CC BY
11
УДК 621.336.6
М. Ф. Мухамеджанов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (111 УПС),
г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ ТОКОПРИЕМНИКА И КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ДВИЖЕНИЯ
Аннотация. В статье рассмотрены процессы токосъема в системе электрической тяги переменного тока высокоскоростного движения. Представлены существующие устройства токоприемника и контактной подвески, взаимодействующие посредством скользящего электрического контакта. Приведено сравнение вариантов решений с различной горизонтальной геометрией контактного провода, влияющей на скорость поперечного смещения контактного провода у опор контактной сети относительно оси железнодорожного пути. Показано, что скорость, с которой точка контакта перемещается по вставке токоприемника, так же важна для оценки износа скользящего контакта, как и длина пролета опор контактной сети, кривизна пути и скорость поезда в пределах пролета. Для синтеза и анализа пары «вставка токоприемника - контактный провод» со скользящим контактом получена модель расчета контактирующей поверхности и рассмотрены энергетические процессы, приводящие к износу компонентов системы токосъема. Получены результаты моделирования взаимодействия токоприемника и контактной подвески при различных вариантах зигзагообразного расположения контактного провода. При внедрении технического решения на участках с высокоскоростным движением предпочтительным является предложенный в статье способ расположения контактного провода цепной подвески с периодом зигзага, увеличенным по сравнению с традиционным в два раза. Данное решение обеспечивает снижение скорости поперечного смещения и повышает динамическую устойчивость токоприемника, уменьшает циклическую нагрузку на опорные и поддерживающие конструкции контактной сети и увеличивает ресурс контактирующих элементов системы токосъема при высокоскоростном движении.
Ключевые слова: высокоскоростное движение, контактный провод, вставка токоприемника, скользящий электрический контакт, скорость поперечного смещения контакта, геометрическое расположение проводов в плане.
Mokhirbek F. Mukhamedzhanov
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University (PGUPS), Saint Petersburg, the Russian Federation
MODELING OF PROCESSES IN THE PANTOGRAPH - CATENARY SLIDING CONTACT IN HIGH-SPEED TRAFFIC
Abstract. The article considers the processes of current collection in the system of AC electric traction in high-speed traffic. The existing devices ofpantograph and catenary interacting by means of a sliding electrical contact are presented. The comparison of solutions with different horizontal geometry of the contact wire, which affects the speed of the lateral displacement of the contact wire at the catenary supports relative to the axis of the railway track, is given. It is shown that the speed at which the contact point moves along the pantograph strip is also important for assessing the wear of the sliding contact, as is the span length of the catenary supports, the curvature of the track and the speed of the train in the span limits. For the synthesis and analysis of the pair "pantograph strip - contact wire " with a sliding contact, a model for calculating the contact surface is obtained and the energy processes leading to wear of the components of the current collection system are considered. The results of modeling the interaction of the pantograph and the catenary with various variants of the zigzag arrangement of the contact wire are obtained. When implementing a technical solution in areas with high-speed traffic, the preferred method proposed in the article is the arrangement of the contact wire of a chain suspension with a zigzag period increased by two times compared to the traditional one. This solution provides a reduction in the speed of lateral displacement and increases the dynamic stability of the pantograph, reduces the cyclic load on the supporting and supporting structures of the catenary and increases the life of the contacting elements of the current collection system during high-speed traffic.
Keywords: high-speed traffic, contact wire, pantograph strip, sliding electrical contact, the speed of the lateral displacement of the contact, the geometric arrangement of the wires in the plan.
Первостепенной задачей системы тягового электроснабжения является обеспечение бесперебойного питания железнодорожного электрического транспорта в условиях скоростного и тяжеловесного движения [1]. Для выполнения данной задачи предъявляются жесткие требования по отказоустойчивости, готовности, ремонтопригодности и безопасности к компонентам технических средств, участвующих в процессе передачи электрической энергии от контактной сети посредством скользящего контакта к токоприемнику электроподвижного состава (ЭПС) [2]. При интенсивном движении поездов возникает преждевременный износ элементов скользящей пары «вставка токоприемника - контактный провод» вследствие динамических процессов, происходящих между токоприемником и контактной подвеской. Отрицательный вклад в ускоренный износ вносит совокупность факторов, в том числе образование электрической дуги и механическое трение. Своевременное обнаружение отказов в системе токосъема, связанных с критическим износом скользящих элементов, является целью многих исследований в данной области.
