CC BY
104
УДК 621.332
А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОПРИЕМНИКА И КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ С УЧЕТОМ ОТРЫВОВ ПОЛОЗА ОТ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА
Рассматривается модель вшпмооействпя токоприемника и контактной подвески с учетом отрывов полоза от контактного провода. Для уменьшения коэффициента отрывов предлагается оснастить токоприемник системой автоматического регулирования (САР) нажатия, содержащей датчик искрения.
Эффективное функционирование и развитие железнодорожного транспорта, составляющего основу транспортной системы России, играют исключительную роль в создании условий для перехода на инновационный путь развития и устойчивого роста национальной экономики. В соответствии с федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России на 2010 - 2015 годы» необходимо решить задачи по созданию скоростного и высокоскоростного пассажирского движения и по обновлению парка пассажирского подвижного состава.
При реализации высоких скоростей движения проблема обеспечения надежного и качественного токосъема остается особенно актуальной во всем мире, одним из перспективных путей ее решения является разработка и совершенствование математических моделей взаимодействия токоприемника с контактной подвеской.
Модели взаимодействия токоприемников с контактными подвесками можно классифицировать по числу степеней свободы у токоприемника, по способу учета контактной подвески (с сосредоточенными или распределенными параметрами), по особенностям учета факторов, оказывающих механическое воздействие на токоприемник и контактную подвеску [1].
Токоприемник может быть представлен одно-, двух- или трехмассовой моделью, учитывающей поступательные и вращательные движения его элементов. Более точной является модель токоприемника, представляющая собой многотельную систему, полностью отображающую конструкцию и параметры отдельных тел токоприемника.
Модель контактной подвески с сосредоточенными параметрами содержит приведенные массы, упругие и демпфирующие элементы, характеристики которых получены экспериментальным путем. В таком виде расчетная схема подвески может быть использована лишь для исследования взаимодействия с одним токоприемником, так как не учитывает распространения продольных колебаний контактного провода. Кроме этого приходится постоянно доопределять характеристики упругих и демпфирующих элементов при необходимости учета нелинейной жесткости подвески.
При представлении контактной подвески моделью с распределенными параметрами чаще всего используются модели натянутой нити и модели стержня с учетом предварительного натяжения и изгибной жесткости. Модель нити используется достаточно широко благодаря сравнительной простоте процедуры численного решения уравнения колебаний. Модель стержня учитывает изгибную жесткость провода, но повышает порядок дифференциального уравнения и существенно усложняет процедуру решения.
Одним из основных допущений, часто принимаемых при исследовании взаимодействия то-косъемных устройств, является то, что контактные элементы движутся безотрывно по контактному проводу, что позволяет не рассчитывать траектории движения контактного провода и контактных элементов в отдельности и не учитывать ударный процесс при соприкосновении контактного элемента с контактным проводом. Однако на практике наиболее опасным режимом токосъема являются отрывы полоза токоприемника от контактного провода и возникновение электрической дуги, которая ведет к таким негативным последствиям, как отжиг и пережог контактного провода и, как следствие, к обрыву проводов и поломке токоприемников. Следовательно, модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской должна описывать условия потери контакта между контактной подвеской и полозом токоприемника.
Подвижной состав железных дорог
В Омском государственном университете путей сообщения ведутся работы по исследованию, моделированию и разработке устройств токосъема в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Для повышения качества токосъема путем стабилизации контактного нажатия и уменьшения коэффициента отрывов предлагается оснастить токоприемник САР нажатия. Регулирование нажатия токоприемника осуществляется по комбинированному принципу управления, объединяющему в себе программное управления по заданному закону и управление с обратной связью по нажатию и искрению токоприемника. Необходимость применения датчика искрения подтверждается результатами испытаний устройств токосъема на линии Москва - Санкт-Петербург, в ходе которых установлено, что интенсивное искрение возникает даже при небольшом среднеквадратичном отклонении контактного нажатия при различных скоростях движения электроподвижного состава. Характерными внешними факторами, вызывающими интенсивное искрение независимо от скорости движения и нажатия токоприемника, являются разрегулированная контактная подвеска, дефекты контактных вставок токоприемника и контактных проводов, гололедные образования на контактной подвеске. На основании сказанного выше предложена система регулирования (патент РФ №105862) [2], в качестве чувствительных элементов которой выступают датчик контактного нажатия и датчик искрения, а в качестве блока управления - регулятор, принцип работы которого основан на нечеткой логике (Риггу-регулятор) (рисунок 1).
