CC BY
52
УДК 621.891
В. А. КОВАЛЬ (КНУ iм. М. Остроградського, м. Кременчук)
ЗМ1НА ФОРМИ КОВЗНИХ КОНТАКТ1В У ПРОЦЕС1 ЕКСПЛУАТАЦП М1СЬКОГО ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ
У результат! проведених теоретичних дослвджень отримано модель для опису змши форми ковзних контакта у процеа експлуатацп мюького електротранспорту у вигляд1 системи диференщальних р1внянь для визначених початкових умов. Виршивши цю систему з врахуванням геометри вихщного стану вставки струмоприймача, можна отримати величину змщення, за допомогою яко! можна визначити утворений пере-р1з вставки струмоприймача при вщповвдному пробку мюького електротранспорту.
Ключовi слова: ковзш контакти, мюький електротранспорт, вставки струмоприймача, надшнють
Вступ
Одним з найпотужшших споживач1в елект-роенерги народного господарства Укра!ни е мюький електротранспорт. В умовах свгтово! економ1чно! кризи, мюький електротранспорт збер1гае провщну роль у пасажироперевезен-нях.
Сучасний етап розвитку кра!ни супроводжу-еться збшьшенням випуску бшьш досконалого рухомого складу мюького електротранспорту при постшному зростанш обсяпв пасажиропе-ревезень. Але юнуе проблема замши морально та ф1зично застаршого рухомого складу мюького електротранспорту. Кр1м того, використову-ваний електротранспорт необхщно забезпечити високим р1внем надшносп ус1х його складових.
Одшею з вщповщальних систем, вщ яко! за-лежить безпека руху на дорогах, безумовно е «струмоприймач - контактний провщ». Серед складових деталей струмоприймач1в електротранспорту найменшим ресурсом волод1ють ковзш контакти [1, 2].
Ковзш контакти мюького електротранспорту, яю встановлеш на струмоприймачах, слу-жать для зняття струму з контактного проводу [2]. Вони повинш забезпечувати надшне стру-мозшмання, як тд час стоянки, так { шд час руху електротранспорту за р1зними маршрутами, а також при !х вщхилеш вщ ос пщвюки контактних провод1в.
Для забезпечення надшносп роботи ковзних контакпв мюького електротранспорту ставлять вимоги щодо !х ф1зико-мехашчних та триботе-хшчних властивостей. Особливою складнютю при виршенш триботехшчних проблем у ковзних контактах е д1я електричного струму, яка приводить до шдсилювання умов зовшшнього тертя { зношування.
Ковзш контакти мюького електротранспорту, як виготовлеш з традицшних та компози-
цшних матер1ал1в не вщповщають техшко-експлуатацшним вимогам, що ставляться для забезпечення надшносп { довгов1чност1 дано! системи, особливо, в умовах посилення наван-тажувально-швидкюних режим1в експлуатацп мюького електротранспорту та виходячи з тех-шко-економ1чного критер1ю. Тобто, створення матер1ал1в для ковзних контакпв, як задоволь-няли б жорстким вимогам експлуатацп в екст-ремальних умовах е актуальною задачею для науково-дослщних установ та окремих розроб-ниюв.
Аналiз попереднiх дослiджень
Сучасний анал1з процесу зношування [3-5] показуе, що система деформування поверхне-вого шару при терт волод1е багатор1вневим характером. Матер1алам властив1 неоднорщ-нють структури поверхневого шару 1 в ньому концентруються скупчення дефекпв та локал> зуються внутршш напруження. В результат концентраци дефекпв { росту !х в мшротрщи-ни вздовж границь неоднорщних шар1в вщбу-ваеться руйнування.
Але процес змши структур елементв системи в межах стану вр1вноваженост1 в залежносп вщ зовшшшх умов (навантаження, температура), будови та властивостей матер1ал1в може досягти р1зного ступеню пристосованосп, зок-рема, до р1зних форм юнування дислокацшно! структури, И якюних та кшькюних характеристик.
Зниження зносу повинно зводитися до ашп-ляци конфшурацшно! ентропи, тобто до подо-лання вимог другого закону термодинамши.
В теор1ях невр1вноваженого стану та дина-мши систем [6] особливу увагу надають нестш-косп в цих системах, що означае - початково мал1 змши з часом можуть суттево шдсилитися. 1снують системи з двома типами поведшки: таю, що вщносяться до неупорядкованого стану
© В. А. Коваль, 2012
при одних умовах та до когерентного - при ш-ших. Порушення впорядкованосп вiдбуваeться в областi термодинамiчно! рiвноваги i поблизу не!. Порядок може утворюватись лише вдалинi вщ врiвноваженостi при умовi пiдпорядкування системи нелшшним законам визначеного типу. В цьому плат дисипативш структури слщ вщ-нести до когерентних явищ, оскiльки в них проявляеться процес когерентно! взаемоди час-тинок, який характерний для вщкритих термо-динамiчних систем [4]. У вiдкритих системах вщбуваеться обмiн енергiею i речовиною iз зо-внiшнiм середовищем.
