Регулирование аэродинамической подъемной силы токоприемника в процессе его взаимодействия с контактной подвеской Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Подвижной состав и ш ниш пщин ^^^^

УДК 621.336

А. Е. Чепурко

РЕГУЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ТОКОПРИЕМНИКА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКОЙ

В статье приведен алгоритм нахождения рациональной аэродинамической подъемной силы токоприемника. Построены зависимости необходимого уровня компенсации от рабочей высоты. Предложено аэродинамическое устройство в виде плоского экрана, позволяющее получить заданные аэродинамические подъемные силы.

При движении электроподвижного состава с высокими скоростями движения или ветре его токоприемник подвергается воздействию потоков воздуха. Вследствие этого создается аэродинамическая сила, которую обычно представляют горизонтальной и вертикальной составляющими. Первую принято называть лобовым сопротивлением, а вторую - подъемной силой [1]. Эти силы представляются зависимостями от скорости движения, которые называются характеристиками аэродинамического лобового сопротивления и аэродинамической подъемной силы.

Аэродинамическое лобовое сопротивление создает сопротивление движению и влияет на расход электрической энергии на тягу поезда, а подъемная сила изменяет контактное нажатие, что влияет на качество токосъема.

Для обеспечения качественного токосъема аэродинамическая характеристика должна бать такой, при которой обеспечивается минимальный износ контактирующих элементов (контактных вставок токоприемников и контактных проводов) [2]. Эту характеристику назовем рациональной. Ее можно получить при использовании дополнительных устройств, выполняемых в виде экранов, крыльев и др. [3, 4].

В качестве дополнительного аэродинамического устройства предлагается использовать

авторегулируемый экран, изображенный на рисунке 1.

Аэродинамический экран шар-нирно закреплен на верхнем валу верхней штанги и через управляющий стержень шарнирно соединен с хомутом, охватывающим нижнюю штангу.

Геометрические размеры экрана принимаются исходя из необходимого уровня компенсации аэродинамической силы, который определяется рациональной аэродинамической характеристикой токоприемника.

Алгоритм определения рациональной аэродинамической подъемной силы, которую должен создавать экран при заданной скорости воздушного потока, показан на рисунке 2.

Рисунок 1 - Крепление аэродинамического устройства на верхнем валу: 1 - аэродинамический экран; 2 - управляющий стержень; 3, 4 - верхняя и нижняя штанги

Начало

Ввод исходных данных и границ допустимого диапазона

Определение экстремумов контактного нажатия при Рш = 0

/=1,2, 3, ..., п

Расчет />кт шах и РКт тт при Рш = 107; Н

Вывод значений Ркг та» РкГ тт И РвТ

Эксплуатация невозможна в заданных условиях

Конец

Рисунок 2 - Алгоритм определения рациональной аэродинамической подъемной силы

В блоке ввода исходных данных и границ допустимого диапазона контактного нажатия вводятся параметры контактной подвески и токоприемника. Диапазон, за пределы которого контактное нажатие не должно выходить, задается в этом же блоке. В работе [3] отмечено, что контактное нажатие необходимо ограничить величиной, которая не будет превышать статическое нажатие более чем в 1,8 раза. В источнике [5] предлагается принять максимально допустимым контактное нажатие в 300 Н, а минимально допустимым - в 40 Н. Согласно европейским нормам контактное нажатие не должно превышать 380 Н на линиях постоянного тока 3 кВ и 250 Н на линиях переменного тока 27,5 кВ при скорости движения в 250 км/ч.

Получить рациональную аэродинамическую силу при конкретной скорости движения

4(12)

№ 2012

можно на основании расчета взаимодействия токосъемных устройств [6]. Расчет проводим по методу, приведенному в источнике [3]. Данный метод позволяет задать исходные данные таким образом, что аэродинамическая подъемная сила будет полностью скомпенсированной.

