Оценка качества токосъема на монорельсовом транспорте Текст научной статьи по специальности «Физика»

2. Галиев, И. И. Безопасность движения грузовых поездов и динамические свойства ходовой части вагона [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - 1 (9). - С. 107 - 112.

3. Матяш, Ю. И. Выбор программного комплекса для расчета боковой рамы тележки [Текст] / Ю. И. Матяш, А. О. Бельский // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - 1(5). - С. 11 - 14.

4. Алямовский, А. А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский. - СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.

5. Нормы для расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) [Текст] / М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 318 с.

6. Конструирование и расчет вагонов [Текст] / В. В. Лукин, Л. А. Шадур и др. / УМК МПС России. - М., 2000. - 731 с.

УДК 621.332

Г. П. Маслов, И. Л. Саля, К. С. Маркелова ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА НА МОНОРЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ

В статье приведены результаты исследования взаимодействия устройств токосъема монорельсового транспорта. Проанализированы негативные последствия токосъема: акустический шум, радиопомехи и световое излучение при искрении, износ контактных элементов.

Устройства токосъема являются одними из важных элементов монорельсовой транспортной системы. Контактное нажатие выступает основным критерием, определяющим качество токосъема [ 1 ].

Схема для расчета взаимодействия токоприемника монорельсового транспорта с жестким токопроводом и определения контактного нажатия Ркт изображена на рисунке 1.

В расчетах приняты следующие допущения:

1) токопровод считается абсолютно жестким;

2) траектория провисания токопрово-да выбирается синусоидальной;

3) амплитуды горизонтальных и вертикальных перемещений основания токоприемника равны нулю (влияние экипажа отсутствует);

4) отрывы токосъемного элемента от токопровода отсутствуют;

5) токопровод не имеет разрегулированных стыковых соединений;

6) аэродинамическая сила, влияющая на контактное нажатие, принимается равной нулю;

7) сила трения скольжения между токопроводом и токосъемным элементом отсутствует.

Силы, действующие на элементы токоприемника, показаны на рисунке 2.

Рисунок 1 — Схема для расчета взаимодействия токоприемника монорельсового транспорта с жестким токопроводом: т1 — масса штанги, кг; т2 — масса контактного элемента, кг; к1 — жесткость нажимной пружины, Н/м; к2 — жесткость пружины контактного элемента, Н/м; 11 — расстояние от оси вращения до нажимной пружины, м; 12 — расстояние от оси вращения О до точки крепления пружины контактного элемента, м; 0,5-12 - расстояние от оси вращения О до центра массы штанги токоприемника С, м; а - угол поворота штанги токоприемника; Н - расстояние до точки крепления нажимной пружины, м; Ь - расстояние от верхней точки крепления пружины контактного элемента до верхней (рабочей) грани контактного элемента, м

12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 1(13) 2013

Гс Хо Л

Рисунок 2 — Силы, действующие на элементы токоприемника

провода, которое задано выражением:

/=/о + /т

2 п • х

_п

I

пр

За обобщенные координаты приняты:

х - вертикальное смещение контактного элемента от положения покоя;

а - угол поворота штанги от положения покоя.

На рисунке 2 введены следующие обозначения: г3 -вязкость в контакте согласно теории Герца [2]; к3 -жесткость в контакте; т^ -вес штанги токоприемника; т^ - вес контактного элемента; 7о, Хо, УА, ХА -опорные реакции; / - высотное положение токо-

(1)

где /о - смещение синусоиды токопровода относительно оси вращения штанги токоприемника; /т - амплитуда траектории расположения токопровода; хп.с - путь, пройденный подвижным составом;

/пр - длина одного пролета токопровода (периода синусоиды /пр = 2,26 м). Силу контактного нажатия токоприемника можно определить, решая систему двух уравнений Лагранжа второго рода:

(дТ)_дТ + дП , ЭФ

& дх дх дх дх

0х;

й ,дТ^ дТ дП дФ „

— (-)--+-+-= 0а,

& да да да да

(2)

где Т - кинетическая энергия системы;

П - потенциальная энергия;

Ф -функция рассеивания системы;

0х - обобщенная сила, соответствующая силам сопротивления по обобщенной координате х;

0а - обобщенная сила, соответствующая силам сопротивления по обобщенной координате а.

Кинетическая энергия токоприемника в рассматриваемой системе определяется следующим образом:

т = IТ.

