CC BY
597
Современные технологии - транспорту
99
5. Усталостные испытания амортизаторов буксового подвешивания тележек грузовых вагонов / А. М. Орлова, Е. А. Рудакова // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты : сб. научн. статей / ред. Ю.П. Бороненко, А. М. Орлова. - Вып. 4. -СПб. : ПГУПС, 2007. - С. 77-81.
6. Тележка модели 18-9750 для грузовых вагонов с осевой нагрузкой 25 т / Ю. П. Бороненко, А. М. Орлова // Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения : материалы науч.-техн. конференции / ред. проф. А. В. Смольянинов. - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - С. 81-83.
7. Тележка для грузового вагона нового поколения с осевой нагрузкой 25 тс / В. С. Коссов, В. А. Чаркин, Л. К. Добрынин, Ю. В. Мещерин, Э. С. Оганьян, В. Н. Огуенко, В. В. Березин // Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения : материалы науч.-техн. конференции / ред. проф. А. В. Смольянинов. - Екатеринбург : УрГУПС, 2006. - С. 131-133.
8. Тележка модели 18-9810: современные технологии, безопасность движения, снижение износов / А. М. Орлова, Е. А. Щербаков // Вагоны и вагонное хозяйство. -2010. - № 2. - С. 24-26.
9. Пат. 101985 Российская Федерация, МПК B 61 F 5/00. Узел соединения боковой рамы с колесной парой в тележке грузового железнодорожного вагона / Рудакова Е. А., Орлова А. М., Сухих И. В.; патентообладатель «АФСТ ЭДВАНСД ФРАЙТ КАР ТЕКНОЛОДЖИ ЛИМИТЕД» - № 2010143695/11; заявл. 27.10.10; опубл. 10.02.11, Бюл. № 4 - 2 с. : ил.
10. Компьютерное моделирование задач динамики железнодорожного подвижного состава. Ч. 3. Моделирование динамики грузовых вагонов в программном комплексе MEDYNA : учеб. пособие / В. С. Лесничий, А. М. Орлова. - СПб. : ПГУПС, 2002. - 35 с.
11. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
УДК 656.043.1
К. С. Шапиро, В. А. Соколов, В. Б. Соколов
СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ
В статье приводится доказательство необходимости использования систем непрерывного мониторинга контактной сети железных дорог. Произведен анализ существующих систем мониторинга состояния контактной сети на отечественных и зарубежных железных дорогах. Рассмотрена система диагностики и удаленного мониторинга состояния контактной сети (СДУМКС) разработки ООО «Мостовое бюро» и ПГУПС. Приведена методика оценки экономической эффективности от внедрения систем мониторинга контактной сети.
контактная сеть, высокоскоростная магистраль, технический мониторинг, датчик, экономический эффект.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
100
Современные технологии - транспорту
Введение
Анализ работы систем электроснабжения, проводимый Департаментом электрификации и электроснабжения ОАО РЖД [1], показывает, что наиболее слабым местом в этой системе является контактная сеть, а также питающие линии СЦБ и усиливающие провода.
Контактная сеть является источником передачи энергии электроподвижному составу через токоприемник. Учитывая программу обновления устройств электроснабжения, следует обратить внимание на повышенные требования к параметрам контактной сети с учетом возрастания скоростей движения поездов до 200 и 250 км/ч.
Согласно правилам устройства и технической эксплуатации контактной сети на российских железных дорогах [2], состояние контактной сети не подвергается непрерывному контролю. Периодичность объезда контролируемого участка с осмотром состояния обслуживаемых устройств производится не чаще 1 раза в месяц, диагностирование параметров устройств при помощи вагона-лаборатории происходит 1 раз в квартал, а верховой осмотр состояния контактного провода и несущего троса с площадки автомоторисы или со съемной вышки осуществляется 1 раз в год.
Периодический контроль состояния контактной сети не позволяет своевременно обнаруживать сверхнормативные отклонения тяжений контактной подвески и на основании этого выявлять ослабления или увеличения тяжений проводов контактной сети вследствие обледенения провода, сильного ветра, заклинивания роликов компенсирующего устройства, обрыва струн контактной подвески, опускания грузокомпенсатора на грунт и кражи грузов компенсирующих устройств. Это допускает такие события, как обрыв контактного провода и несущего троса в период эксплуатации. Для этих целей необходима система непрерывного технического мониторинга сети.
