CC BY
54
Рис. 9. Результат работы ЭС «FC2» в промежуточной форме
Таким образом, в результате создания ДЭК «РС2» осуществлен переход на новую среду разработки и произведен краткий сравнительный анализ сред раз-
работки ЭС «РС1» [12] и ДЭК «РС2» [13] в аспекте решения поставленной задачи.
Статья поступила 01.10.2014 г.
Библиографический список
1. Осипов О.И., Усынин Ю.С. Техническая диагностика автоматизированных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1991. 160 с.
2. Дунаев М.П. Экспертные системы для наладки электропривода. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2004. 138 с.
3. Дунаев М.П. Многокритериальный логический метод диагностирования // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Спецвыпуск. С. 179-182.
4. Дунаев М.П., Ушаков К.Ю. Времявероятностный метод для диагностирования электрооборудования электровоза // Вестник ИрГТУ. 2012. № 10 (69). С. 224-232.
5. Мытник И.А. Новый метод поиска неисправностей для устройств плавного пуска // Вестник ИрГТУ. 2013. № 3. С. 107-111.
6. Мытник И.А. Разработка РТР-алгоритма для диагностирования электрооборудования // Вестник ИрГТУ. 2013. № 6. С. 166-169.
7. Мытник И.А. Модернизированный метод поиска неисправностей для устройств плавного пуска // Вестник ИрГТУ. 2013.
№ 4. С. 163-167.
8. Аршинский Л.В. Руководство по использованию «Гераклит 2.X». 2013.
9. Руководство по эксплуатации «Altivar 28 Telemecanique» [Электронный ресурс]. URL: www.schneider.com/drives
10. Руководство по эксплуатации «Danfoss FC-302» [Электронный ресурс]. URL: www.danfoss.ru/drives
11. Руководство по эксплуатации «Siemens SINAMICS G110» [Электронный ресурс]. URL: www.siemens.com/drives
12. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Экспертная система для наладки преобразователя частоты // Информационные и математические технологии в науке и управлении: тр. XVIII Всерос. конф. Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2013. Т. 3. С. 25-30.
13. Дунаев М.П., Дунаев А.М. Анализ логических алгоритмов методов технической диагностики // Информационные и математические технологии в науке и управлении: тр. XIX Всерос. конф. Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2014. Т. 3. С. 34-40.
УДК 629.1.066
РАСЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШТАНГОВОГО ТОКОПРИЕМНИКА С КОНТАКТНЫМ ПРОВОДОМ
© А.В. Николаев1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлен расчет статических и динамических характеристик, составлена компьютерная модель работы штангового токоприемника. Проведен анализ факторов, влияющих на взаимодействие токоприемника с контактным проводом.
Ил. 4. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: штанговый токоприемник; статическая характеристика; динамическая характеристика.
1Николаев Александр Викторович, аспирант, тел.: 89246034827, e-mail: [email protected] Nikolaev Alexander, Postgraduate, tel.: 89246034827, e-mail: [email protected]
CALCULATION OF TROLLEY POLE AND CONTACT WIRE INTERACTION A.V. Nikolaev
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents calculations of static and dynamic characteristics and develops a computer model of trolley pole operation. It analyzes the factors affecting the interaction between the trolley pole and the contact wire. 4 figures. 2 tables. 5 sources.
Key words: trolley pole; static characteristic; dynamic characteristic.
Введение
Взаимодействие токоприемника с контактной сетью представляет собой сложную для исследования задачу. Необходимость обеспечения безопасного движения требует детального анализа всех факторов, влияющих на этот процесс.
Эффективным методом исследования сложных объектов и систем является компьютерное моделирование, которое включает в себя математическое описание задачи, программирование и проведение вычислительного эксперимента.
Расчетная схема
Токоприемник - это тяговый электрический аппарат, предназначенный для создания электрического контакта электрооборудования подвижного состава с контактной сетью.
На троллейбусе применяется штанговые токоприемники в виде шарнирного многозвенника, обеспечивающие вертикальное перемещение контактной головки.
К токоприемникам предъявляются следующие основные требования:
- создание необходимого давления контактной части на провод;
- сохранение требуемой (приближающейся к постоянной) величины давления и устойчивого съема тока при различной высоте проводов, разной скорости движения, колебаниях контактного провода и подвижного состава, а также отклонениях оси подвижного состава от оси контактных проводов;
- надежное взаимодействие между головками токоприемников и контактной сетью, включая места под-
вески, пересечений, стрелок, изоляторов и других специальных частей, а также легкость, прочность и износостойкость, обеспечивающие бесперебойную и безопасную эксплуатацию подвижного состава.
Токоприемники должны быть рассчитаны на обеспечение надлежащего эффективного контакта с проводами верхней контактной сети при высоте подвески проводов от 4 до 6 м и отклонении оси троллейбуса от оси контактных проводов не менее 4 м в любую сторону.
При недостаточном давлении контактной части токоприемника на провод может возникнуть перегрев, оплавление и разрушение провода, уменьшение давления может привести к нарушению контакта и образованию электрической дуги в месте токосъема. Чрезмерное давление вызывает повышенный износ проводов и контактной части токоприемника, а иногда и поломку деталей токоприемника и специальных частей контактной сети [2].
