CC BY
21
УДК* 621.3 J 6.322
MF ЮДИН A Rbl ПОРА ДИН А МИ М F С К П\А МПДРПИ Т OK ОП PH F М Н И К А СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА
О. А Сидоров". В. II. Горюнов'. И. Л Gum1. D. 3. Томилов1
'Омский государственный университет яу»яе» сообщены, с. Омск Россия Омский ^осудау cm чанный тел ничьский у ни чирсмтит., Омск. Россия
¿Ьшотацчя Разпптнс высокоскоростного железнодорожного транспорта неразрывно связано с раз [i ióoxKuii lUKUujJiiwmukUB, kuiujju« ди.илы ибесиечиваiь н.шежньш и ^кииимичыый i ukuibVM ири высоких скоростях движения. Разработка скоростных токоприемников выполняется с использованием вычислительной техники, которая позволяет осуществить выбор оптимальных параметров и характеристик p.np.io.vThiR.iPMbiT устройств. Выопр пдрдметроя и характеристик прончнолптся на оеноне чпсл?н-ного моделирования взаимодействия токоприемника и контактной сети. В данпом исследовании рас с.мо1рены ipil ULHüBHbii iuu:i .мидели iикиирншника милель с приведенными шссаыв, счержневдн модель и модель в CAD—системе.
Цслыо па\чпого исследования является разработка методики выбора динамической модели токопри ь.мникл «."кори«, i hoi и j.iewijJKHVcmo ip;iucitupia. Б j.ihho.m исследовании исиилыуким ря*лы иы экспериментальных исследовании силы контактного нажатия на заданном участке контактной сети и результаты расчета силы контактного нажатия на аналогичном участке с использованием вычислительных CpPlfTR.
В результате исследования была получена методика, позволяющая осуществить выбор динамической модели токоприемника на основании поставленных задач моделирования взаимодействия токоприемника и контактной сети. В случае оптимизации параметров участка контактной сети необходимо и достаточно использовать модель с приведенными массами. Для оптимизации параметров токоприемника HrtiUMiтми нгнилнчпкиi ь ci и пиржнекуш Mo iKih и ni »míe IK, nn;WHHjm и ГАВ-сипеш*.
Ключевые слое а: токоприемник, динамическое моделирование, скользящий контакт, численные ме-II»4hi moic. шронлним. ra ía нлжлшм.
т Введение
Реальный процесс взаимодействия тс коп рнемнпкг. с контактной подзссксй связан со случайными пропесса-мн. Основными факторами. воздействующими на токоприемник, являются колебания подвижного состава на ypc;mr упинокки ижоиригмники. иг-цшдинпмичггкое: жк^^ипкиг, нгпи(1илнн1х:гн/жнимичп'ких с кпйпк гш«с>-прнемннкя и контактной подвески и т. р.. Ввиду множества влияющих за токосъем факторов теоретически исследовать динамическую систему «токоприемник - контактная подвеска» в полном объем? представляет собой сложную задгчу. Ьолее рациональным для теоретических исследований и достаточным для практического ис-пользевашю ЯБЛяеюя paecMCTpeinie детермшщровэтшых процессов. Данный пршдищ используется при реше
НИИ ГЛГ,|)КНЦИХ 1И.ЦИЧ МОЛ.ГЛИ^КЖИНИЯ рЖ'НП -UirUrH'IXlK ГПИППрИКМНИКИ на прочнппн, ОИ1*-Д-ЛГНИС ГИ.1М НИ ЖИтия в контакте е системе ¡'Токоприемник контактная подвеска», температурный рпечет токоведущнх элементов. определение аэродинамических характеристик токоприемника [1].
ОрК^ГМГННЫГ МПО^КИ ¡МС.ЧПИ К-ЫИМПДГЙС 1НИЧ ГИГГГММ «ГШЫШрИГМНИК-МЖТИНТНИЯ ИО/ИСГГИИЧ оиигыкикгг
контактную подвеску с помощью уравнения Эйлера Бсрнуллн в внде пространственной конечно-элементной модели (FEM), что позволяет использовать в расчете схему расположения опор и фиксаторов, силу катяження проводов, массу отдельных элементов и их жсстхосгь. J то позволяет детально списать в математической модели рассматриваемый участок реальной или проектируемой коитактпей сетп. Токоприемники в совремешплх
методиках рассматриваются в виде трех основных моделей, рассмотренных далее, которые с достаточной топ ностыс позволяют моделировать процесс взаимодействия в системе «токоприемник - контактная подвеска». Основное отличие этих моделей состоит б детализации описания 1ех элементов, из которых состоит токоприемник, н алгоритмов управления ими.
