CC BY
57
12. J. Koo, C. Kleinstreuer, A new thermal conductivity model for nanofluids J. Nanoparticle Res. 6, 577-588 (2004).
13. S.P. Jang, S.U.S. Choi, Role of Brownian motion in the enhanced thermal conductivity of nanofluids, Appl. Phys. Lett. 84, 4316-4318 (2004).
14. S.P. Jang, S.U.S. Choi, Effects of various parameters on nanoflu-id thermal conductivity, J. Heat Transfer 129, 617-623 (2007).
15. R. Prasher, P. Bhattacharya, P.E. Phelan, Thermal Conductivity of Nanoscale Colloidal Solutions (Nanofluids), Phys. Rev. Lett. 94, 025901 (2005).
16. R. Prasher, P. Bhattacharya, P.E. Phelan, Brownian-mot-ion-based convective-conductive model for the effective thermal conductivity of nanofluids J. Heat Transfer 128, 588 (2006).
17. Q.-Z. Xue, Model for effective thermal conductivity of nanofluids, Phys. Lett. A 307, 313-317 (2003).
18. J. Avsec, M. Oblak, The calculation of thermal conductivity, viscosity and thermodynamic properties for nanofluids on the basis of statistical nanomechanics, Int. J. Heat and Mass Transfer 50, 4331-4341 (2007).
19. L. Gao, X.F. Zhou, Differential effective medium theory for thermal conductvity in nanofluids, Phys. Lett. A 348, 355360 (2006).
20. J. Xu, B.-M. Yu, M.-J. Yun, Effect of clusters on thermal conductivity in nanofluids, Chin. Phys. Lett. 23, 2819-2822 (2006).
21. J. Xu, B. Yu, M. Zou, P. Xu, A new model for heat conduction of nanofluids based on fractal distributions of nanoparticles, J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 4486-4490 (2006).
22. B.-X. Wang, L.-P. Zhou, Z.-F. Peng, A fractal model for predicting the effective thermal conductivity of liquid with suspension of nanoparticles, Int. J. Heat and Mass Transfer 46, 2665-2672 (2003).
23. W. Evans, J. Fish, P. Keblinski, Role of Brownian motion hydrodynamics on nanofluid thermal conductivity, Appl. Phys. Lett. 88, 093116 (2006).
24. P. Keblinski, S.R. Phillpot, S.U.S. Choi, J.A. Eastman, Mechanisms of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids) Int. J. Heat and Mass Transfer 45, 855-863 (2002).
25. И.И. Новиков, Эффективность атомных электростанций. Атомная энергия, №3, 409 (1957).
26. F.L. Curzon, B.Ahlborn. Efficiency of a Carnot engine at maximum power output. Amer. Journ. Physics, 43, 22 - 24 (1975).
27. В.Н. Орлов, А.В. Руденко, Оптимальное управление в задачах о предельных возможностях необратимых термодинамических процессов. Автоматика и телемеханика, №5, 27 - 41 (1985).
28. С.Б. Линецкий, И.Е. Роднянский, А.М. Цирлин, Оптимальные циклы холодильных машин и тепловых насосов. Известия АН СССР. Серия Энергетика и транспорт, №6, 42 - 49 (1985).