Расчетная схема штангового токоприемника представляет собой двухмассовую модель с двумя степенями свободы (рис. 1).
Характеристики штангового токоприемника
Статическая характеристика. Постоянство контактного давления определяется статической и динамической характеристиками токоприемника.
Статическая характеристика представляет собой зависимость контактного давления Р1 от высоты h при неподвижном токоприемнике или при очень медленном изменении его положения, то есть Р1 = [(к).
Рис. 1. Расчетная схема штангового токоприемника
Кроме того, сила давления на контактные провода может быть выражена в зависимости от угла ф подъема токоприемника:
Pi —
При построении статической характеристики контактное давление обычно изменяется в диапазоне рабочих высот контактного провода в пределах ±10% от высоты подвеса контактного провода h. Оптимальное значение статической характеристики находят путем подбора натяжных пружин и соответствующих размеров плеч действующих сил. При построении кривых статических характеристик следует иметь в виду, что на них оказывают существенное влияние силы трения в шарнирах, а также вес отдельных элементов конструкции токоприемников.
При условии равновесия системы (см. рис. 1) можно представить следующее уравнение моментов относительно оси:
М — PiL cosy + P2L cos ф + P3l cos ф ± МТР, (1)
откуда
D _ М±Мтр-Рз1 cos Ф-Р21 cosy
M — , (2)
1 Lcostp v '
где M - момент, создаваемый силами P натяжения пружин; P1 - реакция контактного провода на контакт головки токоприемника (равная давлению контакта на провод); Р2 - вес контактной головки токоприемника; Р3 - вес штанги и штангодержателя; Р4 - условная сила (приведенная к весу контактной головки), возникающая в результате трения в шарнирах; МТР - момент трения, создаваемый силами трения в шарнирах; L - расстояние от оси вращения штанги до центра контактной головки; I - расстояние от центра тяжести штанги и ее держателя до оси вращения штанги; ф -угол подъема штанги.
Момент трения МТР характеризует совершенство конструкции токоприемника: конструкция тем лучше, чем меньше момент трения, создаваемый силами трения в шарнирах, МТР. Допускают МТР — ±10 Н/м.
Уравнение (2) позволяет определить значения Р1 при различных величинах угла ф подъема штанги при условии предварительного определения моментов М и МТР, создаваемых пружинами и силами трения в шарнирах [3].
Динамическая характеристика. Динамическая характеристика учитывает силы инерции движущихся частей токоприемников, возникающих при резком изменении высоты провода. Она выражается кривой изменения приведенной к контактной части токоприемника массы движущихся частей в функции высоты подъема места контакта mT(h).
При движении подвижного состава сила нажатия контактной части токоприемника складывается из сил статического нажатия и инерции токоприемника:
РдШ —Pi± mTa, (3)
где тТ - приведенная к контактной головке масса движущихся частей токоприемника; a - вертикальное ускорение приведенной массы токоприемника.
Приведенной называют массу, которая, будучи сосредоточенной в точке касания полоза токоприемника с контактным проводом, вызывает такое же воздействие на контактную сеть, как и весь рассматрива-
емый токоприемник. Для снижения Рдин необходимо уменьшать тт. В современных конструкциях материалов это достигается использованием легких конструкционных материалов. Приведенная масса токоприемников - величина переменная, зависящая от высоты расположения полоза. Для современных троллейбусных токоприемников тт = 20:25 кг [4].
Вертикальное ускорение а полоза токоприемника зависит от стрелы провеса контактного провода.
Если контактный провод считать абсолютно гибкой нитью с равномерно распределенной нагрузкой qк на единицу длины пролета, то стрела провеса выразится дифференциальным уравнением
dy —
qKxdx
y = J0,
■х qKxdx
, у
2Н
(4)
Н " ■'Он
где - вес единицы длины контактного провода; 1пр -длина пролета; Н - натяжение контактного провода.
Уравнение (4) определяет провесы контактного провода в пролете простой контактной подвески в функции х и Н . Максимальная стрела прогиба / = Умакс соответствует [5]
_ ^пр с _ Чк^пр
X — ~~, I —
П ' i
,, (5)
2 ' вн 4 '
Таким образом, вертикальное ускорение приведенной массы токоприемника
, а2н а = V2 —г,
йх2'
где к - высота подвеса контактного провода.
— +v2f-
Í2n\ Í2nx\
I — ) cosí-).
Упр/ \ Япр /
, , (6)
? \1 I V / ' v '
2 vnp/ \ li
Зная статическую характеристику токоприемника, его приведенную массу и стрелу провеса контактного провода, можно для каждой скорости движения определить нажатие полоза токоприемника на контактный провод:
(7)
где v - скорость движения подвижного состава. Компьютерное моделирование
Ниже приводится программа моделирования взаимодействия токоприемника и контактной подвески в пакете Microsoft Exel 2010.
