CC BY
65
кой достоверностью представить тепловую картину диагностируемой дизель-генераторной установки с учетом внутренних и внешних факторов, определяющих ее работоспособность.
Список литературы
1. Алексенко, В. М. Тепловая диагностика элементов подвижного состава: Монография [Текст] / В. М. Алексенко. - М.: Маршрут, 2006. - 398 с.
2. Володин, А. И. Локомотивные энергетические установки: Учебник [Текст] / А. И. Володин. - М.: Желдориздат, 2002. - 718 с.
3. Орлин, А. С. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / А. С. Орлин, Н. А. Круглова. - М.: Машиностроение, 1971. - 399 с.
4. Симеон, А. Э. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / А. Э. Симеон, А. 3. Хомич, А. А. Куриц. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
5. Луканин, В. Н. Теплотехника: Учебник [Текст] / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер. - М.: Высшая школа, 2002. - 671 с.
6. Аврунин, А. Г. Тепловозные дизели 2Д100 и 1 ОД 100: Учебник [Текст] / А. Г. Аврунин. -М.: Транспорт, 1970. - 320 с.
7. Крутов, В. И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания: Учебник [Текст] / В. И. Крутов. - М.: Машиностроение, 1989. - 416 с.
УДК 621.332
Е. М. Дербилов
ОСОБЕННОСТИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ И КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК
НА СОПРЯЖЕНИЯХ
В статье рассмотрена динамическая модель взаимодеь/ствия токоприемника с контактного подвеской для расчета контактного нажатия в сопряжениях анкерных участков. Предложены алгоритмы расчета жесткости, высотного положения и приведенной массы контактного подвески в зоне сопряженгт. Описаны характерг1-стики разрабатываемого асимметричного токоприемника, приведены результаты расчета взаимоОействия данного токоприемника с контактного подвеской КС.-200-06.
Известно, что срок службы контактного провода зависит от множества влияющих факторов, большинство из которых определяет главным образом средний износ провода. Лишь характер изменений нажатия в контакте существенно влияет на неравномерность износа контактного провода: при большой разнице контактного нажатия на контактном проводе появляются отдельные зоны с повышенным износом. Необходимость замены контактного провода определяется не только его средним износом, но размерами и числом локальных износов. Именно последнее обстоятельство и обусловливает одну из главных задач исследования процесса механического взаимодействия токоприемника и контактного провода - определение условий стабилизации и оптимизации контактного нажатия [1].
Износ токосъемных элементов прямо зависит от контактного нажатия, при увеличении которого интенсивность истирания токоприемника и контактного провода увеличивается. Уменьшение нажатия приводит к снижению износа, но только до определенного значения, после которого дальнейшее уменьшение нажатия ведет к росту износа за счет искрообразования и электроэрозионного разрушения взаимодействующих материалов в зоне контакта.
При увеличении скоростей движения большое внимание уделяется конструкции сопряжений и методам расчета контактного нажатия в сопряжениях анкерных участков, так как именно они становятся причиной ограничения скоростей движения по участку [2]. Особенность
ю ИЗВЕСТИЯ ТрансДШ^^И^И
расчета взаимодействия токоприемников и контактных подвесок в сопряжениях анкерных участков объясняется наличием в переходном пролете двух контактных подвесок, расположенных на определенном расстоянии по высоте друг относительно друга.
В связи с высокой стоимостью испытаний на эксплуатируемых участках и необходимостью организации «окон» в регулярном движении подвижного состава со снижением провозной способности участка для линейных испытаний в настоящее время при проектировании устройств токосъема перспективных транспортных средств востребованы теоретические методы, учитывающие все многообразие действующих в реальных условиях факторов, т. е. методы, адекватно отражающие физику процесса токосъема и использующие математический аппарат, обеспечивающий приемлемую точность и достоверность результатов исследований.