Приведет експлуатацiйнi показни-ки контактних мереж залiзниць Украгни. Запропоноват принципи побудови новог системи проектування i експлуатацп кон-тактног мережi по стану, в основi яких лежать технологи ресурсозбереження i повна планово-запобiжна дiагностика пара-
метрiв струмозняття
□-□
Приведены эксплуатационные показатели контактных сетей железных дорог Украины. Предложены принципы построения новой системы проектирования и эксплуатации контактной сети по состоянию, в основе которых лежат технологии ресурсосбережения и полная планово-предупредительная диагностика параметров
токосъема
□-□
The operating indexes of contact trackages Ukraine are resulted. Principles of construction of the new system of planning and exploitation of contact network are offered on the state, which technologies of resource of economy| and complete preventive-maintenance diagnostics of parameters of current of outputl are underlaid
УДК 621.331.621.311.52
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ СИСТЕМА ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПО СОСТОЯНИЮ
И.В. Доманский
Аспирант
НТУ "Харьковский политехнический институт" ул. Фрунзе, 21, г. Харьков, Украина, 61002
Транспортная стратегия Украины предусматривает в перспективе продление европейских транспортных коридоров в восточном направлении и активное
участие в перевозках евроазиатского транзита в рамках требований и нормативов Евросоюза. В настоящее время на долю железных дорог в Украине приходится
80 % всех грузоперевозок против 8 % в Евросоюзе (планируется 15 % в 2020 г.) и 40 % в США и России, что говорит об особой роли железнодорожной отрасли и перспективах её развития. Длина электрифицированных железных дорог Украины за последние пятнадцать лет увеличилась на 1 488 км (в основном это участки транспортных коридоров) и составляет 9 752 км, а развернутая длина контактной сети достигла 27 076 км, в том числе на переменном токе 13 481 км. К сожалению, удельная повреждаемость контактной сети (КС) на 100 км развернутой длины в целом по сети железных дорог высока и лежит в пределах 0,65 - 0,75. Так в 2008 году повреждения на КС в 7,7 раза превышали количество повреждений на тяговых подстанциях железных дорог Украины. Длина электрифицированных линий, которые находятся в эксплуатации больше 40 лет за последние 10 лет увеличилась по дорогам в среднем в 20 раз, в том числе и на участках переменного тока. Так, на Донецкой железной дороге 73,2 % таких линий от общей протяженности эксплуатационной длины, на Приднепровской - 57,3 %, на Львовской - 56,2 %, на Юго-Западной - 46,5 %.
Анализ эксплуатационной работы хозяйства электроснабжения показывает взаимосвязь динамики изменения размеров движения поездов и как следствие удельного электропотребления на тягу поездов с удельной повреждаемостью КС, отнесенной к развернутой длине (рис. 1). Главные причины отказов в работе устройств контактной сети: низкое качество обслуживания, механические повреждения, обрывы, разрегулировка, пережоги проводов и тросов, перекрытие изоляции, старение и износ. Анализ повреждений свидетельствует, что значительная часть повреждений происходит вследствие несовершенства конструкции контактной сети по действующим проектам.
3,0
-с I S
И 2,5
:В о
н
^
и ^
8 2,0
т, -
а
1,5
о
0
я
1
0
* U0 в
1
й %
& 0,5 я
о =
0,0
Общее число повреждений
Общее число повреждений по вине хозяйства Э Общее число повреждений на переменном токе Среднегодовое удельное электропотребление
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Годы
Рис. 1. Распределение числа повреждений контактной сети на 100 км развернутой длины и среднегодового удельного электропотребления
Необходимость обеспечения безопасности перевозочного процесса и ресурсосбережения требуют применения новых технологий эксплуатации КС. Очевидно, наступила необходимость разработки новых технологий её регулировки в эксплуатации машинными способами, особенно при выполнении модернизации с заменой КС на третьем этапе жизненного цикла. Необходима разработка взаимосвязи всего комплекса моделей и методов эксплуатации, охватывающих весь жизненный цикл КС [1-5].
В последние годы начато обновление контактной сети по ранее действующим типовым проектам и разработка новой конструкции контактной сети переменного тока на скорости движения до 200 км/ч. Основные требования к современной конструкции контактной сети предусматривают: снижение эксплуатационных расходов; увеличение и сближение срока службы основных компонентов; повышение надежности работы; повышенное качество токосъема, исключение необходимости какой-либо сезонной регулировки.