При подъеме токоприемника 1 (см. рисунок 1) сжатый воздух через ЭПП поступает в полость пневмопривода, выполненного в виде пневматического резинокордного элемента (РКЭ) 2. Полоз токоприемника 3 оснащен демпфирующими элементами 4, выполняющими одновременно функции датчика контактного нажатия. При взаимодействии токоприемника с контактным проводом 5 изменение контактного нажатия ве-
атмосферу
дет к изменению давления воздуха в пневматической магистрали, связанной с датчиком давления. Блок управления обрабатывает сигналы от датчика давления и датчика искрения 6 и формирует управляющее воздействие на электропневматический преобразователь в соответствии с заданным алгоритмом. Подъем и опускание токоприемника осуществляются через пульт управления, установленный в кабине машиниста. Датчик искрения основан на регистрации ультрафиолетового излучения, поскольку значительная часть энергии излучения, выделяемого электрической дугой, лежит в ультрафиолетовом диапазоне. Разработанный датчик искрения не реагирует на солнечный свет и источники искусственного освещения за счет узкого спектрального диапазона чувствительного элемента (220 - 280 нм). Моделирование токоприемника, оснащенного САР нажатия, осуществляется в приложе-
Рисунок 1 - Структурная схема САР нажатия токоприемника: 1 - рамы токоприемника; 2 - резинокордный элемент; 3 - полоз токоприемника; 4 - датчик нажатия; 5 - контактный провод; 6 - датчик искрения; ДД - датчик давления; БУ - блок управления; ИСВ - источник сжатого воздуха; ПУ - пульт управления; ЭПП - электропневматический преобразователь
ИЗВЕСТИЯ Транссиба з
нии Simulink среды Matlab, являющимся мощным средством обработки многомерных данных [3]. Целью исследования является оценка влияния предложенной САР нажатия на качество токосъема.
В предложенной модели взаимодействие токоприемника и контактной подвески реализовано в пакете физического моделирования Simmechanics приложения Simulink. Использование пакета Simmechanics позволяет создать механическую систему с применением модели твердого тела, осуществить анализ трехмерных моделей и объединить механические блоки с другими типами блоков приложения Simulink. Механическая система «токоприемник - контактная подвеска» моделируется в виде отдельных тел, имеющих массовые и инерционные характеристики. Данные о геометрических параметрах тел извлекаются из xml-файлов, полученных при их моделировании в программном средстве трехмерного проектирования SolidWorks, что позволяет визуализировать исследуемый процесс и упростить его восприятие (рисунок 2).
Контактная подвеска представлена одномассовой моделью с сосредоточенными параметрами. Влияние на токоприемник со стороны стрелы провеса контактного провода заключается в изменяющихся по длине пролета жесткости, массе и демпфировании контактной подвески при отсутствии под ним токоприемника.
В процессе моделирования взаимодействия токоприемника с контактной подвеской был реализован алгоритм, описывающий контакт между полозами токоприемника и элементами контактного провода. Блок вычисления и реализации силы взаимодействия представлен в виде подсистемы из блоков Body Sensor и Body Actuator (рисунок 3). Данные о перемещениях и скоростях из подсистем «контактная сеть» и «токоприемник» через блоки Body Sensor передаются в подсистему вычисления контактного нажатия «ForceLaw», с выхода которой величина силы нажатия передается обратно в подсистемы посредством блоков Body Actuator, осуществляя тем самым взаимное влияние подсистем.