I=1

Кинетическая энергия штанги токоприемника

т = - • J «а,

1 2

где а - угловая скорость штанги;

J - момент инерции штанги относительно неподвижной оси,

(3)

№,011,3) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13

1 ■» 2

з=з т • //, (5)

где т1 - масса штанги; /2 - длина штанги.

Кинетическая энергия контактного элемента:

1 2

Т2 = ^ т2'х , (6)

где т2 - масса контактного элемента;

х - скорость перемещения контактного элемента.

Тогда кинетическая энергия токоприемника равна сумме кинетических энергий штанги и контактного элемента:

Т =—т • /22 ос2 + — т2 • х2. (7)

6 2

Потенциальная энергия токоприемника в рассматриваемой системе определяется по выражению:

п т

I = Е1,+Е ¡о,, (8)

1=1 ,=1

где П - потенциальная энергия 1-го элемента конструкции токоприемника в поле сил тяжести;

ПУ] - потенциальная энергия ]-й пружины токоприемника в поле сил упругости. Потенциальная энергия штанги токоприемника

П = -т— • ^БтО). (9)

Потенциальная энергия контактного элемента

П2 =-т2 • g • х. (10)

Потенциальная энергия от силы упругости нажимной пружины токоприемника

1 2

Пу ! = - к (/01 - Н - /1вт(«)) , (11)

где /01 - длина нажимной пружины в ненагруженном состоянии.

Потенциальная энергия от силы упругости пружины каретки токоприемника

1 2

ПУ 2 = 2 к2 (102 - х + к + /281п(а) ) , (12)

где /02 - длина пружины каретки в ненагруженном состоянии.

Потенциальная энергия от имитируемых сил упругости контакта

1 2

Пуз = 2кз (/оз -1 + х) , (13)

где /03 - длина пружины, имитирующей жесткость контакта, в ненагруженном состоянии. Таким образом, потенциальная энергия рассматриваемого токоприемника

14 ИЗВЕСТИ Я Транссиба ■—

1 2 1 2

П =—к (101 _ Н _ /^п«) ) +—к2 (/02 _ х + к + /28т(а)) +

2

2

(14)

+ 2 к3 (103 _ 1 + х ) + 2 т1 • 8 • 12 • §1п(а) + т2 • 8 • х.

Функция рассеивания системы зависит от сил вязкого трения т\ и г3:

Ф =1 г1 • /12 а2 +1 г3(х_/)2.

2 1 1 2

Вычислив производные, подставим их в систему уравнений (2): —т1 • /2 а _ к1 •( /01 _ Н _ /1 • Бт(а))• /1 • соБ(а) +

(15)

3

1

+к2 (/02 _ х + к + /2 • Бт(а)) /2 • соБ(а)+—т1 • 8 • /2 • соБ(а) + г1 • /12 • а = 0; т2 • х _ к2 (/02 _ х + к + /2 • Бт(а)) + к3 (/03 _ / + х) + т2 • 8 + г3 (х _ /) = 0.

(16)

к3(1оз -/ + *)

Рисунок 3 — Расчетная схема токоприемника для определения контактного нажатия

Решая систему дифференциальных уравнений (16), получаем зависимости угла поворота штанги токоприемника а(1:) и высотного положения контактного элемента х(1:), а также их производные. Далее рассмотрим схему, которая включает в себя только токопровод (рисунок 3). Воздействие со стороны токоприемника учитывается силой нажатия токоприемником на токо-провод (контактным нажатием Ркт).

Составив уравнение равновесия по вертикальной оси и приравняв его к нулю, получаем формулу для расчета силы контактного нажатия:

Ркт = Г3 ( х _/)+ к3 (103 _1 + х) •

шшт

Рисунок 4 — Расчетная схема токоприемника

(17)

Для определения доли времени, при котором отсутствует контакт между токосъем-ным элементом и токо-проводом, т. е. доли «отрывов» токосъемно-го элемента от токопро-вода, необходимо разделить работу токоприемника на две фазы: при контакте с токопро-водом и без контакта с токопроводом. Первая фаза уже рассмотрена выше, для нее получена система двух уравнений, описывающих ди-

№2(!133) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15

намику элементов токоприемника, (16) и формула для расчета контактного нажатия (17). Для второй фазы контактное нажатие отсутствует и необходимо рассматривать токоприемник отдельно от токопровода, так как в случае «отрыва» токоприемник механически не взаимодействует с токопроводом. Расчетная схема представлена на рисунке 4.