Значительное отставание на Украинских железных дорогах от мирового уровня наблюдается в области конструктивных элементов КС и в первую очередь - по материалам и технологиям изготовления ее деталей (клемм, зажимов, поддерживающих и фиксирующих устройств), а удельная повреждаемость КС значительно выше (в 3 - 4 раза), чем на железных дорогах Западной Европы. Учитывая нерезервируемость КС, за рубежом осознанно идут на первоначальное удорожание её конструктивных элементов ради существенного повышения эксплуатационной надежности и резкого снижения их повреждаемости в эксплуатации. По экспертной оценке пределы экономической эффективности увеличение стоимости контактной сети для скоростей движения поездов до 160 км/ч составляет 50-60%. Увеличение стоимости экономически оправдано, если ее определять с включением затрат на обслуживание и ремонт на весь жизненный цикл [2,5].
В контактных подвесках, особенно при высоких скоростях движения, определяющими факторами являются выравнивание эластичности в пролетах, повышение удельных натяжений проводов (особенно для высокоскоростных магистралей). Как правило, последние требование реализуется в большинстве стран использованием легированных проводов (рис. 2). Легирование проводов снижает электропроводность и для значительных токовых нагрузок (тяжеловесное, высокоскоростное движение) требует увеличения сечения контактных подвесок и как результат их утяжеления. Представляет интерес, на наш взгляд, последние разработки в НИИ Неорганических материалов им. А.А. Боч-вара в области ядерной энергетики, в том числе по технологии сверхпроводниковых и нано-
350
300
250
200
150
100
50
0
Н х
И
о
5 X о
ч ю
и
6
о в о а
3
U
4 m и
0
1
-с -
U U
о я
о «
о -
и
В
«
и а О
композиционных материалов. Применение нанострук-турных контактных проводов и тросов с аномально высокими прочностью и электропроводностью - это новый скачек в развитии конструкций контактных подвесок. К сожалению ни ОАО "РЖД" ни Укрзализныця ни смогли оборудовать опытные участки скоростных линий с использованием контактных проводов нового поколения Си-Мэ со следующими свойствами: предел прочности 1100 - 1600 МПа; электропроводность 67-80 % IACS.
100 -
80 -
я
«
о и о а с
3
60 -
40 -
г я а
20 -
т
электротехническая медь
нанокомпозиционные проводники на основе сплава Си-ЫЬ
деформационно упрочненная медь
фосфорные бронзы
200
—I—
400
—I—
600
—I—
800
1000 1200 1400 1600
Временное сопротивление разрыву а в, МПа
Рис. 2. Сравнительный анализ свойств разработанных микрокомпозиционных Си^Ь проводов и традиционных электротехнических материалов
тель (через качество своей продукции), эксплуатирующая организация (через качество эксплуатационного процесса) и сервисная служба технического обслуживания (через качество выполняемых работ).
На рис. 3 дано сравнение требуемой и фактической схем контроля надежности, в которых предусмотрены совместные меры по обеспечению надежности КС, реализуемые изготовителем, эксплуатирующей дистанцией КС и сервисной службой технического обслуживания.
Знание фактической ситуации базируется на обратной связи, предоставляющей информацию о технической разработке, монтаже и вводе в эксплуатацию участка КС служб управления надежностью предприятия-изготовителя. В то же время для повышения эксплуатационной надежности новой КС изготовителю необходимы сведения об уже находящихся в эксплуатации опорах, поддерживающих конструкциях и подвесках КС. По истечении гарантийного срока изготовитель уже не получает такой информации, однако она должна фиксироваться отделом управления надежности сервисного предприятия, которое участвует в техническом обслуживании КС.