Затем, согласно алгоритму, следует цикл. В алгоритме, представленном на рисунке 2, дискретизация подъемной силы составляет 10 Н, но при необходимости ее можно уменьшить. Число циклов ограничено значением n, которое является целым числом, и для алгоритма, изображенного на рисунке 2, принимается равным 30. Заканчивается цикл блоком условия, который повторяется и после завершения цикла. Это вызвано необходимостью вывести информацию о невозможности решения, когда при любых значениях аэродинамической подъемной силы контактное нажатие выходит за границы допустимого диапазона. В итоге получается наименьшее значение аэродинамической подъемной силы, при котором контактное нажатие будет оставаться в заданном диапазоне. Число n выбирают с учетом максимально допустимой величины контактного нажатия. Дополнительный блок-условие необходим для того, чтобы в случае невозможности эксплуатации токоприемника при заданных условиях эта информация появилась на устройстве вывода.

Данный алгоритм повторяют для конкретной скорости и на основании полученных результатов строят рациональную аэродинамическую характеристику токоприемника.

Расчет аэродинамического устройства в виде экрана выполним для асимметричного токоприемника Siemens SSS 87-RZD. Для этого используем программный комплекс COS-MOSFloWorks [7]. Скорость движения изменяем от 33,3 до 69,4 м/с, рабочая высота токоприемника - 1,5 м. В данном программном комплексе рассчитываются также реальная и рациональная аэродинамические характеристики. Экстремумы контактного нажатия определяются согласно рекомендациям работ [3, 8]. Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника электроподвижного состава устанавливается по алгоритму, приведенному на рисунке 2. Разность между рациональной и реальной аэродинамическими характеристиками будет характеристикой аэродинамического устройства (экрана). Результаты расчета при движении токоприемника шарнирным соединением штанг назад приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчета контактного нажатия и аэродинамических сил при движении шарнирным соединением штанг токоприемника назад

Силы, Н Скорость v, м/с

33,30 38,80 44,40 50,00 55,50 61,10 66,70 69,40

РКТ max 143,00 145,00 148,00 156,00 188,00 204,00 229,00 250,00

РКТ min 74,00 72,00 70,00 65,00 41,00 28,00 50,00 -19,00

РВТ 19,00 25,00 32,00 40,00 49,00 59,00 70,00 76,00

РВТ рац 13,00 18,00 23,00 29,00 35,00 44,00 54,00 60,00

РВТ устр -6,00 -7,00 -9,00 -11,00 -14,00 -15,00 -16,00 -16,00

Результаты расчета при движении токоприемника шарнирным соединением штанг вперед представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета контактного нажатия и аэродинамических сил при движении шарнирным соединением штанг токоприемника вперед

Силы, Н Скорость v, м/с

33,30 38,80 44,40 50,00 55,50 61,10 66,70 69,40

РКТ max 143,00 145,00 148,00 156,00 188,00 204,00 229,00 250,00

РКТ min 74,00 72,00 70,00 65,00 41,00 28,00 5,00 -19,00

РВТ 13,00 15,00 19,00 24,00 29,00 37,00 46,00 51,00

РВТ рац 13,00 18,00 23,00 29,00 35,00 44,00 54,00 60,00

РВТ устр 0,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

Чтобы найти оптимальный угол атаки и геометрические размеры экрана, исследуем его обтекание воздушным потоком при помощи программного комплекса COSMOSFloWorks. По результатам расчетов разработан экран, показанный на рисунке 3.