Для расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской при высоких скоростях движения воспользуемся моделью, разработанной в Омском государственном университете путей сообщения [3]. Данная модель позволяет рассчитывать контактное нажатие в промежуточных пролетах, однако для определения контактного нажатия в переходном пролете требуется совершенствование алгоритма расчета.
Достоверность расчетов при математическом моделировании токосъема прямо связана с полнотой учитываемых видов воздействия на уровень контактного нажатия со стороны токоприемника, контактного провода, подвижного состава и внешней среды. В расчете учитывались факторы, воздействующие со стороны контактного провода, внешней среды, подвижного состава и параметров токоприемника. Это такие факторы, как сухое и вязкое трение, массога-баритные показатели, жесткости, коэффициент трения скольжения в контакте, длина пролета подвески, амплитуды и частоты колебаний основания токоприемника, аэродинамические параметры и др.
Принято, что на процесс токосъема действуют следующие факторы: масса и геометрические параметры подвижных частей токоприемника, коэффициент трения скольжения в контакте, траектория провисания и стрела провеса контактного провода, длина пролета, амплитуда и частота вертикальных колебаний подвижного состава, аэродинамическая подъемная сила.
Под характеристикой контактного нажатия понимается зависимость максимального и минимального контактного нажатия в пролете от скорости движения электроподвижного состава (частоты вертикальных колебаний контактного элемента токоприемника). В расчетной схеме на рисунке 1 приняты следующие обозначения: жкс - жесткость контактной подвески в точке контакта; гкс - коэффициент вязкого трения в контактной подвеске; жСВЯЗи -жесткость, имитирующая упругие связи в контактной подвеске; ткс — масса контактной подвески, сосредоточенная над одним полозом; ткз - масса полоза токоприемника; "и^кэ _ сила сухого трения контактного элемента; жкэ - жесткость пружины контактного элемента; жш - жесткость пружины штанги; тш — масса штанги каретки; тк — масса каретки; "и/к - сила сухого трения каретки; жк - жесткость пружины каретки; шр - масса системы подвижных рам; уу^ — сила сухого трения в системе подвижных рам; гр - коэффициент вязкого трения в системе подвижных рам; Рр - статическое нажатие токоприемника; Рвр и Рвл -
Рисунок 1 - Кинематическая схема взаимодействия токоприемника с контактной подвеской
аэродинамическая сила, воздействующая на систему подвижных рам и полоз токоприемника; Упс - скорость движения подвижного состава; у0Сн ~ отклонение основания токоприемника в вертикальном направлении; ур и ук - высотное положение рамы токоприемника и каретки; ую\ и уКЭ2 ~ высотное положение первого и второго по ходу движения полозов; _уКсо - высотное положение контактного провода при отсутствии под ним токоприемника; а\ и «2 - угол поворота штанги первого и второго по ходу движения полозов.
В расчетах приняты следующие допущения: рамы и штанги токоприемника и необрессо-ренные части являются абсолютно твердыми, в связи с чем отсутствует необходимость учета упругих деформаций штанг и рам токоприемника, которые имеют незначительную величину и слабо влияют на процесс токосъема; контактные элементы движутся безотрывно по контактному проводу, что позволяет не рассчитывать траектории движения контактного провода и контактных элементов в отдельности, а также не учитывать ударный процесс при соприкосновении контактного элемента с контактным проводом; контактная подвеска принята упругой и представляется дискретной моделью; контактные элементы перемещаются только вертикально (незначительное перемещение в горизонтальном направлении принимается равным нулю, так как оно вызывается упругими деформациями в рамах и штангах токоприемника, которые не учитываются согласно первому допущению).
Влияние со стороны стрелы провеса контактного провода заключается в изменяющихся по дайне пролета эластичности контактной подвески и высотного положения контактного провода при отсутствии под ним токоприемника. Это влияние возрастает с увеличением скорости движения подвижного состава. Высотное положение контактной подвески КС-200-06 в пролете и ее эластичность получены экспериментально с использованием оборудования вагона-лаборатории для испытания контактной сети на перегоне Лихославль - Калашникове Октябрьской железной дороги. Для учета изменяющейся эластичности контактной подвески в зависимости от положения подвижного состава задается две зависимости: эластичность промежуточного пролета от расстояния до начала полета и эластичность переходного пролета (рисунки 2, 3).