деформационно упрочненные '"сплавы меди и серебра нержавеющая сталь
-Г
-1-
1800
Затраты жизненного цикла (ЗЖЦ) - это суммарные расходы на КС в течение срока её службы от разработки и изготовления до списания и утилизации. В целом ЗЖЦ КС подразделяются на четыре блока затрат: инвестиции, эксплуатация, техническое обслуживание и утилизация. Раньше расходы на изготовление КС составляли большую часть затрат и дополнялись менее объемными затратами на эксплуатацию и техническое содержание. Сейчас произошли радикальные изменения. Несмотря на то что в процессе разработки и изготовления почти полностью определяются объемы остальных трех блоков, от изготовителя (если он одновременно не эксплуатирует КС) требуется оптимизация затрат. В наибольшей степени это касается эксплуатационных расходов, минимизация которых способствует повышению эффективности использования КС. На эксплуатационную надежность КС непосредственно влияют предприятие-изготови-
а) Требования безопасности
Модификации, отказы, аварии
Случайные отказы, износ
б) Требования безопасности
Монтаж и ввод в эксплуатацию КС
Модификации, отказы, аварии
Непрерывная ^ комплексная диагностика КС
Совместное управление надежностью и экономичностью сервисными компаниями
Ресурсосберегающие технологии эксплуатации и техническое обслуживание КС I----
Управление банком данных. Анализ процессов старения, разрегулировки, износов контактных подвесок и конструкций
Случайные отказы, износ, системные ошибки
Рис. 3. Схемы процесса управления надежностью и экономичностью КС а — фактическое; б — требуемое
0
0
В связи с этим требуемая схема предусматривает совместное управление надежностью изготовителем, эксплуатирующей ЭЧК и сервисной службой технического обслуживания.
В зависимости от специализации сервисного предприятия банки его статистических данных о состоянии компонентов КС могут содержать информацию разного вида. У компании-изготовителя фиксируются данные о технических характеристиках компонентов, параметры, определяющие срок службы и общую надежность, замечания по правильной организации технического обслуживания, модернизации или замены. Дистанции электроснабжения, эксплуатирующие КС, регистрирует информацию о видах отказов, их причинах и последствиях, фиксируют даты отказов и связанные с их устранением расходы с использованием ВИКС. Основные составные части банка данных контактных подвесок и поддерживающих конструкций включают: проектные данные; сведения об элементах и конструкциях контактных подвесок; эксплуатационные данные; информацию об отказах.
Обработку данных для исследования поведения компонентов КС в эксплуатации можно проводить с помощью разных методов анализа. В качестве примера можно назвать определение основных критериев качества токосъёма и состояние контактных подвесок. Целью анализа является, с одной стороны, усовершенствование конструкции контактных подвесок на основе полученных из опыта эксплуатации наиболее полных данных, а также повышение экономической эффективности
еще не стали одним из главных критериев в разработках контактных подвесок и их компонентов.
Первая возможность улучшения прозрачности информации и повышения её качества, позволяющего более эффективно использовать её для анализа, лежит в области кодирования главных компонентов и использования обратной связи в цепочке разработка - эксплуатация КС. Здесь может быть предпринята попытка общей классификации главных компонентов КС путем гармоничного объединения принципа FFS и метода классификации, основанного на исследовании статистики отказов (принцип SchaUFo)[5]. Кроме того, целесообразно для каждого конкретного проекта формировать отдельный каталог, в котором дается определение используемым компонентам и модулям. Это обеспечит в дальнейшем возможности контроля и анализа результатов, которые проводятся совместно изготовителем и заказчиком, причем устанавливаются такие важные параметры, как частота отказов или индивидуальные сроки службы элементов конструкции КС. Ещё одним способом улучшения качества данных может стать повышение требований эксплуатационной надежности в формулировках технических условий и сертификационной документации.
Для обеспечения комплексной оптимизации процессов разработки с учетом ЗЖЦ КС необходимо новое распределение ролей между изготовителями и эксплуатирующими сервисными компаниями. При этом главной целью является доверительная совместная работа при проектировании, производстве, сдаче в эксплуатацию,
КС в эксплуатации. С другой стороны, анализ необходим для минимизации возникающего при пользовании недостоверной информацией финансового риска изготовителей и сервисных предприятий, эксплуатирующих КС.
Проблема осложняется частичным совпадением кодов, и в итоге получается, что, например, четкий контроль состояния контактных подвесок в существующих системах возможен только при больших затратах. Однако как изготовители, так и эксплуатирующие предприятия избегают больших расходов, связанных с тщательной подготовкой, учетом и обработкой данных, которые могут быть использованы в качестве критерия при разработке оптимальных конструкций компонентов КС. В целом ЗЖЦ КС
I а 2
а я з
о « <и
Объект диагноза - контактная сеть и токоприемники ЭПС
Показания датчиков Результаты тестов
Запуск тестов
Каналы и система передачи данных
Команды по ремонту КС
Диагностические данные о состоянии КС от ВИКС, УСП КП, и др.
