CC BY
7
УДК 621.331.3.025.3
Б. А. Аржанников, А. В. Паранин
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕПНОЙ КОМПЕНСИРОВАННОЙ КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ С РЫЧАГАМИ ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Аннотация. Рассмотрен вариант применения цепной контактной компенсированной подвески с рычагами и боковым токосъемом для трехфазной системы тягового электроснабжения (ТСТЭ). Две разнофазные контактные подвески располагаются с разных сторон от оси пути. Электроподвижной состав должен иметь два токоприемника, которые давят на контактный провод от оси пути в противоположные стороны. Произведено описание конструкции контактной подвески в целом и основных узлов, в частности крепление стержней, что позволяет обеспечить вертикальный зигзаг и ограничить поперечное перемещение контактного провода. В точках у опор рычаги соединены с консолями и имеют узел для создания угловой жесткости. Кроме этого поворот данных рычагов ограничен в сторону к оси пути и в противоположную сторону. Этим самым предотвращается возможность схлестывания разнофазных контактных проводов. В соответствии с указанной конструкцией была разработана математическая модель данной контактной подвески на основе метода конечных элементов, обеспечивающая расчет в статике и динамике с учетом токоприемника. Для описания токоприемника используется распространенная трехмассовая модель. На основе анализа результатов, полученных с помощью данной модели, определено влияние конструктивных параметров подвески, поперечного ветра и скорости движения токоприемника на качество токосъема, установлены границы применимости рассматриваемой подвески в зависимости от величины данных параметров. Определено, что в отличие от обычной контактной подвески с вертикальным токосъемом для подвесок с боковым токосъемом значительное влияние на качество токосъема оказывает боковой ветер. Именно скорость ветра является основным фактором, ограничивающим возможность применения подвески с боковым токосъемом.
Ключевые слова: трехфазная система тягового электроснабжения, цепная компенсированная контактная подвеска, контактный провод, несущий трос, рычаг, шарнирный зажим, полоз токоприемника, вертикальный зигзаг, рабочая область, численное моделирование, качество токосъема, длина пролета.
Boris A. Arzhannikov, Alexander V. Paranin
Ural State University of Railway Transport (USURT), Yekaterinburg, the Russian Federation
CALCULATION OF PARAMETERS AND EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING CHAIN COMPENSATED CONTACT SUSPENSION WITH LEVER FOR A THREE-PHASE TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM
Abstract. A variant of application of a contact compensated chain suspension with levers and lateral current collection for a three-phase traction power supply system (TSTE) is considered. Two different-phase contact suspensions are located on different sides of the track axis. The electric rolling stock must have two current collectors that press on the contact wire from the track axis in opposite directions. The description of the design of the contact suspension as a whole and the main components, in particular, the fastening of the rods, which makes it possible to provide a vertical zigzag and limit the transverse movement of the contact wire, is made. At points at the supports, the levers are connected to the consoles and have a knot to create angular rigidity. In addition, the rotation of these levers is limited towards the axis of the path and in the opposite direction. This prevents the possibility of lashing of different-phase contact wires. In accordance with this design, a mathematical model of this contact suspension was developed based on the finite element method, which provides calculation in statics and dynamics, taking into account the current collector. To describe the pantograph, a common three-mass model is used. Based on the analysis of the results obtained using this model, the influence of the design parameters of the suspension, cross wind and the speed of the pantograph movement on the quality of the current collection is determined, the limits of applicability of the suspension under consideration, depending on the value of these parameters, are established. It has been determined that, in contrast to a conventional contact suspension with a vertical current collection, for suspensions with a lateral current collection, a side wind has a significant effect on the quality of the current collection. It is the wind speed that is the main factor limiting the possibility of using a suspension with lateral current collection.
Keywords: three-phase traction power supply system, compensated chain contact suspension, contact wire, carrying cable, lever, articulated clamp, pantograph skid, vertical zigzag, working area, numerical simulation, current collection quality, span length.
Существующая однофазная система электрической тяги напряжением 25 кВ обладает рядом известных недостатков, многие из которых связаны с тем, что тяговая нагрузка является однофазной, а питающее напряжение трехфазным. В работе [1] предлагается вариант трехфазной системы электрической тяги (ТСТЭ), которая имеет лучшие технико-энергетические характеристики по сравнению с однофазной, является симметричной системой, не требует нейтральных вставок. Две разнофазные контактные подвески расположены над путями, а третьей фазой является рельс. Линейное напряжение между всеми фазами 25 кВ. Существенной проблемой в данном случае является необходимость разработки такой разнофазной контактной подвески и оценка возможности ее принципиальной работоспособности, подбор параметров.