Подсистема «ForceLaw» предназначена для вычисления нажатия токоприемника на контактный провод по следующему закону:
Р _ 1^п-Укс) + ^(>;п->;ксХ если JK=Jn; m
[О, если * уи,
где к и b - виртуальные жесткость и демпфирование, имитирующие контакт; ук и ук— координата и скорость точки контакта;
уп и уп- координата и скорость полоза;
уКС - координата контактного провода.
Выражение 1 позволяет анализировать контакт полоза токоприемника с контактным проводом, что дает возможность оценивать качество токосъема по коэффициенту отрывов.
View Simulation Model Help
н Hf* o ± ► ■ .fffZI ©
Рисунок 2 - Модель механической системы «токоприемник - контактная подвеска» в пакете 8пптес11атс8
4 ИЗВЕСТИЯ Транссиба1
1 2011
Рисунок 3 - Модель блока реализации взаимодействия токоприемника с контактной подвеской
Рисунок 4 поясняет принцип расчета контактного нажатия между приведенной массой контактной сети и полозом токоприемника.
При дальнейшем моделировании и исследовании САР нажатия в приложении 8шшИпк описанная выше механическая система «токоприемник - контактная подвеска» представлена в виде одноименной подсистемы, как составной части САР нажатия.
Для анализа САР нажатия и оценки ее влияния на качество токосъема необходимо определить передаточные функции всех элементов системы.
Резинокордный элемент - колебательное звено, основными параметрами которого являются коэффициент усиления кжэ, постоянная времени Гркэ и коэффициент демпфирования <^ркэ :
Рисунок 4 - Модель расчета контактного взаимодействия между контактной сетью и полозом токоприемника
^РКЭ (Р) =
Ч>КЭ
РКЭ ' ^РКЭ ' Р + 1
(2)
Электропневматический преобразователь имеет линейную зависимость выходного давления от входного электрического сигнала с коэффициентом усиления кЭШ1 и обратную связь по давлению воздуха.
Датчик нажатия, состоящий из демпфирующего элемента и преобразователя давления воздуха в электрический сигнал, является апериодическим звеном, имеющим коэффициент усиления кдя и постоянную времени Гдн :
^дн (Р) =
ДН
ДН
> р + 1
Датчик искрения принимается усилительным звеном с коэффициентом кт .
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
Поскольку взаимодействие токоприемника с контактной подвеской является сложным динамическим процессом, в котором необходимо учитывать нелинейность элементов токоприемника, аэродинамическое воздействие и другие стохастические процессы, то применение методов управления на основе нечеткой логики является актуальным для управления нажатием токоприемника.
Fuzzy - регулятор, используемый в САР нажатия, имеет два входа - отклонение контактного нажатия и искрение токоприемника - и один выход - управляющее нажатие токоприемника. Математическая модель регулятора, основанного на нечеткой логике, приведена в работе [4]. Моделирование САР нажатия токоприемника с Fuzzy-регулятором выполнено в пакете Fuzzy Logic Toolbox, входящем в состав системы Matlab.
Исследуемая модель, реализованная в приложении Simulink, представлена на рисунке 5.
Fuzzy -регулятор
Токоприемник -контактная подвеска
Датчик нажатия Датчик искрения num(s)
Рисунок 5 - Модель для исследования взаимодействия токоприемника, оснащенного САР нажатия, с контактной подвеской
С помощью разработанной математической модели выполнен расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской и оценено влияние САР нажатия на качество токосъема.
На рисунке 6 представлены траектории движения контактного провода и полоза токоприемника, не оснащенного САР нажатия, а также нажатие в контакте при скорости движения электроподвижного состава 140 км/ч. На рисунке 7 изображены траектории движения контактного провода и полоза, а также нажатие токоприемника, оснащенного предлагаемой САР нажатия, при тех же условиях. Программное управление нажатием согласно заданному закону управления позволяет снизить среднеквадратичное отклонение контактного нажатия по пролетам контактной сети. Замкнутое управление с обратной связью по нажатию и искрению токоприемника позволяет при возникновении ненормального режима токосъема (выход нажатия за пределы заданного значения, интенсивное искрение) регулировать нажатие токоприемника как в большую, так и в меньшую сторону. САР нажатия не реагирует на единичные выбросы нажатия или искрения (рисунок 6, б), но при появлении тенденции к увеличению среднеквадратичного отклонения нажатия либо при интенсивном искрении в течение заданного времени повышает нажатие токоприемника (после четвертой секунды). В результате применение комбинированного принципа управления приводит к улучшению двух важнейших интегральных показателей качества токосъема, таких как среднеквадратичное отклонение нажатия и коэффициент отрывов токоприемника.