Экспертная
н «
и о
О О Й
ч <и И й ^
« « ё
о О о
« й *
Л о
« н
Команды по ремонту токоприемников
система
База знаний ЭС
Запрос диагностической информации! г
ЭС - 1 Оценка состояния КС
Команды управления дляЭС-1
Наблюдаемые критерии состояния КС
Диагностические данные о состоянии токоприемников от автоматизированных систем
Запрос
параметров
токоприемников
ЭС -2 Оценка состояния токоприемников
Наблюдаемые статич. и динамич. параметры токоприемников
Команды управления для ЭС-2
Пользователь ЭС - аналитики и диспетчера систем управления
к
Управляющие воздействия на компоненты КС
Управляющие воздействия на токоприемники ЭПС
Рис. 4. Обобщенная схема экспертной системы
техническом обслуживании КС во время гарантийного срока и в последующий период. Это сотрудничество должно реализоваться в форме интегрированного анализа данных, свободного доступа к информации о характеристиках и параметрах взаимодействия КС и токоприёмников, оптимизации технического обслуживания и ремонта по состоянию. После количественной оценки оптимизированных в эксплуатации ЗЖЦ КС их можно сопоставить с размером полученной экономии.
Выбор и реализацию ресурсосберегающих технологий эксплуатации электрифицированных линий с минимизацией ЗЖЦ КС можно реализовать используя экспертные системы (ЭС). Например, при эксплуатации контактных сетей каждый успешный случай минимизации затрат на восстановление определенных ее компонентов оператором оформляется в виде примера и вводится в базу ретроспективных знаний. Эта база является исходными данными для работы механизма синтеза эвристик, который и осуществляет их преобразование в форму продукций, сцепленных в дерево или хранимых в базе ЭС просто в виде совокупности. Такой процесс преобразования носит название индуктивного вывода. Обобщенная схема ЭС для реализации ресурсосберегающих технологий эксплуатации и ремонта КС с учетом состояния статических и динамических параметров токоприемников показана на рис. 4. Предложенные алгоритмы создания баз данных ЭС можно реализовать после модернизации систем управления устройствами тягового электроснабжения на базе интегрированных систем «Гранит-ж.д.-Микро» (Украина) или их аналогов.
В качестве обобщенного критерия для оптимизации характеристик и параметров контактных подвесок и токоприемников можно применять принцип минимума годовых приведенных расходов [1, 4, 6].
Э= К + С + С + к + с + с
возникновению повреждений (поджатий или пережогов). Он базируется на определении допускаемых минимальных и максимальных нажатий, случаи выхода за которые условно считаются отказами. Величина выхода за допускаемые значения (серьезность отказа) задается шкалой опасности с коэффициентами у и Vты . Тогда
Кн =
(2)
где п - количество рассматриваемых интервалов определенного нажатия в контакте; п - количество случаев данного нажатия на 1-м интервале; V - количество рассматриваемых разрядов контактного нажатия.
Весовой коэффициент экономичности Кэ, характеризующий потерю контактирующих материалов, приведенную к 1 км подвески и пробегу 1 000 токоприемников, км:
1000
кэ =-£ № ,
г» ^
(3)
т.
т
(1)
где ji (Ркт, 1э) - интенсивность износа (в функции нажатия и тока) на 1-м интервале.
Определение коэффициента Кн и Кэ связано с необходимостью иметь кривые контактного нажатия, которые являются универсальными и объективными оценками процесса токосъема.