С учетом соблюдения существующих габаритов на железной дороге и допустимых расстояний по условиям изоляции в настоящее время рассматривается контактная подвеска с боковым токосъемом. Две разнофазные контактные подвески располагаются над крышей подвижного состава с обеих сторон от оси пути. На крыше электроподвижного состава (ЭПС) предполагается наличие двух токоприемников. Каждый из них снимает тяговый ток со своей контактной подвески. Нажатие каждого из двух токоприемников направлено вбок от оси пути в сторону своей контактной подвески. Полозы токоприемников при боковом токосъеме ориентированы вертикально.
В работе [2] был проанализирован вариант простой контактной подвески с поршневыми точками подвеса у опор. В данной статье исследуется уже цепная компенсированная подвеска с рычагами между контактным проводом (КП) и несущим тросом (НТ).
Описание конструкции. Для ТСТЭ [1] возможно рассмотреть вариант цепной контактной подвески с НТ и КП отдельно для каждой из двух фаз. Учитывая необходимость обеспечения бокового токосъема для крепления контактного провода, целесообразно использовать изогнутые рычаги, верхние концы которых соединяются через струны с несущим тросом. Изгиб рычага подобран таким образом, чтобы предотвратить касание его полозом токоприемника (рисунок 1).
[Положение полоза крайних позициях Осьпуттт
Г абарит подвижного соегава с токоприемником
Рабочая
Рисунок 1 - Размеры рабочей области полоза токоприемника, его расположение в поперечной плоскости и высота точек подвеса КП
Из рисунка 1 видно, что ход полоза и положение в крайних позициях совпадают с аналогичными параметрами для контактной простой подвески с поршневыми точками подвеса. Предлагается механически ограничить движение полоза за пределы крайних позиций, а полоз не должен находиться к оси пути ближе, чем 500 мм, и не далее, чем 1000 мм.
На всей рабочей области полоза система подвижных рам должна обеспечивать стабильность статической составляющей контактного нажатия величиной 70 Н. Для рассматриваемого случая ход полоза и соответственно, рабочий ход системы подвижных рам составляет 500 мм, что примерно в три раза меньше, чем у существующих токоприемников, поэтому система подвижных рам токоприемника, соответствующего рисунку 1, может иметь гораздо меньшие размеры и массу. Систему подвижных рам токоприемника необходимо разместить между двумя разнофазными КП, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга. Два токоприемника будут находиться в непосредственной близости друг от друга и давить на КП от оси пути каждый в свою сторону. Этим предотвращается возможность перекрытия воздушного промежутка между КП одной фазы и токоприемником, который снимает ток с КП другой фазы. По этой причине опасно использовать только один токоприемник бокового токосъема, размещенный между двух разнофазных КП.
Контактную подвеску предлагается делать компенсированной с целью поддержания постоянной высоты и натяжения КП в каждой точке при изменении температуры проводов. Вертикальный зигзаг КП для цепной подвески с рычагами реализуется так же, как и для простой подвески с поршневыми точками подвеса. Высота подвеса КП и НТ относительно уровня головки рельса (УГР) постепенно меняется на каждой опоре. За несколько пролетов точка подвеса КП перемещается от крайнего нижнего до крайнего верхнего положения. Конструктивная высота подвески Ы, а также размеры рычагов КП во всех пролетах одинаковые. Высота рычага Нр и длина бокового изгиба Sр, а также радиусы скруглений (см. рисунок 1), форма и размеры поперечного сечения, материал необходимо подбирать исходя из предотвращения возможности касания полоза, обеспечения качества токосъема, механической прочности и жесткости самих рычагов.
Сверху рычаг через шарнирный зажим крепится к струне, которая соединяется с НТ (рисунок 2). Дополнительно в шарнирном зажиме необходимо предусмотреть путь протекания тока при движении конструкции. Это позволит исключить электромеханический (дуговой) износ его сочленения и надежно передавать ток из НТ в КП. За счет регулировки длины струн можно добиться более равномерной траектории КП по высоте над УГР в пролете по сравнению с простой подвеской. Нужно отметить, что при боковом токосъеме равномерность траектории КП по высоте не имеет такого большого значения, как при вертикальном токосъеме.
Для рассмотренной конструкции контактной подвески отклонение КП поперек оси пути под действием ветра ограничивается только горизонтальной
Рисунок 2 - Схема соединения рычага с проводами и координатами элементов
Рисунок 3 - Схема крепления рычагов к консоли для ограничения подвижности КП поперек оси пути
проекцией реакции рычагов, закрепленных с помощью струн на НТ. Следует учитывать, что под действием ветра возможно выдувание КП за рабочий диапазон хода полоза, который составляет всего 500 мм. К примеру, при указанных выше параметрах подвески и скорости ветра поперек пути 20 м/с контактный провод уже выдувается почти на всем расчетном участке за пределы рабочего хода полоза. В этом случае при проходе токоприемника будет постоянно гореть дуга, что недопустимо.