На контактной сети железных дорог для равномерного изнашивания поверхности контакта вставок токоприемника (ВТ) устанавливается зигзагообразное расположение (зигзаг) контактного провода (КП). Во время движения ЭПС площадь контакта между ВТ и КП совершает продольные и поперечные смещения относительно оси железнодорожного пути (ОЖДП). К наиболее важным факторам, влияющим на характер износа контактирующих элементов системы токосъема (рисунок 1), относятся тип материала вставки токоприемника и контактного провода, контактное нажатие, род тока, скорость ЭПС, условия окружающей среды.
а
б
Рисунок 1 - Поверхность износа: а - бронзового КП; б - угольной ВТ
Одним из технических решений по повышению отказоустойчивости компонентов скользящего контакта системы токосъема является изменение способа расположения КП, при котором чередующиеся в разные стороны от ОЖДП поперечные смещения КП у промежуточных опор контактной сети осуществляют через одну опору [3]. На рисунке 2 представлены способы расположения КП в плане с традиционным зигзагом (КП1) и предлагаемым зигзагом (КП2).
Предлагаемое зигзагообразное расположение КП2 выполняется в соответствии с коммутационной функциейАп) координат фиксации положения провода у опор:
А (п) =
п +1
+1, если--целое число;
4
0, если п - четное число, включая 0; п-1
-1, если--целое число,
4
(1)
где п - независимая дискретная переменная, равная номеру опоры контактной сети, на которой фиксируется смещение контактного провода от оси железнодорожного пути; +1 - направление зигзага в сторону опоры со значением +300 мм;
0 - точка фиксации совпадает с осью железнодорожного пути; -1 - направление зигзага в сторону от опоры со значением -300 мм.
Динамическое взаимодействие токоприемника и контактной подвески сопровождается энергетическими процессами, связанными с механическими и электрическими свойствами сильноточного скользящего контакта [4].
Рельс
Поперечной * -1 "
КО-'ТЗКТНЬ.Й провод
Рисунок 2 - Схема динамического взаимодействия вставки токоприемника и контактного провода, расположенного в плане с традиционным зигзагом (сплошная линия) и предлагаемым зигзагом (пунктирная линия)
Механическое взаимодействие трибосистемы «ВТ - КП» характеризуется трением скольжения, создаваемым за счет нажатия токоприемником по КП, и скоростью движения ЭПС (рисунок 3).
Рисунок 3 - Векторы скорости скользящего контакта вставки токоприемника и контактного провода, расположенного в плане с традиционным зигзагом (КП1) и предлагаемым зигзагом (КП2)
Элементы, которые вызывают изменение распределения теплоты во вставке токоприемника, включают в себя энергию трения, выделяемую относительным движением между ВТ и КП:
ЕКП1 ~ П ^отн1 ^КП1;
(2)
Е - Р • V -г
КП2 " К2 отн2 КП2'
где п - коэффициент трения скольжения; РК1, ^К2- контактное нажатие при вариантах зигзага КП1 и КП2; ^^гн!, ^о^- скорость относительного движения площади контакта при вариантах зигзага КП1 и КП2; ^КП1, гкП2 - время относительного движения площади контакта с вариантами зигзага КП1 и КП2 при проходе токоприемником одного пролета опор контактной сети.
Скорость, развиваемая площадью поверхности контакта при продольном и поперечном смещении, определяется по формулам:
V V
V --, V
отн1 ~ отн 2
соя а, соя а
(3)
V - V- геа, V - V- геа ,
поп1 С 1' поп 2 С 2'
где V- скорость ЭПС; «1, аг - угол между КП и ОЖДП при вариантах зигзага КП1 и КП2.