8.0
мм/даН
6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
3 40 ^тШ- - 3 17 3.56 3,79 3,85 —•—— 3.58 3 39 3 16 ЗА1 3,34 —зти-
■--«— --4— --Ф-
0 5
10
15
90
95 30 X _
35
40
45
5П
55
65
Рисунок 2 - Изменение эластичности по длине промежуточного пролета
6,0
мм/даН 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0
Р = 15 даН Р = 30 даН
^58 ' ? м /
1 77 1,6 2'1 2,24 1,83 —1-&8— 163 1 ,11____4 48 2,24 -1-6- —1—6ё—
1 69 1 70 2,07 1.82 1 68 1 51 1 61 1 77 >,04 КЗ 1
10
15
20
25 30 X -
35
40
45
50
55
60
70
Рисунок 3 - Изменение эластичности по длине переходного пролета при различных нажатиях токоприемника
12 ИЗВЕСТИЯ ТранссШВш^=^Ш
Зная эти две зависимости и длину рассматриваемых пролетов, можно определить жесткость в любой точке рассматриваемой части подвески анкерного участка, включающей в себя переходной пролет. Для этого составлен алгоритм, изображенный на рисунке 4.
В представленном на рисунке 4 алгоритме введены обозначения: N - количество пролетов; N\ и N2 - количество точек в пролете и в переходном пролете, в которых известна жесткость подвески; xlu clj - массивы координат от начала подвески до рассматриваемой точки пролета и жесткости подвески в этих точках; х2и с2, - массивы координат от начала подвески до рассматриваемой точки переходного пролета и жесткости подвески в этих точках; L\ -длина пролета, для которого указаны данные о жесткости в х\ и с\; Lpr, - массив длин пролетов; Li - массив расстояний от начала расчета до конца /-го пролета; max, interp, cspline -встроенные функции программы MathCAD.
На полозы токоприемника будет оказывать воздействие переносное движение, возникающее при изменении высотного положения полоза токоприемника из-за переменной жесткости контактной подвески.
Кроме воздействия со стороны контактной подвески на процесс токосъема влияют колебания основания токоприемника, амплитудно-частотный спектр которых определяется множеством параметров.
Амплитуда колебаний основания токоприемника определяется согласно нормальному закону распределения случайной величины с математическим ожиданием, равным нулю, и среднеквадратичным отклонением сг0СН.
Для учета высотного положения контактной подвески в каждом из расчетных пролетов составлен алгоритм, представленный на рисунке 5. В представленном алгоритме введены следующие обозначения: N - количество пролетов; vo - высота подвески; / - массив стрел провеса в пролетах.
Рисунок 5 - Алгоритм расчета высотного Рисунок 6 - Алгоритм расчета приведенной массы
положения контактного провода подвески на расстоянии х от начальной
на расстоянии х от начальной точки расчета точки расчета
14 ИЗВЕСТИЯ ТрансйШН^^И^И
Для учета изменения приведенной к точке контакта массы подвески в переходном пролете контактной подвески составлен алгоритм, представленный на рисунке 6. В представленном алгоритме введены следующие обозначения: А/ - расстояние от начала переходного пролета до точки подхвата токоприемником сразу двух ветвей подвески; ткс - приведенная масса подвески в точке контакта токоприемника и подвески.
Для расчета взаимодействия использовались параметры токоприемника АИСТ, разрабатываемого ОмГУПСом в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» (договор № 13.G25.31.0034 от 7 сентября 2010 г.) реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Токоприемник АИСТ (рисунок 7) имеет конструкцию асимметричного полупантографа, что позволяет снизить его приведенную массу.
