не учитывается негативное воздействие тока в контакте. Однако в ходе экспериментальных исследований на стенде в зоне скользящего контакта протекал ток, который при нажатиях свыше 50 Н также оказывал незначительное влияние на износ контактного элемента.
Таким образом, в ОмГУПСе разработана методика экспериментальных исследований износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта. Результаты расчета износа контактных пар устройств токосъема на модели адекватны экспериментальным данным в области значений интенсивного механического износа.
Список литературы
1. Сидоров, О. А. Методы исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта [Текст]: Монография / О. А. Сидоров, С. А. Ступа-ков / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2009. - 155 с.
2. Пат. 82444 Рос. Федерация: МПК В 60 L 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом [Текст] / Сидоров О. А., Ступаков С. А., Томилов В. В., Кутькин А. Н., Филиппов В. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2008149393; заявл. 15.12.08; опубл. 27.04.09, Бюл. № 12.
3. Браун, Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах [Текст] / Э. Д. Браун, Ю. А. Евдокимов, А. В. Чичинадзе. - М. : Машиностроение, 1982. - 191 с.
4. Гаркунов, Д. Н. Триботехника [Текст]: Учебник / Д. Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.
жмт
Ш20Т0