Для уменьшения возможности движения КП поперек оси пути предлагаются рычаги, расположенные у опор, крепить их нужно непосредственно к консоли и ограничивать допустимые углы поворота рычага в обе стороны. Дополнительно целесообразно предусмотреть угловую жесткость при повороте данных рычагов. Схематично предлагаемое решение показано на рисунке 3.
Поскольку предлагаемая конструкция подвески существенно отличается от стандартной используемой цепной контактной подвески с вертикальным токосъемом, то многие существующие нормы и технические требования [3, 4] не применимы. Поэтому для проверки пригодности к эксплуатации предлагаемой подвески и оценки технических требований к ней разработана математическая модель, произведены расчеты с разными параметрами и проанализированы результаты.
Математическая модель. Для расчета геометрических и механических характеристик контактной подвески и качества токосъема разработана математическая модель. Контактный провод и несущий трос представлены как гибкие нити дифференциальными уравнениями [2, уравнение (3)], приведенными в описании математической модели простой контактной подвески с поршневыми точками подвеса. Поля перемещений контактного провода по осям х, у и г обозначены соответственно и, V и м? с индексами КП для контактного провода и НТ для несущего троса. Рычаги КП представлены как абсолютно твердые тела, струны описаны как пружины, работающие только на растяжение.
Движение рычагов контактного провода возможно в плоскостях, перпендикулярных оси пути и содержащих координаты его центра масс ур, гр, угол поворота фр в данной плоскости, шарнирного зажима задан координатами уш, гш (см. рисунок 2). Для каждого рычага и шарнирного зажима составляется система уравнений равновесия в виде суммы проекций сил по оси Y и Z, а для рычага также суммы моментов этих сил относительно центра масс (ЦМ). В сумму моментов входит также момент, равный произведению углового ускорения рычага на его момент инерции. Поскольку рычаги и шарниры одинаковые, то их массово-геометрические характеристики тоже одинаковы. Схема действия сил на рычаг и шарнирный зажим показана на рисунке 4.
В соответствии с рисунком 4 условие равновесия для рычага будет иметь вид:
-тр • г + Fair р + RКП_р + К_р = 0;
-т • Ур - тр • я + кКП_Р + Кш_р = 0;
-1р + М(ККПР) + м(Кшр) = 0,
где тр - масса рычага, кг;
1р - момент инерции рычага, кг • м
2.
03ВЕСТИЯ Транссиба
Ккп _р - реакция в точке соединения рычага и КП, Н;
Rш_р - реакция в точке соединения рычага и шарнирного зажима, Н;
g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2;
Fair_р - сила воздействия ветра на рычаг, Н;
М(Ккп_р) - момент относительно центра масс рычага от реакции соединения рычага и КП, Н • м;
М(Кш_р) - момент относительно центра масс рычага от реакции соединения рычага и шарнирного зажима, Н • м.
-г Л>
J очка крепления- ш. р
к шарнир ному зажиму
Рычаг
И^ир ml к*! рычага с координатами^; zp, <pv
Точка крепления рычага к КП
IIT с координатами
% г WHT Струна, с длиной /СТ[|
Шарннрньпт зажнм- ^ с координатами соединяет струну с рычагом
Рисунок 4 - Схема воздействия сил на рычаг (а) и шарнирный зажим (б)
Сила воздействия ветра на рычаг определяется по выражению
Fair _р = Ср 'Parr ' 4 ' VJ ' Sign (Var )(Уш " Уш ) ,
где Ср - аэродинамический коэффициент рычага, равный 1; Par r - плотность воздуха, кг/м3; dр - диаметр рычага, м; Vair - скорость ветра, м/с; sign - функция определения знака.
Для рычага, который крепится непосредственно к консоли (см. рисунок 3), в уравнение суммы моментов добавляется еще два слагаемых: рабочий момент Мраб, создаваемый рабочей угловой жесткостью Сраб, и момент ограничения Могр, который возникает, когда угол поворота рычага выходит за допустимые пределы.
Уравнение равновесия для шарнирного зажима, соединяющего рычаг и струну (см. рисунок 4), будет таким:
-^ш * '¿ш - К_р + К = 0; (2)
~тш ' Уш - тш ' g - К_р + R = 0,
где тш - масса шарнирного зажима, кг; Кс - реакция струны, Н.
Для рычага, который крепится непосредственно к консоли (см. рисунок 3), координаты шарнирного зажима ут, ¿ш заданы и не рассчитываются.