Метою роботи е опис змши форми ковзних контактiв у процесi експлуатаци мiського елек-тротранспорту.
Результата дослщжень
Якщо розглянути взаемодiю елеменпв ковзних контактiв мiського електротранспорту, то, можна видiлити двi системи сил i деформацiй: узагальнену i локальну. Узагальнена система характеризуе опорну взаемодiючу поверхню ковзного контакту «вставка -провщ».
Формування поверхнi вставки струмоприй-мача в процесi попереднього припрацювання i подальшiй експлуатаци мiського електротранс-порту можна розглядати в загальному випадку як макрорельеф, а в локальному - як мшроре-льеф. Причому макрорельеф буде визначатись сукупшстю мiкрорельефiв.
У процесi експлуатаци геометрична форма вставки струмоприймача змшюеться i являе собою складну поверхню «-го порядку, яку при фiзичному моделюваннi можна спростити i подати у виглядi поверхонь другого порядку, що переходять з одного виду в шший (рис. 1).
Рис. 1. Змша геометрично!' форми поперечного перер1зу вставки струмоприймача: ввд вих1дного (нового) перер1зу до перер1з1в тсля деякого пробку мюького електротранспорту
Розглянемо змшу форми перерiзу вставок струмоприймача мюького електротранспорту з математично! точки зору, врахувавши напру-жено-деформований стан робочо! поверхнi [5].
Для цього спрямуемо вюь ОУ вздовж напрямку руху контактного проводу, а ОХ i 02 у перпен-дикулярних напрямках для руху струмоприй-мача вздовж контактного проводу. Тодi зпдно роботи [5] координати точок поверхш вставки струмоприймача можна визначити за виразами:
X = /(у, 2, С1 )±у1 В(у, 2, С1) ; (1)
У = /(х,2,С2)±у1 В(х,2,С2) ; (2) 2 = /(х, у, Сз )±у] В( X, у, Сз) , (3)
де/(у,2,С\),/(х,г,С2), Ах,УС) - функци, що ха-рактеризують деформаци стиску в перерiзах ХОУ, ХО2, У02, що вщбуваються в процесi тертя i зношування вставки струмоприймача при взаемоди з контактним проводом; с1, с2, с3 - константи, якi залежать вщ форми робочо! поверхнi вставки струмоприймача;
±7В(у,2,С1) , ±д/В(X,2,С2) , ±у1 В(х,у,Сз) -девiаторнi частини тензора деформацiй, що вь дповщають за видозмiну форми вставки струмоприймача при взаемоди з контактним проводом; В(у,2,С1), В(х,г,С2), В(х,у,С3) - функцi! пере-мiщення точок робочо! поверхш вставки струмоприймача при рус мюького електротранспорту у напрямках зазначених осей координат.
Зауважимо, що з рiвнянь (1)-(3) виключено фактор часу i вони характеризують траектори руху точок поверхнi вставок струмоприймача. Для визначення змiщення будь-яко! точки з ви-хiдно! поверхнi на поверхш, яю утворяться в результат процесу тертя i зношування необхщ-но провести розклад цих рiвнянь в ряд Тейлора [3] i обмежитися похiдними першого порядку, оскшьки похiднi вищого порядку не здшсню-ють суттевий вплив на напружено-деформований стан вставок струмоприймача.
У роботi [7] деформацiю матерiалу в будь-якiй точцi вставки струмоприймача можна ви-значити подовженням чи скорочуванням будь-якого лшшного елементу поверхш, що проходить через цю точку. Координати елемента по вщношенню до дослщжувано! точки дорiвню-ють:
ёх = р1; ёу = рт; сЪ = рп, (4)
де р - довжина елемента; I, т, п - спрямовукта косинуси, що вщображують умови навантаження при протiканнi вiдповiдних процешв тертя.
Змiщення и„, иу, и2 елемента вздовж осей координат ОХ, ОУ, 02 в процес деформаци можна визначити за виразами:
uy =
u, =-
dA dy
dA dx
dA —<
dx
dx-
dA --с
dz
dA --<
dz dA
d
dy
f f( У>z ) dA dA f f ( У,z ) . -= —pm H--pn + . ;
Vf ( У, z, Cj) дУ dz Vf ( y, z, 1) ff (xz) , sa ff (xz)
- , — —pl +—pn + — ;
Vf ( x, z, C2) & dz Vf ( x, z, C2) ff(x y) й^ , dA ff (x y)
- . == = —pl +--pm + i .