175

а б

Рисунок 3 - Геометрические параметры используемого экрана

Аэродинамическая вертикальная сила, создаваемая экраном при движении токоприемника шарнирным соединением штанг назад и вперед при углах атаки в 10, 20 и 30°, приведена в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Аэродинамическая вертикальная сила, создаваемая экраном при движении токоприемника шарнирным соединением штанг назад

Силы, Н Скорость V, м/с

33,30 38,80 44,40 50,00 55,50 61,10 66,70 69,40

Рвт экр при а = -10о -1,70 -2,31 -3,02 -3,83 -4,72 -5,72 -6,82 -7,38

Рвт экр при а = -20о -4,50 -6,11 -8,00 -10,15 -12,51 -15,16 -18,06 -19,55

Рвт экр при а = -30о -5,34 -7,25 -9,49 -12,04 -14,84 -17,97 -21,42 -23,19

Таблица 4 - Аэродинамическая вертикальная сила, создаваемая экраном при движении токоприемника шарнирным соединением штанг вперед

Силы, Н Скорость V, м/с

33,30 38,80 44,40 50,00 55,50 61,10 66,70 69,40

Рвт экр при а = +10о Рвт экр при а = +20о Рвт экр при а = +30о 0,35 2,72 4,43 0,48 3,70 6,01 0,63 4,84 7,87 0,80 6,14 9,99 0,99 7,57 12,30 1,19 9,17 14,91 1,42 10,93 17,77 I,54 II,83 19,24

Данные в таблицах 1 - 4 показывают, что угол атаки экрана должен быть равен 20° при рабочей высоте в 1,5 м.

Аэродинамические характеристики до и после применения устройства при движении шарнирным соединением штанг токоприемника назад приведены на рисунке 4.

V -►

Рисунок 4 - Аэродинамические характеристики токоприемника при движении шарнирным соединением штанг назад: 1 - токоприемник без экрана, 2 - аэродинамический экран, 3 - токоприемник, снабженный экраном

Аэродинамические характеристики до и после применения устройства при движении шарнирным соединением штанг токоприемника вперед приведены на рисунке 5.

70.0 Н

50,0 40,0 30,0 ^ВТ 20,0 10,0 0,0

л

г

Л 1 /

/ / / > у т

/ Г 2

/ ^__*

30,0 35.0 40,0 45,0 50,0 55,0 60,0 м/с V -►

70.0

Рисунок 5 - Аэродинамические характеристики токоприемника при движении шарнирным соединением штанг вперед: 1 - токоприемник без экрана, 2 - аэродинамический экран, 3 - токоприемник, снабженный экраном

Необходимо учитывать и рабочую высоту токоприемника, при которой осуществляется токосъем. Зависимость угла атаки крыла и компенсирующей силы при максимальной скорости в 69,4 м/с от рабочей высоты токоприемника приведена в таблице 5.

Таблица 5 - Зависимость угла атаки крыла и компенсирующей силы от рабочей высоты токоприемника

Компенсирующая сила при движении Компенсирующая сила при движении

Рабочая Угол атаки шарнирным соединением штанг вперед шарнирным соединением штанг назад

высота получаемая при помощи экрана рациональная получаемая при помощи экрана рациональная

400 14,4 4,5 11,0 -10,3 -12,5

800 12,8 3,9 7,8 -8,9 -14,6

1000 14,5 4,5 6,5 -10,4 -15,8

1200 17,7 9,6 9,0 -15,6 -16,0

1500 23,9 13,1 13,7 -19,9 -18,5

1600 26,9 17,4 12,5 -22,3 -19,6

1800 33,2 20,6 11,0 -23,7 -12,5

1900 36,9 22,8 7,8 -25,8 -14,6

2100 44,4 25,1 13,5 -27,5 -19,6

Из данных таблицы 5 видно, что при рабочей высоте от 1200 до 1600 мм аэродинамическое устройство обеспечивает качественное регулирование аэродинамической подъемной силы токоприемника.

На рисунке 6 приведена зависимость угла атаки от рабочей высоты токоприемника при расстоянии от хомута до шунтовых соединений нижней штанги в 200, 210, 220 и 225 мм.

50,0 град 40,0 35,0 30р0 А 25,0 20,0 15,0

а ю,о

5,0 0,0 -5,0 -10,0 -15,0

4

3 /

1 2 1

/ !

/ / .