Реакция струны должна возникать только в случае, когда она работает на растяжение, поэтому она определяется по формулам:
R _ í(lc - lc0) ■ если (le - /о0) > 0; (3)
c [0, если (lo - Ico 0,
где lc - расчетная длина струны, м;
lc0 - заданная длина струны, м;
Cc - условный коэффициент жесткости струны, принимаемый равным 2 кН/мм.
Расчетная длина струны определяется через расчетные переменные:
lc _4(WHT - *ш )2 + (VHT - Уш )2 . (4)
Реакции в точках соединения рычага с шарниром и КП определяются по методу штрафа исходя из разности между координатой этих элементов и координатой точек рычага, которые крепятся непосредственно к шарниру, зажиму или КП. К примеру, выражение для реакции Rjcn_p (проекция на ось z реакции в точке соединения КП и рычага) будет такой:
RKП_р _ Скрепл ■ (WKn - *р_т. КП ) , (5)
где Скрепл - условный коэффициент жесткости крепления, принимаемый равным 2 кН/мм; т КП - координата по оси z точки крепления рычага к КП, м.
Координата каждой точки рычага, в том числе и точек крепления, определяется через координаты его центра масс и угол поворота т КП _f1(*р,ур,фр). Это означает, что сила Rj^
будет зависеть от координат рычага и КП, т. е. от расчетных переменных.
Аналогично будут находиться все остальные проекции реакций в точках соединения рычага с шарниром и КП. Таким образом, условия равновесия рычага с шарнирным зажимом замыкаются через расчетные переменные ур, *р, фр ут, zm, vra, Wn, vra, Это означает, что к обшей системе уравнений равновесия добавляется в местах крепления рычагов дополнительно пять степеней свободы: три для рычага и два для шарнирного зажима.
В точках крепления НТ к консоли заданы граничные условия Дирихле с заданными значениями его вертикальной и поперечной координаты. В точках соединения рычагов с КП задано граничное условие Неймана с величиной силы Rm^.
Математическая модель токоприемника в целом аналогична модели, приведенной в описании математической модели простой контактной подвески с поршневыми точками подвеса [2, табл. 2 и формула (10)]. Для уравнения полоза добавлены две силы, которые равны нулю, когда полоз находится в рабочей области, и резко возрастают, когда полоз переходит одну из границ. По сути это также метод штрафа, схожий с методом описания контакта КП и полоза [6, 7]. Как и для простой подвески с поршневыми точками подвеса, здесь конечно-элементная модель была построена в программном комплексе COMSOL Multiphysics.
Основные результаты моделирования. Расположение подвески вдоль оси пути и реализация вертикального зигзага КП представлены на рисунке 5, который является результатом численного расчета описанной выше математической модели. Аналитическое решение системы уравнений на современном этапе развития вычислительных систем не представляется целесообразным, так как численные методы позволяют получить приемлемую точность вычислений.
Для результатов, показанных на рисунке 5, были приняты следующие условия: длина пролета - 60 м, вертикальный зигзаг реализуется за два пролета, гололед, боковой ветер и нажатие токоприемника отсутствуют, высота рычага Нр = 1,0 м и длина бокового изгиба Sp = 0,4 м, КП марки МФ-100 имеет натяжением 10 кН, а НТ марки М-120 - 18 кН.
3
И
Координата вдоль оси плти, м
Рисунок 5 - Расположение подвески вдоль оси пути и реализация вертикального зигзага КП
На рисунке 6 показано расположение проводов подвески НТ и КП в плане пути при боковом ветре от оси пути 20 м/с, остальные параметры соответствуют случаю, рассмотренному на рисунке 5. Сплошные линии - случай без ограничения угла поворота рычагов у опор, пунктирная линия - случай с ограничением угла поворота рычагов у опор 0,305 рад от оси пути и 0,0 рад к оси пути.
.КП без ограничения поворота рычагов
"А
КП с ограничением поворота рычагов
о И
X
НТ с ограничением НТ без ограничения поворота рычагов поворота рычагов
Граница рабочей области
50
100 150 200
Координата вдоль оси пут, м
250
Рисунок 6 - Расположение проводов подвески в плане пути при боковом ветре от оси пути 20 м/с
Звездочкой на рисунке 6 показано предельное положение полоза токоприемника. Если угол поворота рычагов не ограничен, то при рассматриваемой скорости ветра полоз не достает
КП. При заданных ограничениях угла поворота нажатие полоза составляет 70 Н. Данный расчет произведен в статическом режиме.
Рассмотрим влияние скорости ветра поперек оси пути на качество токосъема. Скорость движения ЭПС задана 100 км/ч, параметры контактной подвески приняты такими же, как и для результатов, представленных на рисунке 5, за исключением добавления элемента угловой жесткости в рычагах у опор, величина которой составляет 400 Н • м/рад. На рисунке 7 приведен мгновенный результат расчета взаимодействия токоприемника с рассматриваемой контактной подвеской. Ветер направлен от оси пути в направлении координатной оси 2.