Система уравнений, описывающая движение элементов токоприемника в момент «отрыва», имеет вид:

1 т1 • /22 а - к1 • (/01 - Н -11 • Бт(«)) • /1 • соБ(а) +

+к2 (/02 - х + к + /2 • Бт(а)) /2 • соБ(а) +1 т1 • g • /2 • соБ(а) + г1 • /12 • а = 0; т2 • х - к2 (/02 - х + к + /2 • Бт(а)) + т2 • g = 0.

(18)

Уравнение, описывающее движение контактной части токопровода (координата у на рисунке 4), имеет вид:

к3 ( /03 - + У ) + Г3 ( х - / ) = 0. (19)

Условием переключения с расчетных уравнений первой фазы (16) и (17) на уравнения второй фазы «отрыв» (18) и (19) является получение в формуле расчета контактного нажатия (17) отрицательного значения. Условием обратного перехода является условие х > у.

Для заданных параметров токоприемника (таблица) получены зависимости, представленные на рисунке 5.

Исходные данные

Наименование параметра токоприемника шь кг 1ъ м к1, Н/м ш2, кг 12, м к2, Н/м Ь, м Н, м г1, Н- с/м

Величина 2,0 0,22 1100 1,0 0,7 4000 0,02 0,15 20

Наименование г3, Н- с/м £ш, м к3, Н/м м ^ м Б, м/с2 101, м 102, м 103, м

Величина 55 0,001 50000 0,2 2,26 9,81 0,44 0,22 0

530

Н

1Ш

100

р

Пользуясь данной методикой, можно рассчитать силу контактного нажатия на рассматриваемом участке при заданной скорости движения подвижного состава и процент времени отсутствия контактного нажатия. Второй параметр позволяет судить об интенсивности электрического износа контактного элемента и токопровода, а также об уровне электромагнитных помех, излучаемых токоприемником.

Из приведенных данных видно, что с увеличением частоты колебаний токоприемника наблюдается увеличение контактного нажатия и его максимальная величина достигает 215 Н на частоте 11,8 Гц (см. рисунок 5). В результате этого снижается качество токосъема и появляются негативные факторы (рисунок 6).

р 1 кт тах

Р 1 КТ 1П1П

/ / отр

А

3

]1>

и

14

Рисунок 5 — Влияние частоты колебаний токоприемника на величину контактного нажатия при взаимодействии токосъемных устройств монорельсового транспорта

ИЗВЕСТИЯ Транссиба"

Взаимодействие устройств токосъема

Контактное нажатие < Рк

I

Контактное нажатие > Рк

Отрыв токоприемника от токопровода

I

Повышенное нажатие в контакте

Рисунок 6 — Негативные факторы, снижающие качество токосъема

Контактное нажатие менее Ркт тт приводит к отрыву токоприемника от токопровода, вследствие чего появляются электрическая дуга и искрообразование, шум от искрения в контакте; радиопомехи; световое и ультрафиолетовое излучение и др.

Контактное нажатие свыше Ркт тах приводит к увеличению шума от трения скольжения в контакте; повышенному истиранию и износу контактирующих элементов токоприемника и токопровода и др.

Отрыв токоприемника от токопровода и повышенное нажатие не обеспечивают безопасного взаимодействия токосъемных устройств, что нарушает надежность токосъема.

Повышенный износ контактирующих элементов при уменьшении или увеличении контактного нажатия приводит к снижению экономичности токосъема.

Радиопомехи, шум от трения и искрения в контакте, световое и ультрафиолетовое излучение, распространение продуктов износа контактирующих элементов токоприемника и то-копровода снижают экологичность токосъема.

Проведенные исследования взаимодействия устройств токосъема монорельсового транспорта показали, что контактное нажатие изменяется от 0 до 215 Н на частоте 11,8 Гц.

При указанном размахе колебаний контактного нажатия возникают негативные последствия токосъема, а именно: акустический шум, радиопомехи и световое излучение при искрении, износ контактирующих элементов, которые ухудшают надежность, экономичность и экологичность токосъема.

Список литературы

1. Михеев, В. П. Совершенствование систем контактного токосъема с жестким токопро-водом: Монография [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003. - 182 с.

2. Ландау, Л. Д. Теория упругости [Текст] / Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. - М.: Наука, 1987. - 246 с.

№2011.3) ИЗВЕСТИЯ Транссиба