Определение коэффициента экономичности для пролета компенсированной подвески (с неизменными в течение года стрелами провеса) возможно, если имеются в качестве исходных данных нанесенные на схему (рис. 5) зависимость интенсивности износа от величин нажатия и тока ji (Ркт , 1э) для рассматриваемой скользящей контактной пары (и-образ-
где Сси, Сти - эксплуатационные расходы, связанные с износом контактных проводов и пластин токоприемников соответственно; Стп, Ссп - эксплуатационные расходы, определяемые ущербом от повреждений токоприемников и контактной сети соответственно; Кт, Кс - капитальные затраты на токоприемники и контактную сеть с учетом устройств диагностики и ремонтного оборудования соответственно; Тт, Тс - нормативные сроки окупаемости соответственно.
Минимизацию этих расходов можно производить по критериям экономичности и ненадежности, выраженными коэффициентами Кэ и Кн.
К о э ф ф и ц и е н т н е н а д е ж-ности работы контакта Кн характеризует его склонность к
Ркт "
Рис. 5. Схема определения коэффициента экономичности при токосъеме: I — длина пролета; х — координата пути; ОП — ось пути; Ркт — контактное нажатие; j — износ в точке; Sх — износ в интервале пролета или полоза
п
ная кривая, полученная на базе экспериментальных исследований для ряда участков переменного тока Южной и Юго - Западной железных дорог) и реальные кривые контактного нажатия в рассматриваемом пролете (при заданных скорости движения, длине пролета, высотном положении, жесткости, сухом и вязком трении, массе контактной подвески) для обеих пластин Р'к и Р"к. По этим кривым, полученным экспериментальным путем, следует рассчитать две гистограммы п'( Р'к), п''( Р''к), показывающие количество случаев для каждого интервала нажатия, имеющего конкретную величину износа. Износ в пролете получится как сумма при перемножении количества случаев на значения износов [6].
Это можно сделать графически (рис. 5), разделив пролет с контактными нажатиями вертикальными линиями на множество интервалов, в каждом из которых среднее значение кривой, заменив прямой. Полученный ограниченный интервалом прямоугольник пропорционален прогнозируемой площади износа в данном месте пролета и полоза токоприемника (в соответствии с твердостями их материалов). Износ в пролете получается как сумма площадей износа для всех интервалов. Поделив эту сумму на длину пролета, определяют средний износ, поделив его на токоприем-нико-проходы - коэффициент экономичности (ориентировочно - удельный износ).
Выводы и перспективы.
1. Для компаний, эксплуатирующих КС, и изготовителей прозрачность информации о технических характеристиках элементов и конструкций КС является решающим условием и важным рычагом управления в процессе усовершенствования КС с целью оптимизации технического обслуживания и проектирования.
2. При формировании банка данных КС следует согласовать с изготовителями основные задачи, которые должны быть решены в результате анализа технических характеристик элементов и конструкций КС, и пользоваться единой системой классификации обозначений (кодов). В обработке данных должны участвовать предприятия-изготовители.
3. Применение системы технического обслуживания КС по состоянию и минимуму расходов с контролем параметров КС и токоприемников современными техническими средствами диагностики возможно, если: условия эксплуатации устройств КС не допускают работу до отказа; ресурсосберегающие технологии требуют эксплуатации устройств КС до выработки ресурса; устройства КС имеют высокий уровень технологии эксплуатации и ремонта.
Литература
1. Михеев В.П. Контактные сети и линии электропередачи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.
2. Ефимов А. В. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог /А. В. Ефимов , А.Г. Галкин.
- М.: УМК МПС России, 2000. - 512 с.
3. Сердинов С. М. Повышение надежности устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог / Сердинов С. М. - [2-е изд.]. - М.: Транспорт, 1985. - 301 с.
4. Вологин В.А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. М.: Интекст, 2006, - 256 с.
5. Kiesling F., Puschman R., Schmieder A. Contact lines for electric railways planning design implementation. Berlin and Munich. Siemens, 2001. - 822 p.
6. Доманский И. В. Эксплуатация контактной сети по состоянию и минимуму расходов / И. В. Доманский // Зашзничний транспорт Украши. - 2009. - № 2/1, - C. 12
- 15.