Время, затрачиваемое скользящим контактом для прохождения единицы пролета опор контактной сети при продольном и поперечном смещении, определяется по формулам:
ь ь
г =—г =—^ (4)
1КП1 V ' КП2 V '
отн1 отн2
где Ьпр - длина пролета опор контактной сети; Ьвт1, Ьвт2 - поперечное смещение площади контакта по ВТ с вариантами зигзага КП1 и КП2 при проходе токоприемником одного пролета опор контактной сети.
Рассматривая электромеханический контакт как соприкосновение поверхностей ВТ и КП, сопровождающееся процессом выделения теплоты от джоулевых потерь
К -12-Я-г, (5)
можно определить параметры конечно-элементной модели сопрягаемых поверхностей (рисунок 4). Здесь I- ток, потребляемый ЭПС; г - промежуток протекания тока через электрический контакт; Дк - контактное сопротивление, определяемое по формуле [4]:
Я - Рш + Рки , (6)
^ 4а
где РВТ, РКП - удельное электрическое сопротивление соответственно ВТ и КП; а - радиус пятна контакта согласно классической теории Р. Хольма [5], который определяется через ширину сопрягаемых плоскостей Ьк. Данную ширину можно определить по формуле [6]:
ь—2 а=1,677"^
(7)
где D - диаметр КП; 7 — - удельное контактное нажатие, ^К, 1к - соответственно контакт-
I
ное нажатие и длина сопрягаемой плоскости;
• С
1 2 1 2
1 - V 1 - V.
эквивалентный модуль
Е Е
упругости контактирующих материалов; VI, V2 - коэффициент Пуассона; Е1, Е2 - модуль упругости ВТ и КП.
Полученные значения Ьк и 1к определяют площадь пятна контакта.
Ось контактного провода
Контактный провод
Площадь контакта
м
Ось ж.-д. пути
Вставка токоприемника
Рисунок 4 - Модель для расчета площади поверхности контакта ВТ и КП
Изменение контактного сопротивления в паре «провод - вставка» в большей степени определяет нажатие, передаваемое от токоприемника к контактной подвеске при движении ЭПС [4].
Рассмотрим механическое взаимодействие контактной подвески с токоприемником на примере контактной сети КС-250-25-и2, эксплуатируемой на железных дорогах Республики Узбекистан. Расчеты выполнены на математической модели [7] для одного полного анкерного участка при двух вариантах зигзага контактного провода. Модель контактной подвески -пространственная (3D), построенная методом конечных элементов. Провода контактной подвески разбивались с дискретизацией по 20 конечных элементов в каждом межструновом пролете для каждого провода. Шаг по времени составлял 0,5 мс. Контактное нажатие фиксировалось на каждом шаге по времени, т. е. частота изменений составляла 1000 Гц. Для окончательного анализа силы контактного нажатия использовался низкочастотный фильтр с частотой отсечки 20 Гц. Указанные выше особенности расчета соответствуют требованиям стандартов [8, 9]. Согласно п. 6.1.4.1 источника [10] моделирование динамического взаимодействия контактных подвесок осуществлялось с двумя токоприемниками с расстоянием между ними 200 м.
На рисунке 5 приведены зависимости статистических параметров контактного нажатия (среднего значения ^П, статистического максимума ^Пах = Fm + 3а и минимума ^пт = Fm - 3а) от скорости движения ЭПС с двумя рабочими токоприемником с шагом 5 км/ч для двух вариантов расположения КП КС-250 в диапазоне скоростей 160 - 280 км/ч при дайне пролета 60 м.
Граница допустимых значений Рт+Зсг
400
Второй токоприемник
Рт+Зст
ПерВый токоприемник
180 190 200 210 220 230 2^0 \ 250 260 270 280
Скорость, км/ч
Граница допустимых значений Рт-Зо"
а
б
Рисунок 5 - Зависимость контактного нажатия от скорости при взаимодействии двух токоприемников ЭПС с рессорной контактной подвеской ПБСМ1-95 + Бр1Ф-120 (15 + 20 кН) при традиционном зигзаге КП1 (а) и
предлагаемом зигзаге КП2 (б)
Значения контактного нажатия между расчетными скоростями (кратными 5 км/ч) на графиках условно соединены прямыми линиями. Полученные результаты моделирования показывают незначительное различие средних значений контактного нажатия ^П в пределах 0,2 - 1,3 Н при двух рассматриваемых вариантах зигзага КП.