П. Постановка задачи
При численном моделировании токоприемников используются следующие типы расчетных схем (моделей): схема с малым числом степеней свободы и приведенными массами (рис. 13 [2-
- схема, состоящая ш элементов, описываемых массами н геометрическими размерами реального токоприемника (рис. 2) Г'П;
- модели 1 окиириемника. сшданныс ъ специализированных САО-сисгемах. кишрыс легально оинсьшаю г геометрические размеры и физические свойства каждого элемента токоприемника (рис. 3) [3].
Рис. 1 Токоприемник (а) и его расчетная схема с малым числом степеней свободы и ирикгдгнимми миггнми (П)
Ш.ТЕОГИЯ
D расчетных схемах с малым числом степеней свободы основные параметры моделируемой системы приводятся к точке контакта полоза токоприемника с контактной подвеской и верхним шарнирам системы подвижных рам Данные модели активно используются для проектирования участков контактной сети в различных странах При моделировании используются программные средства. разрайотаниые крупными компаниями (Simitnis, DriiLsi hr Ralm, SNCF) и игглгдошпглкс.кими инпнгугими (RTRT, IST, RTRT. I IPV и .nji ), чянимнкици-мися проектированием, производством и обслуживанием железнодорожной техники, устройств и сооружений К таким программным средствам относятся Sicat-Dynamic3. 1VÜSA. OSCAR. i'antoCat Sl'OPS. Cal'aSlM н др.
п11и VIO,VJIH]K)MIHHH К«1ИМ(1ДПИГ1 КИЯ •.ИКШКШРМНИКЯ И KOHIVIKTHllii МОДКП КН К ИрНПММ Ч1Н11Й qKVl«; oscar Jltï-
альный токоприемник преобразуется в модель с сосредоточенными массами при помощи оптимизации негра-днентным случайным поиском путем подбора амплитудою частотных характеристик трех масс токоприемника (каретка, верхний и нижний рычаги) на основе экспериментального исследования токоприемника в спеинали-4и]и:кинн(1н ки(цх>уггмнинмг
Второй вариант формирования модели токоприемник более точно описывает реальные геометрические, кинематические, vnpyrae i: инерционные параметры токопрпемгппса.
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 (учет поперечного движения контактного провода по полозу токоприемника)
Данный тип моделей, как и теп моделей с приведенными массами, реализуется в любой современной программной среде (С++ Object Pasrai, Visual Basir v др) я также в специализированных математических программах (MathCAD, MathLab и др.). Использование специализированных математических программ облегчает процесс визуализации расчетной схсмы. исходных данных и полученных результатов. Использование программы. написанной на языке программирования в программной среде, позволяет использовать в модели несвойственные для математической программы элементы, которые позволяют более точно описывать различные
элементы токоприемника, d том числе работу системы автоматического регулирования токоприемника н
1П**Д1'Х]ЫНИ irjIhHKlX у<- |]И>Й[-|К
олемептоо токоприемника
Третий вариант численного моделирования подразумевает использование специализированных программ
HhIK l-JMVpnit (ПАПч'.ИПГм), |1ПЧК11Л*К>1Ц.ИХ КЬШОННИ ГЬ IККИКММПHllf 11]Н1ГК I И]Х1К-1НИГ iHXOKHk!X :ШК1ЖНКЖ и г.и-
стсм токоприемника В данном случае учитывается вся гсомстрня токоприемника, а также ссосснностн используемых материалов, форм и креплений. При использовании этого типа моделирования появляется возможность выполнять не только динамические расчеты процесса токосъема, но н аэродинамические. температурные, прочностные В совокупности такое параметрическое моделирование позволяет выполнить рациональное проектирование элементов токоприемника.