КП
Полоз токоприемника
Контактное нажатие
крепящегося к консоли
I 1 1 \ 1 I
' ' , \ I
Рычаг
Л '
Дж/м
1 кий*
1 *Ю~3 20
16
1 1
14
*
10
£ 6
■ 4
7 """
о
-5
Г
Рисунок 7 - Графический результат моделирования динамики взаимодействия токоприемника и контактной подвески в момент времени 4.51 с от начала расчета, скорость ветра поперек оси пути 20 м/с
Утолщенной монохромной линией на рисунке 7 снизу изображен КП, сверху - НТ. Яркость линии означает величину погонной кинетической энергии колебаний проводов в джоулях на метр, цветовая шкала находится справа. Такой подход позволяет наглядно представить процесс интерференции механических волн в контактной подвеске. Черная утолщенная вертикальная линия примерно по центру снизу рисунка представляет собой полоз токоприемника. Стрелка от него в точке касания КП - это сила контактного нажатия. Тонкие изогнутые серые линии представляют собой рычаги. Силы реакции рычагов в точках крепления к струнам или к консоли (у рычагов рядом с опорами) также обозначены стрелками. У рычагов, закрепленных к консоли, которые имеют ограничение углов поворота и угловую рабочую жесткость при повороте, реакции, как правило, больше по величине и при ветре расположены более горизонтально по сравнению с реакциями рычагов, которые крепятся к струнам и далее к НТ.
Из рисунка 7 видно, что интенсивность волн в КП существенно больше, чем в НТ. Рычаги за счет своей инерции передают колебания на НТ хуже, чем гибкие струны в обычной существующей контактной подвеске с верхним токосъемом.
На рисунках 8 - 10 показаны соответственно график величины контактного нажатия токоприемника вдоль оси пути, спектральная плотность данной функции и гистограмма распределения контактного нажатия как случайной величины при разной скорости ветра.
№22220) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 37
200
-10,0 м/с; -5,0 м/с; 10,0 м/с; 17,0 м/с
с X.
Координата вдоль пути, м
Рисунок 8 - График функции контактного нажатия токоприемника от координаты полоза при разной скорости ветра поперек оси пути (опоры расположены в координатах 60, 120, 180 и 240 м, рычаги - во всех координатах
с рисками на оси абсцисс)
- -10,0 м/с;
- -5,0 м/с;
- 10,0 м/с;
- 17,0 м/с
Частота. Гц
Рисунок 9 - Спектральная плотность функции контактного нажатия токоприемника при разной скорости ветра поперек оси пути (ось абсцисс имеет логарифмическую шкалу)
§
0
:::
1 |
-
0.040 0015 0.030 0025 0.020 0.015
¿3 0.0 ю
{►.005 0000
- -10,0 м/с;
- -5,0 м/с;
- 10,0 м/с;
- 17,0 м/с
0
20
40
яо
100
3=
X
12И.
140
1О0
180
200
Контактное нижзтнс. II
Рисунок 10 - Гистограмма распределения контактного нажатия токоприемника как случайной величины
при разной скорости ветра поперек оси пути
Из анализа графиков на рисунке 8 следует, что функции нажатия токоприемников вдоль оси пути при скорости ветра 5 и 15 м/с получаются близкими. При скорости ветра минус 20 м/с (т. е. 20 м/с к оси пути) график расположен выше. При скорости ветра 15 м/с в отдельных точках рычагов у опор появляются кратковременные отрывы. При скорости ветра 20 м/с эти отрывы появляются у каждой опоры и становятся продолжительными до 10 м вдоль пути, нажатие токоприемника становится очень нестабильным.
Аналогичную ситуацию можно заметить и на графике спектральной плотности (рисунок 9). Начиная со скорости ветра 15 м/с амплитуда динамической составляющей контактного нажатия на отдельных частотах начинает резко возрастать, при ветре 20 м/с величина отдельных пиков на низких частотах достигает десятков единиц.
Из анализа гистограммы распределения (рисунок 10) следует, что с ростом скорости ветра в направлении от оси пути график становится более «размытым», т. е. увеличивается среднеквадратичное отклонение случайной величины. При ветре 20 м/с по внешнему виду диаграммы распределение становится больше похожим на экспоненциальное, чем на нормальное распределение. Наибольшая плотность случайной величины при этом попадает в область малых нажатий. Все эти признаки означают, что при скорости ветра 20 м/с, а возможно и при 15 м/с тоже, контактное нажатие токоприемника неудовлетворительное.