Основные физические параметры контактной подвески КС-250-25-Ж при различных вариантах зигзага КП приведены в таблице.
Основные параметры контактной подвески КС-250-25-и2 при зигзагах КП1 И КП2
Наименование параметра КП1 КП2
Максимальная эластичность етах, мм/Н 0,551 0,572
Неравномерность эластичности Цта, % 10,18 10,09
Скорость распространения волны, км/ч 496,1 496,1
Соотношение расчетной скорости ЭПС к скорости распространения 55 55
волны, %
Коэффициент отражения 0,42 0,42
Коэффициент усиления 1,29 1,29
Коэффициент Доплера 0,33 0,33
Подробные результаты моделирования взаимодействия двух токоприемников и контактной подвески при КП1 и КП2 по проекту КС-250-25-Ж с пролетами 60 м при скорости движения 250 км/ч приведены на рисунке 6. Как видно из представленных данных, статистический минимум и максимум контактного нажатия находятся в пределах нормы: фактический максимум Ртах и минимум нажатия при этом составил 190,4 Н, 83,7 Н и 195,5 Н, 78,1 Н для вариантов зигзага КП1 и КП2 соответственно. В свою очередь процент потери контакта NQ для обоих вариантов составил 0 % при норме NQ < 0,2 %. По полученным результатам моделирования можно сделать вывод о том, что качество токосъема является удовлетворительным при данных условиях.
Зигэог КП, гнм
г?-зоо г=»эио ь-заэ г=»эас г^-зоо г=.зсо
а
Зигзаг КП, нм
г=<} эое 1=0 г=-эоо г^.эиа
КсорЭинситц опор, м
б
Рисунок 6 - Изменение контактного нажатия в пролетах 60 м вдоль анкерного участка для скорости движения 250 км/ч при традиционном зигзаге КП1 (а) и предлагаемом зигзаге КП2 (б)
В результате исследования процессов в скользящем контакте системы токосъема получена модель для расчета площади контактной поверхности ВТ и КП. Выполнена оценка влияния физических параметров контактной подвески на энергетические процессы в скользящем контакте. Исследовано техническое решение, направленное на увеличение ресурса устройств токосъема при интенсивном движении поездов. Предлагаемый способ расположения КП позволяет повысить отказоустойчивость контактирующих элементов в системе токосъема за счет сокращения «жёстких точек» и количества проходов ВТ за один цикл.
Список литературы
1. ГОСТ 32895-2014. Электрификация и электроснабжение железных дорог. Термины и определения. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 35 с. - Текст : непосредственный.
2. ГОСТ 32793-2014. Токосъем токоприемником железнодорожного электроподвижного состава. Номенклатура показателей качества и методы их определения. - Москва : Стандартинформ, 2015. - 14 с. - Текст : непосредственный.
3. Патент № 2762580. Российская Федерация, МПК В60М 1/28. Способ расположения контактного провода цепной подвески : № 2021117765 : заявлено 16.06.2021 : опубликовано 21.12.2021 / Бурков А. Т., Мухамеджанов М. Ф.; заявитель и патентообладатель Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I. - 5 с. -Текст : непосредственный.
4. Бурков, А. Т. Логическое управление содержанием контактной подвески в системе токосъема при интенсивном движении поездов / А. Т. Бурков, М. Ф. Мухамеджанов. - Текст : непосредственный // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2021. -№ 1 (69). - С. 78-88.
5. Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм. - Москва : Издательство иностранной литературы, 1961. - 464 с. - Текст : непосредственный.
6. Slade P. G. Electrical contacts. Boca Raton: Taylor & Francis, 2014, 1257 p.
7. Математическое моделирование механического взаимодействия токоприемников и контактной подвески для скоростных электрифицированных железных дорог / Б. С. Григорьев, О. А. Головин, Е. Д. Викторов, Е. В. Кудряшов. - Текст : непосредственный // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. - 2012. - № 4. - С. 155-162.