-1

, V-

400

600

800

1000

1200 Й -

1400 ->

1600 1800

2200

Рисунок 6 - Зависимость угла атаки от рабочей высоты токоприемника при расстоянии от хомута до шунтового соединения нижней штанги, мм: 1 - 200, 2 - 210, 3 - 220, 4 - 225

На рисунке 7 приведена зависимость необходимой компенсирующей силы экрана от рабочей высоты токоприемника (а - при движении шарнирным соединением штанг вперед, б -назад). Данные на рисунке 7 необходимо сопоставить с данными компенсирующей силы в таблицах 3, 4 и зависимостями угла от рабочей высоты в таблице 5.

На основании изложенного можно сделать выводы:

в процессе токосъема встречные потоки воздуха, воздействующие на токоприемник, изменяют контактное нажатие за счет создания аэродинамической подъемной силы;

величина аэродинамической силы должна быть такой, чтобы контактное нажатие не увеличивалось за счет аэродинамического воздействия более чем в 1,8 раза и не уменьшалось ниже величины в 40 Н, что можно обеспечивать при использовании аэродинамического экрана;

заданный уровень компенсации аэродинамических сил обеспечивает плоский экран с

3 2

площадью 122,5 10 м и изменяющимся углом атаки от 18 до 27°.

15,&

11,0

9.0

7.0

5.0

3.0

1.0

-1.0

-3,0

-5,0

У

2 1 \ >

3 \ 1

30

35

40

45

50

70

а б

Рисунок 7 - Зависимость необходимой компенсирующей силы экрана от рабочей высоты токоприемника, мм:

1 - 400; 2 - 800; 3 - 1200; 4 - 1500; 5 - 1800; 6 - 2100

4(12)

№ 2012

Список литературы

1. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010.- № 1. - С. 20 - 25.

2. Ступаков, С. А. Исследование изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта на основе математического моделирования [Текст] / С. А. Ступа-ков, Т. В. Охрименко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2012. - № 1. - С. 50 - 59.

3. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.

4. Михеев, В. П. Особенности узлов и характеристик перспективных токоприемников: Конспект лекций [Текст] / В. П. Михеев / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1991. - 67 с.

5. Беляев, И. А. Токоприемники электроподвижного состава [Текст] / И. А. Беляев. - М.: Транспорт, 1970. - 192 с.

6. Аркашев А. Е. Моделирование взаимодействия токоприемника и контактной подвески с учетом отрыва полоза от контактного провода [Текст] / А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011.- № 3. - С. 2 - 8.

7. Алямовский, А. А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский, Е. В. Одинцов, А. И. Харитонович. - СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.

8. Маслов, Г. П. Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника по условиям токосъема [Текст] / Г. П. Маслов, А. Е. Чепурко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3. - С. 34 - 40.

УДК 621.313

Ю. М. Бугай

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ БАНДАЖА КОЛЕСНОЙ ПАРЫ НА РАСХОД ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Ожидаемое увеличение объемов перевозок и увеличение интенсивности движения потребуют серьезного пересмотра технологической культуры ремонта и эксплуатации тягового подвижного состава. Потери электроэнергии в пусковом реостате электровоза составляют значительный процент от общего уровня расхода электроэнергии. Общий уровень потерь зависит также от массы, объема и толщины бандажа колесной пары.

На расход электроэнергии электровозами постоянного тока влияют многие факторы: вес поезда, план и профиль пути, мастерство локомотивных бригад и т. д. Более подробно рассмотрим влияние толщины бандажа колесной пары электровоза (электровозы серии ВЛ10У) на его энергопотребление при различных режимах работы.

Скорость движения электровоза определяется по формуле:

V = 0,1885 (1)

Ц

где 0,1885 - коэффициент;

Дк - диаметр колеса, зависящий от толщины бандажа, м;

ц - передаточное число зубчатой передачи;

п - частота вращения вала двигателя, об/мин.