В отличие от традиционых методов обследования системы технического мониторинга позволяют постоянно получать результаты, установли-вать связи между воздействием негативных факторов и процессами, происходящими в контролируемой системе, следить за развитием этих процессов, быстро реагировать на события, получать информацию одновременно с любых контролируемых участков сооружения.
Система мониторинга представляет собой комплекс датчиков, распределенных по сооружению, информация от которых постоянно сводится в центр приема. Затем эта информация выводится в удобном для восприятия виде и сохраняется.
1 Системы мониторинга контактной сети на зарубежных и российских железных дорогах
Анализ мирового опыта в области мониторинга контактной сети железных дорог показал, что в настоящий момент таких систем очень мало.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
101
Единственной на зарубежных железных дорогах является система контроля и диагностики контактной сети «Sicat CMS» фирмы Siemens [3], которая используется на линиях Кёльн-Франкфурт в Германии и Мадрид-Сеговия-Вальядолид в Испании.
Принцип действия системы контроля представлен на рисунке 1. Система регистрирует отклонение качающегося рычага, укрепленного на блоке, с помощью магнитных датчиков. Это изменение фиксируется, обрабатывается и выдается предупреждение.
Рис. 1. Система контроля «Sicat CMS» фирмы Siemens
Перенос данного технического решения на железные дороги России невозможен по следующим причинам:
конструкции подвески на немецких и российских железных дорогах различны;
фирма Siemens использует проводную передачу данных.
Кроме этого, необходимо учитывать, что на зарубежных железных дорогах существуют специализированные высокоскоростные магистрали, электрифицированные на переменном токе.
На сегодняшний день на отечественных железных дорогах существует только одна система мониторинга контактной сети [4], которая разработана учеными Саратовского технического университета и была установлена в марте 2007 году на участке Абганерово - Привольный Волгоградского отделения Приволжской железной дороги.
Данная система была разработана в рамках проекта «Автоматическая система предотвращения и удаления гололеда с проводов воздушных линий электропередачи». Система состоит из размещенных на опорах кон-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
102
Современные технологии - транспорту
тактной сети 19 периферийных подсистем измерения параметров. При помощи специальных датчиков система регистрирует скорость и направление ветра, температуру воздуха, натяжение провода и несущего троса, целостность элементов контактной сети.
Данные поступают в энергодиспетчерскую дистанции электрификации и электроснабжения, где принимается решение о начале прогрева проводов. При этом система сама определяет оптимальный момент подачи подогрева и время завершения этой процедуры. Передавать по проводам предполагается также ультразвуковое излучение частотой 20-30 кГц. Это приводит к тому, что молекулы провода начинают колебаться и гололед под собственным весом опадает на землю.
Эта система предназначена только для решения задач, связанных с предотвращением обледенения проводов. Она не может прогнозировать предотказные состояния устройств контактной сети, например обрыв жилы несущего троса.
2 Системы диагностики и удаленного монторинга состояния контактной сети (СДУМКС)
В 2010 г. по заданию старшего вицепрезидента ОАО РЖД В. А. Гапановича коллективом ООО «Мостовое бюро» совместно со специалистами ПГУПС была разработана система диагностики и удаленного мониторинга контактной сети (СДУМКС) [3]. Эта система успешно прошла испытания на Октябрьской железной дороге.
Данная система позволяет выявить следующие события:
• прохождение поезда;
• прохождение васокоскоростного поезда типа «Сапсан» и «Аллегро»;
• прокачку грузов компенсатора;
• обрыв жилы несущего троса;
• полный обрыв несущего троса;
• падение посторонних предметов на несущий трос или контактный провод;
• возникновение резонансных колебаний;
• влияние климатических воздействий.
Большинство неисправностей подвески контактной сети вызывают изменение положения грузов на анкерных опорах. Обрыв несущего троса или контактного провода, их провисание за пределы допустимых норм, падение посторонних предметов на контактную сеть, обрыв жил несущего троса и т. д. можно выявить по перемещению груза, поскольку изменение натяжения несущего троса вызывает подъем или опускание груза. Груз перемещается также при изменении температуры окружающей среды. На положение груза могут влиять и ветровые нагрузки.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
103
Основой системы СДУМКС является установленный на грузокомпенсатор мобильный регистратор для фиксации линейных перемещений несущего троса. В корпусе регистратора (рис. 2) установлены датчики вибра-ци, температуры, датчик звуковой эмиссии. Регистратор снабжен аналогоцифровым преобразователем (АЦП), микроконтроллером и блоком приемопередачи. Питание датчиков автономное. Датчики рассчитаны на работу в диапазоне от минус 50 до +60 оС. Время работы элементов питания 1 год.