8. EN 50317:2012. Railway applications. Current collection systems. Requirements for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. London, BSI Standards Publication, 2012, 18 p.
9. EN 50318:2018. Railway applications. Current collection systems. Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. London, BSI Standards Publication, 2018, 87 p.
10. TSI Energy. Commission regulation (EU) No 1301/2014 of 18 November 2014 on the technical specifications for interoperability relating to the 'energy' subsystem of the rail system in the Union. Official Journal of the European Union, 12.12.2014, L 356/179-227.
References
1. Elektrifikaciya i elektrosnabzhenie zheleznyh dorog. Terminy i opredeleniya, GOST 328952014 (Electrification and power supply of railways. Terms and definitions, National Standart 328952014). Moscow, Standardinform, 2014, 35 p.
2. Tokos"em tokopriemnikom zheleznodorozhnogo elektropodvizhnogo sostava. Nomenklatura pokazatelej kachestva i metody ih opredeleniya, GOST 32793-2014 (Pantograph current collection of railway electric rolling stock. Nomenclature of quality indicators and methods of their determination, GOST 32793-2014). Moscow, Standardinform, 2015, 14 p.
3. Burkov A. T., Mukhamedzhanov M. F. Patent RU2762580, 21.12.2021.
4. Burkov A. T., Mukhamedzhanov M. F. Logical control of the catenary maintenance in the the current collection system at intensive train traffic [Logicheskoe upravlenie soderzhaniem kontaktnoj podveski v sisteme tokos"ema pri intensivnom dvizhenii poezdov]. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyj analiz. Modelirovanie - Modern Technologies. System Analysis. Modeling, 2021, no. 1 (69), pp. 78 - 88.
5. Hol'm R. Elektricheskie kontakty [Electrical contacts]. Moscow: Publishing house of foreign literature, 1961, 464 p.
6. Slade P. G. Electrical contacts. Boca Raton: Taylor & Francis, 2014, 1257 p.
7. Grigor'ev B. S., Golovin O. A., Viktorov E. D., Kudryashov E. V. Matematicheskoe modelirovanie mekhanicheskogo vzaimodejstviya tokopriemnikov i kontaktnoj podveski dlya skorostnyh el-ektrificirovannyh zheleznyh dorog [Mathematical modeling of the mechanical interaction of pantographs and catenary for high-speed electrified railways. Science and education]. Nauchno-tekhnich-eskie vedomosti SPbGPU. Nauka i obrazovanie - Scientific and Technical Bulletin of SPbSPU. Science and education, 2012, no. 4, pp. 155 - 162.
8. EN 50317:2012. Railway applications. Current collection systems. Requirements for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. London, BSI Standards Publication, 2012, 18 p.
9. EN 50318:2018. Railway applications. Current collection systems. Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. London, BSI Standards Publication, 2018, 87 p.
10. TSI Energy. Commission regulation (EU) No 1301/2014 of 18 November 2014 on the technical specifications for interoperability relating to the 'energy' subsystem of the rail system in the Union, Official Journal of the European Union, 12.12.2014, L 356/179-227.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I (111 УПС).
Московский пр., д. 9, г. Санкт-Петербург, 190031, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железных дорог», ПГУПС.
Тел.: +7 (812) 570-33-47. E-mail: mokhirbek@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Mukhamedzhanov Mokhirbek Furkatovich
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University (PGUPS).
9, Moskovskii av., Saint-Petersburg, 190031, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Railways power supply», PGUPS.
Phone: +7 (812) 457-83-16. E-mail: mokhirbek@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Мухамеджанов, М. Ф. Моделирование процессов в скользящем контакте токоприемника и контактной подвески в условиях высокоскоростного движения / М. Ф. Мухамеджанов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). - С. 57 - 65.
Mukhamedzhanov M. F. Modeling of processes in the pantograph - catenary sliding contact in high-speed traffic. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 4 (48), pp. 57 - 65 (In Russian).