Как и при расчете простой подвески [2] с поршневыми точками подвеса, за критерии качества токосъема приняты следующие общепринятые [5, 8 - 10] параметры:
- коэффициент ковариации контактного нажатия (отношение среднеквадратичного значения к математическому ожиданию) с допустимым значением не более 0,3;
- удельный процент искрения с допустимым значением 0,2.
Графики зависимостей этих параметров от скорости ветра поперек оси пути при рассматриваемых условиях показаны на рисунках 11 и 12.
I
- 0.5
0.4
<13
з й2
0.1
& 0,0
/
значение .Расчетное значение
/ ^, 1 ■ 1
-20 5 -1 0 5 { '.и 15 I
Рисунок 11 - Зависимость коэффициента ковариации контактного нажатия от скорости ветра поперек оси пути
Из анализа рисунков 11 и 12 видно, что для обеспечения качественного токосъема допустимая скорость ветра в данном случае не должна превышать 13 - 14 м/с. Более ограничивающим фактором является удельный процент искрений, но и коэффициент ковариации контактного нажатия при скорости ветра 17 м/с выше допустимого.
Кроме этого скорость ветра поперек оси пути влияет и на величину среднего контактного нажатия (рисунок 13). Системы подвижных рам и привод токоприемника позволяют стабилизировать среднее значение контактного нажатия на заданном значении при скоростях поперечного ветра от минус 10 до 17 м/с. В этом случае полоз токоприемника находится в рабочем диапазоне. Если скорость ветра будет больше или меньше этих значений, то полоз упирается
в границу рабочего диапазона ближе или дальше от оси пути. Если эта граница ближе к оси пути, то среднее нажатие может быть больше номинального, если эта граница дальше от оси пути - среднее нажатие может быть меньше номинального, аб
0.5
04
%
0.3
I 0.2
0.1
0.0
-20
^Допустимое значение
^Расчетное значение
-15
-10
-«5
О
10
15
20
Скорость В |
Рисунок 12 - Зависимость удельного процента искрения от скорости ветра поперек оси пути
140
з: |
120
и 100
N11
% М
и
40
\ \
0 -1 5 || 5 { , ^ |, г с : а 25
| ■ ;■ Й4 !]'■! М (
Рисунок 13 - Зависимость среднего контактного нажатия токоприемника от величины скорости ветра поперек оси пути
Таким образом, можно сделать вывод о том, что данная цепная подвеска так же, как и простая с поршневыми точками подвеса, весьма чувствительна к скорости ветра поперек оси пути, что является общей особенностью всех контактных подвесок с боковым токосъемом.
С целью оценки влияния различных параметров самой подвески и их оптимальных значений, а также ограничивающих факторов окружающей среды на качество токосъема были произведены серии расчетов. В частности, длина пролета изменялась от 60 до 30 м с шагом 10 м; натяжение КП - из ряда 10, 11,5, 14, 16 кН (соответствует маркам МФ-100, Бр1Ф-100, Бр2Ф-100, Бр3Ф-100); расстояние между рычагами - от 6 до 30 м; угловая жесткость элементов рычагов, прикрепленных к консолям, - от 50 до 800 Н • м/рад; скорость ветра - 15 (основной вариант), 20, 25 м/с; скорость ЭПС - 80, 100 (основной вариант), 120 и
140 км/ч. Дополнительно для пролета 40 м с натяжением КП 10 кН определено влияние на качество токосъема гололеда с расчетной толщиной стенки 5, 10, 15 и 20 мм. Всего было произведено более 240 расчетов.
В качестве примера на рисунке 14 приведен результат исследования влияния угловой жесткости элементов рычага Сраб, который крепится непосредственно к консоли, на показатели качества токосъема. Из данного рисунка видно, что оптимальное значение данного параметра для большинства длин пролетов составляет около 300 Н • м/рад. _ аь
я
о
£ °-5 О
Е
ЕЛ
аз
а:
ь
В (1.1
■2 ао
- 30 м;
- 40 м;
- 50 м;
- 60 м;
- допустимое
5Ю 400 600 ЯРО 1000 1200
У|. 101ыя Личчь^ч II. ркйш а. И м рад
14<Ю
1<Ю0
- 30 м;
- 40 м;
- 50 м;
- 60 м; допустимое
\ : IОВДЯ ЖС СТК1Ч1Ъ ры 1.1] а. Ц М ¡>.1. 1
Рисунок 14 - Графики зависимости показателей качества токосъема от величины рабочей угловой жесткости рычага, который непосредственно крепится к консоли, при различной длине пролета
Расстояние между рычагами в большинстве случаев значительного влияния на качество токосъема не оказывает, так как однозначного тренда с точки зрения показателей качества не наблюдается.