Рисунок 6 - Траектории движения контактного провода и полоза (а) и контактное нажатие (б) токоприемника, не оснащенного САР нажатия
Рисунок 7 - Траектории движения контактного провода и полоза (а) и контактное нажатие (б) токоприемника, оснащенного САР нажатия
^р-ИЗВЕСТИЯ Транссиба 7
ОП<1 л ■- ■
Подвижной состав железных дорог
Таким образом, разработана математическая модель взаимодействия токоприемника и контактной подвески с учетом отрыва полоза токоприемника от контактного провода. Для повышения качества токосъема предлагается использование САР нажатия токоприемника, основанной на комбинированном принципе управления, содержащей датчик искрения, датчик нажатия и Риггу-регулятор. Результаты моделирования показали эффективность применения предлагаемой САР нажатия для уменьшения коэффициента отрыва токоприемника.
Список литературы
1. Сидоров, О. А. Системы контактного токосъема с жестким токопроводом: Монография [Текст] / О. А. Сидоров. - М.: Маршрут, 2006. - 119 с.
2. Пат. № 105862 на полезную модель (РФ), МПК В 60 Ь 5/00. Токоприемник электроподвижного состава [Текст] / О. А. Сидоров, А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин, С. Ю. Сос-новский. Заявлено 11.01.2011; Опубл. 27.06.2011 // Открытия. Изобретения. 2011. №2011100366/11.-2 с.
3. Щербаков, В. С. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде МАТЬАВ и 81МиЬШК. Учебное пособие [Текст] / В. С. Щербаков, А. А. Руппель, В. А. Глушец / Сибирская автомобильно-дорожная акад. -Омск, 2003.- 160 с.
4. Ларькин, И. В. Система регулирования нажатия токоприемника, основанная на нечеткой логике [Текст] / И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы XI междунар. науч.-практ. конф. / Южно-российский гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск, 2011. - С. 137-141.
УДК 621.332.531
Д. Д. Жмудь, В. А. Королев
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ С КОНТАКТНЫМИ ПОДВЕСКАМИ НА ВОЗДУШНЫХ СТРЕЛКАХ
В статье рассмотрена методика расчета взаимоОействия токоприемников с контактными подвесками на усовершенствованных воздушных стрелках контактной сети. Изложенная методика и разработанная программа позволяют на стадии проектирования прогнозировать характер взаимодеь/ствия при различных значениях параметров системы.
Исследование взаимодействия токоприемника с контактной подвеской в зоне воздушных стрелок только экспериментальным путем связано со значительными затратами и объемом работ. Теоретические методы исследования, основанные на моделях с распределительными параметрами, приводят к громоздким вычислениям. На наш взгляд, наиболее целесообразным путем решения поставленной задачи является оптимальное сочетание теоретических и экспериментальных методов исследования. Для этой цели подходит двухмассовая дискретная модель, приведенная на рисунке 1.
Вариант модели токоприемника с несинхронизированными каретками отличается тем, что учитывает возможность перекоса полоза токоприемника под действием сил контактного нажатия при взаимодействии с контактными подвесками на воздушной стрелке [1, 2]. Это можно считать положительным фактором для описания процессов, происходящих при взаимодействии с движущимся токоприемником.
При взаимодействии токоприемника с контактной подвеской в зоне воздушной стрелки можно выделить четыре различных режима взаимодействия:
8 ИЗВЕСТИЯ ТрансСШВ^^И №3(7)