Рис. 3. Схема токоприемника в С1£>-сие1еме, встроенной в программное обеспечение OSCAR (Франция)
Данный вид моделирования гесно связан с проектированием и оптимизацией всех элементов токоприемника. поэтому он активно используется всеми современными железнодорожными компаниями при проектировании не только устройств токосъема, но и всех элементов и устройств железнодорожного хозяйства При проектировании активно используются следующие СAD-системы:
- ANSTS;
- MSC Nastran;
- T FLEX:
- SolidWorks;
- САПА.
Для использования модели, реализованной в CAD-системе, в расчете взаимодействия с контактной подвес-кон разработаны методики, позволяющие выполнять одновременный расчет двух независимых систем (моделей): токоприемник и контактная сеть. При выполнении такого расчета сила контактного нажатия позволяет объединять эти две независимые системы в одну математическую модель [5].
IV. Результаты экспериментов
Для того, чтобы оценить корректность выбора динамической модели токоприемника, проведена испытательная поездка с измерительным токоприемником. По итогам испытаний получены результаты, представляющие собой зависимость силы контактного нажатия от местоположения токоприемника на исследуемом участке.
При корректном выборе параметров всех трех динамических моделей токоприемника результаты представляют собой достаточно близкий к эксперименту (испытанию) результат, что позволяет сделать заключение о том. что от точности моделирования выбор динамической модели не зависит
v Обс уждение результатов
Результаты эксперимента (испытательной поездки), особенности рассматриваемых моделей и результаты расчета взаимодействия в системе «токопрнемннк-контактная подвеска» позволяют сформировать методику выбора динамической модели токоприемника скоростного электрического транспорта. Так как от поставленной в моделировании точности выбор модели не зависит, методика основывается на тех. параметрах, которые необходимо оптимизировать в результате численного моделирования динамических процессов.
В том случае, если необходимо оптимизировать параметры существующей контактной подвески или разработать новый участок контактной сети, то необходимо и достаточно сформировать модель с сосредоточенными массами (см. рис 1) на основе существующего токоприемника и исследовать взаимодействие ее с контактной сетью. Оптимизировать параметры токоприемника в данном случае не представляется возможным.
При необходимости оггттшзацнн геометрических параметров токоприемника, жесткостей его элементов и масс при условии, что токоприемник будет задаваться в виде системы стержней без детального рассмотрения материалов, из которых он изготовлен, а также форм и сечений всех его элементов и сочленений, то необходимо использовать модель, состоящую из стержневых элементов (см. рис. 2).
Оптимизация любого параметра токоприемника (геометрические размеры, материалы, сочленения, аэродинамические характеристики) возможна только при использовании модели токоприемника, созданной в CAD-системе (см. рис. 3).
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследования получена методика, которая позволяет осуществить выбор днна.мнческой модели токоприемника на основании тех параметров, которые требуется оптимизировать в результате численного моделирования динамических процессов. Для оптимизации параметров участка контактной сети необходимо использовать модель с сосредоточенными массами, а для оптимизации параметров токоприемника - модель, состоящую из стержневых элементов или созданную в CAD-системе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 SidorovO.. Tomilnv V Tetter A New Current Collection Research Technologies for High Speed Railway, Paper Collection II Materials of the 8th International Symposium for Transportation Universities in Europe and Asia. Nanjing, China, 2015. P 46-49.
2. Schär R. Active Control of the Pantograph-Catermry Interaction in a Finite Element Model. Master Thesis. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich. 2013.
3. Farhangdoust S., Farahbakhsh M . Shahravi M Modeling of the Pantograph-Catenary dynamic stability II Technical Journal of Engineering and Applied Sciences (3-14). — Tehran. 2013.
4. Slnmnnovsky A.. Yakubovicli V., Kapliuk I. Modeling of the Pantograph-Catenary Wire Contact Interaction. Procedía Engineering (134). Gomel. 2016.
5. Laurent C., Massat J.-P.. Nguyen-Taj an T.M.L.. Bianchi J.-P., Balmes E. Pantograph catenary dynamic optimization based on advanced mnltibody and finite element co-siinulation tools // Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility. 2014. P 52.