Исходные данные программы моделирования: mT1 = 25; mT2 = 15 - приведенная масса токоприемника, кг;
Р2 = 2,2 - вес контактной головки токоприемника,
кг;
Р3 = 79 - вес штанги и штангодержателя, кг; МТР = 10 - момент трения в шарнирах, Н/м; L = 6400 - расстояние от оси вращения штанги до центра контактной головки, м;
1 = 1 - расстояние от центра тяжести штанги и ее держателя до оси вращения штанги, м; Ф = 0°: 30° - угол подъема штанги; qK = 0,007446 - вес единицы длины контактного провода, кН/м;
Н1 = 4; Н2 = 8 - натяжение контактного провода,
кН;
v = 25 - скорость движения подвижного состава, км/ч;
1пр = 30 - длина пролета контактного провода
простой подвески, м [1].
На первом этапе моделирования, согласно формуле (2), производится расчет статической характеристики токоприемника троллейбуса. Результаты расчета сведены в табл. 1. Момент М, создаваемый силами Р натяжения пружин, определяется опытным путем (рис. 2).
По расчетным данным построен график зависимо-
сти силы нажатия Рг от угла подъема ^ (рис. 3).
Для определения динамической характеристики токоприемника необходимо предварительно задать абсциссу х перемещения контактной головки и определить стрелу провеса контактного провода / из уравнения (4).
Расчет статической характеристики штангового токоприемника
Таблица 1
V, град. М, кг V, град. Pi -Мтр Р1+Мтр
0 170 0 14,40625 14,71875
5 169 0,0873 14,35035 14,66404
10 165 0,175 14,02245 14,3398
15 157 0,262 13,23621 13,55976
20 143 0,349 11,61088 11,94343
25 127 0,436 9,719388 10,06414
30 110 0,524 7,670552 8,031479
M, Н
0 0,1 0,2 0,3 0,4 ф
Рис. 2. Момент, создаваемый пружинами
Рис. 3. Статические характеристики штангового токоприемника (а - характеристика при поднятии токоприемника вверх; Ь - характеристика при опускании токоприемника вниз)
Расчет динамической характеристики штангового токоприемника
Таблица 2
X Pдин a Рдин b Рдин c Pдин d
0 5,125097838 7,100714917 7,594619187 8,582427727
5 15,00235915 13,0270717 12,53324984 11,54560612
10 16,8791727 14,90487405 14,41129938 13,42415006
15 16,87505365 14,90240261 14,40923986 13,42291434
20 6,685015651 8,655360784 9,147947067 10,13311963
25 4,800934031 6,768315754 7,260161185 8,243852047
30 4,809983852 6,773745647 7,264686096 8,246566994
P, Н
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0
10
20
30
40
x, м
Рис. 4. Динамические характеристики штангового токоприемника (а - характеристика при натяжении контактного провода 4 кН и приведенной массе токоприемника 25 кг; Ь - характеристика при натяжении контактного провода 4 кН и приведенной массе токоприемника 15 кг; с - характеристика при натяжении контактного провода 8 кН и приведенной массе токоприемника 25 кг; в - характеристика при натяжении контактного провода 8 кН и приведенной массе токоприемника 15 кг)
Подставляя данные в уравнение (7), произведем расчет для простой подвески с длиной пролета (пр = 30 м при натяжении контактного провода Н = 4 и 8 кН, приведенной массе токоприемника тТ = 25 и 15 кг и скорости движения подвижного состава V = 25 км/ч.
Стрела провеса контактного провода в зависимости от натяжения составит:
Л =
7,446»302
= 0,2094 м, /2 =
7,446»302
= 0,1047 м.
8*4000 8*8000
Расчет динамической характеристики штангового токоприемника приведен в табл. 2
По расчетным данным построен график зависимости силы нажатия Яин от ординаты перемещения кон-
тактной головки (рис. 4).
Заключение
Анализ расчетов статических и динамических характеристик показал, что минимальный разброс в нажатии токоприемника достигается при наименьшей стреле провеса и минимальной приведенной массе. Таким образом, для обеспечения удовлетворительного токосъема необходимо снизить приведенную массу токоприемника и уменьшить трение в его шарнирах, а также обеспечить минимальное провисание контактного провода.
Статья поступила 22.09.2014 г.
1. ГОСТ Р 41.36-2004 (Правила ЕЭК ООН № 36). Единообразные предписания, касающиеся сертификации пассажирских транспортных средств большой вместимости в отношении общей конструкции. Утв. Постановл. Госстандарта РФ от 9 марта 2004 г. № 125-ст. // Гарант: информационно-правовой портал [Электронный ресурс]. URL: http://base.garant.ru/190817
2. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет троллейбусов (электрическое оборудование): учеб. пособие для вузов.
Библиографический список
Ч. 1. М.: Высш. шк., 1981. 293 с.
3. Ефремов И.С. Троллейбусы (теория, конструкция и расчет): учеб. пособие для вузов. 3-е изд., испр. и доп. М. Высш. шк., 1969. 488 с.
4. Ефремов И.С., Кобозев В.М., Шевченко В.В. Технические средства городского электрического транспорта: учеб. пособие для студентов. М.: Высш. шк., 1985. 448 с.
5. Марквардт К.Г. Контактная сеть: учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1994. 335 с.