Предложенный вариант конструкции цепной компенсированной контактной подвески с рычагами и боковым токосъемом для ТСТЭ был исследован с помощью разработанной математической модели в статике и динамике с учетом взаимодействия с токоприемником. Математическая модель реализована на основе дифференциальных уравнений в частных производных и обыкновенных дифференциальных уравнений, решаемых численными методами. На
основе анализа результатов моделирования доказана принципиальная работоспособность предложенной конструкции, оценено влияние параметров подвески, скорости движения ЭПС и климатических факторов на качество токосъема. Установлено, что рассматриваемая контактная подвеска, как и остальные контактные подвески с боковым токосъемом, крайне чувствительна к боковому ветру. Во многих случаях именно это является ограничивающим фактором для ее применения.
Повышение натяжения КП и снижение длины пролета улучшают качество токосъема, но до определенного предела, зависящего от скорости ветра и скорости движения ЭПС. Так, скорость ветра 25 м/с является ограничивающим фактором даже при пролетах длиной 30 м, максимальном натяжении КП 16 кН и скорости движения ЭПС 80 км/ч. С учетом того, что ТСТЭ предназначена для участков с преимущественно грузовым движением, скорость движения ЭПС 100 км/ч может рассматриваться как основной вариант.
Если принять, что скорость ветра при токосъеме равна 75 % от расчетной скорости ветра, которая менее 20 км/ч встречается крайне редко, то для типовых климатический условий (расчетная скорость ветра 27 м/с), КП должен иметь натяжение не менее 14 кН (марки Бр2Ф-100 и Бр3Ф-100) и длины пролетов возможны не более 40 м. Для районов с расчетной скоростью ветра более 30 м/с данная подвеска не применима. В качестве организационных мероприятий, если это позволяет график движения поездов, можно рекомендовать на время усиления ветра ограничение максимальной скорости движения на данных участках до 80 км/ч.
Список литературы
1. Аржанников, Б. А. Трехфазная система электрической тяги переменного тока : монография / Б. А. Аржанников. - Екатеринбург : Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2020. -142 с. - Текст : непосредственный.
2. Аржанников, Б. А. Выбор и обоснование основных конструктивных параметров контактной подвески для трехфазной системы тягового электроснабжения на прямом участке пути / Б. А. Аржанников, А.В. Паранин. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. -2021. - № 1 (68). - С. 61-69.
3. СП 224.1326000.2014. Тяговое электроснабжение железной дороги: утвержден приказом Минтранса России от 2 декабря 2014. № 330. - Москва : Министерство транспорта, 2014. - 83 с. - Текст : непосредственный.
4. Нормы проектирования контактной сети СТН ЦЭ 141-99. - Москва : Трансиздат, 2001. - 176 с. - Текст : непосредственный.
5. Кислинг, Ф. Контактные сети электрифицированных железных дорог. Проектирование. Расчет. Сооружение. Монтаж. Эксплуатация / Ф. Кислинг, Р. Пушман, А. Шмидер. - Москва : Сименс Россия, 2018. - 1176 с. - Текст : непосредственный.
6. Sanchez-Rebolloa C., Carnicerob A., Jimenez-Octaviob J.R. CANDY statement of methods. Vehicle System Dynamics, 2015, vol. 53, no. 3, pp. 392-401, http://dx.doi.org/10.1080/ 00423114.2014.982135.
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. ГОСТ 32793-2014. Токосъем токоприемником железнодорожного электроподвижного состава. Номенклатура показателей качества и методы их определения. - Москва : Стандарт-информ, 2014. - 21 с. - Текст : непосредственный.
9. EN 50367:2006. Railway applications. Current collection systems. Technical criteria for the interaction between pantograph and over-head line (to achieve free access). London, BSI Standards Publication, 2006, 78 p.
10. Смердин, А. Н. Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения : специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Смердин Александр Николаевич; Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2018. - 600 с. - Текст : непосредственный.
References
1. Arzhannikov B.A. Trekhfaznaya sistema elektricheskoj tyagiperemennogo toka [Three-phase system of electric traction of alternating current]. Monograph. Yekaterinburg. UrGUPS, 2020, 142 p.