Полозы токоприемника оборудованы автоматическим механизмом аварийного опускания при срыве контактных элементов и при наезде на препятствие. Статическое нажатие токоприемника может регулироваться в диапазоне от 50 до 150 Н. Демпфирующие устройства токоприемника установлены в нижней системе подвижных рам, что позволяет уменьшить колебания полоза при высоких скоростях движения. Аэродинамические устройства стабилизации контактного нажатия токоприемника компенсируют вертикальные силы, действующие на полоз в процессе эксплуатации.
Расчет характеристики контактного нажатия заключается в определении нажатия в пролете для заданного диапазона скоростей движения подвижного состава и построении зависимости максимального и минимального нажатия в пролете от этой скорости.
Начальные условия для первого расчетного пролета, как правило, задаются ориентировочно, поэтому данные по взаимодействию токоприемника с контактной подвеской в первых трех - четырех пролетах не должны приниматься во внимание, а при общем числе расчетных пролетов, равном десяти, показатели, характеризующие качество токосъема, усредняются по результатам расчетов для пролетов с 6-го по 10-й.
Таким образом, рассчитывается контактное нажатие на десяти пролетах контактной сети для определенного диапазона скоростей. Для каждой скорости фиксируются максимальное и минимальное контактные нажатия в последних пяти пролетах. Отдельно исследуется форма кривой контактного нажатия в переходном пролете, который является последним пролетом по порядку.
Рассчитанные зависимости контактного нажатия токоприемника на контактный провод от скорости движения электроподвижного состава в промежуточных и переходных пролетах приведены на рисунках 8, 9.
а б
Рисунок 8 - Контактное нажатие токоприемника при скорости движения электроподвижного состава 180 км/ч: а - в промежуточном пролете (до переходного); б - в переходном пролете
а б
Рисунок 9 - Контактное нажатие токоприемника при скорости движения электроподвижного состава 240 км/ч: а - в промежуточном пролете (до переходного); б - в переходном пролете
Усовершенствованная расчетная модель взаимодействия токоприемника с контактной сетью на сопряжениях позволила добиться приемлемой сходимости расчетных и экспериментальных данных, полученных в ходе линейных испытаний на участке Лихославль - Калашникове Октябрьской железной дороги.
Расчетные параметры токоприемника и контактной подвески получены в ходе прямого эксперимента по методике, разработанной в Омском государственном университете путей сообщения.
Список литературы
1. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.
2. Вологин, В. А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети [Текст] / В. А. Во-логин. - М.: Интекст, 2006. - 256 с.
3. Обоснование рациональных технических параметров токоприемников для эксплуатации со скоростью более 200 км/ч // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе: Сб. науч. тр. [Текст] / В. М. Павлов, И. Е. Чертков и др. - М.: Интекст, 2010.- 192 с.
УДК 621.332.531
Е. В. Кудряшов, С. В. Заренков, О. А. Ходунова
МЕТОД РАСЧЕТА ЭЛАСТИЧНОСТИ КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ НА ОСНОВЕ ПРОСТОЙ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОСТИ
В статье рассмотрена математическая модель контактного подвеет, построенная на основе метода конечных элементов и позволяюгцая выполнять расчеты эластичности с высокой точностью. В числе преиму-гцеств модели - простота, доступность для воспроизвеОения, универсальность. Перспективная область пргте-ненгт - расчеты контактных подвесок для высота скоростей движенгт в соответствгт с международными требованиями. Приведено сравнение результатов расчетов на основе модели с экспериментальными данными, полученными в ходе испытаний скоростной контактной подвески на участке Лихославль - Калашниково Октябрьского железной дороги в 2005 - 2009 гг. Описаны усовергиенствованные прпборы и методы измеренгш, использованные при проведении экспериментов.
При повышении скоростей движения на электрифицированных железных дорогах возникает необходимость в разработке новых и совершенствовании существующих конструкций токоприемников и контактных подвесок, для чего требуются адекватные методы расчета и измерения параметров этих систем.
16 ИЗВЕСТИЯ ТранссШВш^=^Ш