Vf ( x, y, C3) dx dy Vf ( x, У, C3)
У процесi зношування довжина елементу мшрорельефу змiнюeться згiдно виразу:
л ;2 du
pi =p(1 + z ^т +
dx
2 duy 2 du
-m —- + n —- + lm
dy
dz
(dux duv \ fdux du
dy dx
du„
= sx
dx
cux duy
duy _y
dy
■ = s.
dUz
dz
= sz
dy
dx ;
dux + duz dz dx
= s„
duy + duz
dz cy
= s
yz
(9) (10)
дотичш
напруження;
У yz
du duy — + —-
cy dz
= dux +duz =dUy + dux zx dz dx ' y dx dy
+ nl
dz dx
-mn
Вщносна деформащя мшрорельефу, що спо-стерiгаeться в процес тертя вiдносно осей координат становить:
da x * xy dT xz
dx dy dz
da dz dj
y + yx
dy dx dz
da z dx zx zx + dx ^ zy
dz dx
(du диЛ) —y+—z .
dz cy JJ
+ x = 0; + У = 0; + z = 0.
(6)
(7)
(8)
(12)
dry
Для iзотропного тша, зпдно закону Гука, за-лежшсть компонентiв тензора деформацiй i на-пружень в загальному випадку мае вигляд:
с x = Х® + 2цв x ; с y = Я© + 2цву;
с z =х® + 2цв z; (11)
Тyz = yz ; Tzx = zx ; T xy = xy ,
де ох, оу, oz - нормальнi напруження вздовж осей координат; ц - пружнi сталi Ламе;
to - (^=dux duy duz ;
dx dy dz
Пюля деяких перетворень i спрощень сис-теми рiвнянь (12) маемо систему диференща-льних рiвнянь Ламе:
+ ) + »*2ux + x = 0;
(Ь + Ц)
dy с®
+ ^V2uy + y = 0;
(13)
(Я + ц)| — \ + + z = 0,
w2 д d d
де v = —- +--- +--- - оператор Лапласа.
dx dy dz
Висновки
У результатi проведених теоретичних досл> джень отримано модель для опису змши форми ковзних контактiв у процесi експлуатаци мюь-кого електротранспорту. Розв'язуючи систему диференщальних рiвнянь (13) для визначених початкових умов, та враховуючи геометрiю ви-хiдного стану вставки струмоприймача, можна знайти змiщення их, иу, uz . Знаючи 1х величину
п • лп • • можна визначити утворении перерiз вставки
Якщо рiвняння системи (11) пiдставити у pi- „ J . v v ...
г • m струмоприимача при вщповщному пpобiгу Mi-вняння ршноваги, запропоноване в pоботi [7J, fjf f « « j f j
ського електротранспорту. то отримаемо: ft- f j
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Малозёмов, Б. В. Анализ и повышение надёжности транспортных средств электрического транспорта // Вестник Красноярского гос. техн. унта. - Красноярск : Изд-во ИПЦ КГТУ, Транспорт, 2004. - Вып. 34. - С. 206-217.
2. Максимов А. Н. Городской электротранспорт: Троллейбус. - М.: Академия, 2004. - 256 с.
3. Тимошенко С. П. Курс теории упругости.-К.: Наукова думка, 1972.- 578 с.
4. Триботехнология : словарь-справочник / С. Н. Соловьев, Л. П. Клименко, С. Ж. Боду, Е. В. Трофимова; под общ. ред. С. Н. Соловьева. -Николаев : Изд-во НГГУ им. П. Могилы, 2003. -384 с.
5. Физическая мезомеханика и компьютерное моделирование материалов / под ред. В. Е. Панина. - Новосибирск : Наука, 1995. - Т. 1. - 298 с. - Т. 2. -320 с.
6. Харламов, Ю. А. Физика, химия и механика поверхности твердого тела. // Ю. А. Харламов, Н. А. Будагьянц- Луганск : ВУГУ, 2000. - 624 с.
7. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения / И. И. Беркович, Д. Г. Громаковский ; под ред. Д. Г. Громаковского. -Самара, 2000. - 268 с.
Надшшла до редколеги 30.08.2012. Прийнята до друку 05.09.2012.
В. А. КОВАЛЬ
ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА
В итоге проведенных теоретических исследований получена модель для описания изменения формы скользящих контактов в процессе эксплуатации городского электротранспорта, в виде системы дифференциальных уравнений для определенных начальных условий. Решив эту систему, с учетом геометрии исходного состояния вставки токоприёмника, можно получить величину смещения, с помощью которой можно определить образованное сечение вставки токоприёмника при соответствующем пробеге городского электротранспорта.
Ключевые слова: скользящие контакты, городской электротранспорт, вставки токоприёмника, надежность
V. A. KOVAL
CHANGE OF FORM OF SLIDING CONTACTS IN THE PROCESS OF EXPLOITATION OF ELECTRIC CITY TRANSPORT
The in the total conducted theoretical researches a model for description of change of form of sliding contacts in the process of exploitation of electric city transport is got, as a system of differential equalizations for definite initial conditions. Deciding this system, taking into account geometry of the initial state of insertion of current receiver, it is possible to get relocation bias by which it is possible to define the well-educated section of insertion of current receiver at the proper run of electric city transport.
Keywords: sliding contacts, electric city transport, insertions of currentreceiver, reliability