2. Arzhannikov B.A., Paranin A.V. Selection and justification of the main design parameters of the contact suspension for a three-phase traction power supply system on a straight section of the track. Transport of the Urals, 2021. no. 1 (68), pp. 61-69 (In Russian)
3. National set of rules SP 224.1326000.2014. Traction power supply of the railway. Moscow, Ministry of Transport, 2014. 83 p. (In Russian)
4. National normative document STN CE 141-99. Contact network design standards. Moscow. Transizdat, 2001, 176 p. (In Russian)
5. Kisling F., Pushman R., Schmider A. Kontaktnye seti elektrificirovannyh zheleznyh dorog. Proektirovanie. Raschet. Sooruzhenie. Montazh. Ekspluataciya. [Contact networks of electrified railways. Design. Payment. Construction. Mounting. Exploitation]. Moscow, Siemens Russia, 2018, 1176 p. (In Russian)
6. Sanchez-Rebolloa C., Carnicerob A., Jimenez-Octaviob J.R. CANDY statement of methods. Vehicle System Dynamics, 2015, vol. 53, no. 3, pp. 392-401, http://dx.doi.org/10.1080/ 00423114.2014.982135.
7. Grigoriev B. S., Golovin O. A., Viktorov E. D., Kudryashov E. V. Mathematical modeling of the mechanical interaction of current collectors and contact suspension for high-speed electrified railways. Science and education. 2012. no. 4 (159), pp. 155-162. (In Russian)
8. National Standard 32793-2014. Current collection by a current collector of a railway electric rolling stock. Nomenclature of quality indicators and methods for their determination, National Standart 32793-2014). Moscow, Standardinform Publ., 2014. 21 p. (In Russian)
9. EN 50367:2006. Railway applications. Current collection systems. Technical criteria for the interaction between pantograph and over-head line (to achieve free access). London, BSI Standards Publication, 2006, 78 p.
10. Smerdin A.N. Sovershenstvovanie sistemy tokos"ema magistral'nyh elektricheskih zheleznyh dorog v usloviyah vysokoskorostnogo i tyazhelovesnogo dvizheniya (Improvement of the tokos system of the main electric railways in the conditions of high-speed and heavy traffic). Doctor's thesis, Omsk, OSTU, 2018, 600 p. (In Russian)
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Аржанников Борис Алексеевич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС. Тел.: +7 (343) 221-24-78. E-mail: BArzhannikov@usurt.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Arzhannikov Boris Alekseevich
Ural State University of Railway Transport (USURT).
66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Transport Power Supply», USURT. Phone: +7 (343) 221-24-78. E-mail: BArzhannikov@usurt.ru
Паранин Александр Викторович
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.: +7 (343) 221-24-78.
E-mail: alks84@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Аржанников, Б. А. Расчет параметров и оценка возможности использования цепной компенсированной контактной подвески с рычагами для трехфазной системы тягового электроснабжения / Б. А. Аржанников, А. В. Паранин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 2 (50). - С. 30 - 44.
Paranin Alexander Viktorovich
Ural State University of Railway Transport (USURT).
66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department « Transport Power Supply », USURT.
Phone: +7 (343) 221-24-78.
E-mail: alks84@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Arzhannikov B.A., Paranin A.V. Calculation of parameters and evaluation of the possibility of using chain compensated contact suspension with lever for a three-phase traction power supply system. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 2 (50), pp. 30-44 (In Russian).
УДК 621.336.2
В. М. Павлов, А. И. Слатин, Д. А. Петин
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНОГО УСТРОЙСТВА СБОРА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Аннотация. В ходе эксплуатации токоприемников электроподвижного состава происходят процессы, приводящие к снижению механических показателей токоведущих конструкций. Контроль параметров работы токоприемников и нагрузок, действующих на них, в настоящее время затруднен из-за того, что разность потенциалов его элементов и кузова электроподвижного состава соответствует рабочему напряжению в контактной сети. Применение различных способов разделения среды передачи данных и гальванической развязки питания датчиков сопряжено с некоторыми недостатками, главным из которых являются значительные габариты и масса устройств такого типа. В исследовательских целях разработаны и применяются автономные источники питания и накопители информации, не претендующие на внедрение в конструкцию серийных токоприемников. В статье описано устройство, предназначенное для решения множества задач диагностики, использующее принцип утилизации свободной энергии для питания датчиков, преобразователей и системы передачи данных на внешние носители. Проведены исследования энергетических показателей модулей отбора мощности механических колебаний деталей токоприемника. Определены основные параметры пьезоэлектрического модуля для энергообеспечения малогабаритного устройства сбора диагностической информации. Предлагаемый подход должен обеспечить автономность работы устройства при движении электроподвижного состава с поднятым токоприемником. При этом отсутствует зависимость количества вырабатываемой энергии от освещенности или скорости движения, свойственных другим альтернативным источникам питания. Представлены компоновочные решения для опытного образца устройства, на основе которых возможно создание конструкторской документации для организации производства установочной партии. Описаны роль устройства в системе функционирования управляемых токоприемников и изменение технологии их эксплуатации.
Ключевые слова: токоприемник, ток, ускорение, аккумулятор, пьезоэлемент, система диагностики.