СДУМКС, как система диагностики и мониторинга [5], строится по иерархической структуре (рис. 3). Система охватывает все уровни хозяйства энергоснабжения на железной дороге и содержит следующие уровни.
• Уровень 1 (нижний) - линейный пункт (анкерный участок). На данном уровне выполняются следующие функции:
- непрерывный автоматический мониторинг функционирования состояния несущего троса и контактного провода в режиме реального времени;
- аналого-цифровое преобразование данных;
- краткосрочное хранение данных;
- передача данных на второй уровень (опорный участок);
- тестирование устройств контроля.
• Уровень 2 - опорный участок (ЭЧК). На уровне ЭЧК расположен центральный пункт диагностирования и мониторинга (ЦПДМ), обеспечивающий:
- сбор, длительное хранение и централизованную обработку информации, поступающей с линейных пунктов диагностирования;
- отображение информации на АРМ-ЭЧК (выявление отказов и предотказов, протоколирование);
- организацию процесса поиска неисправностей в случае их возникновения;
- хранение и ведение нормативно-справочной информации;
- вывод комплексной информации по отказу для передачи энергодиспетчеру, учет и анализ отказов.
Оперативный персонал, управляющий диагностическим комплексом, на основе полученных данных и прогноза изменения технического состояния устройств вырабатывает предложения по планированию процесса технического обслуживания и ремонта устройств контактной сети «по состоянию».
• Уровень 3 - центральный пост Службы электрификации и энергоснабжения (Э). На базе дорожного центра управления перевозками размещается центр диагностирования и мониторинга устройств контактной сети, обеспечивающий:
- комплексный анализ функционирования технических средств контактной сети на дороге на основе диагностических данных;
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
104
Современные технологии - транспорту
- формирование баз данных для принятия управленческих решений;
- ведение нормативной и справочной информации.
Элементы питания
Датчик
вибродиагностики
(акселерометр)
Датчик звуковой эмиссии
Датчик температуры
1 V
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
,
■ Контроллер
У г
. Приемопередатчик
Рис. 2. Структурная схема мобильного регистратора
Инженерно-технический персонал центра диагностирования и мониторинга обеспечивает правильность функционирования системы посредством управления ресурсами системы.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
105
Рис. 3. Структура системы СДУМКС
3 Оценка экономической эффективности от внедрения системы мониторинга контактной сети
Экономический эффект от внедрения системы мониторинга можно оценить следующим образом. В процессе эксплуатации контактной подвески происходят отказы. Ущерб от возникновения отказа определяется расходами на восстановление исправного состояния системы и издержками, связанными с простоем поездов на время ремонта. Потери от возникновения отказов за определенный период времени P можно определить как
P = PrN,
где Pi - средние потери от возникновения одного отказа;
N - количество отказов за период времени.
Внедрение системы мониторинга позволяет предотвращать часть отказов за счет фиксации предотказных состояний. Таким образом,
N = N + N,
где Nn - отказы, обнаруживаемые системой мониторинга в предотказном состоянии;
Nh - необнаруживаемые отказы.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/3
106
Современные технологии - транспорту
Кроме того, в самой системе мониторинга могут происходить отказы NM, ведущие к дополнительным потерям на ее восстановление. Поэтому количество отказов N при действии системы мониторинга
N= N+ Nm.
После внедрения системы мониторинга потери от возникновения отказов за определенный период времени Рм можно определить как
Рм = Pi N0.
Эффективность внедрения системы мониторинга W можно оценить по следующей формуле:
W = Р - Рм.
Таким образом, для увеличения эффекта от внедрения системы мониторинга необходимо, чтобы число отказов, обнаруживаемых системой мониторинга в предотказном состоянии, увеличивалось и повышалась надежность и безотказность самой системы за счет совершенствования функций самодиагностики.
Заключение
В результате опытной эксплуатации системы СДУМКС подтвердилось, что непрерывный автоматизированный контроль состояния контактной сети позволяет выявить граничные значения контролируемых параметров элементов контактной сети и принять меры к устранению предпосылок возникновения отказов. Это снижает эксплуатационные расходы за счет исключения простоя поездов в результате отказов.
Библиографический список
1. Перспективы создания контактной сети с улучшеными эксплуатационными характеристиками / В. А. Вологин // Вестник ВНИИЖТа. - 2007. - С. 12-15.
2. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог. ЦЭ-197. - М. : ЗАО «Энергосервис», 2001. - 165 с.
3. Система удаленного мониторинга состояния железнодорожной контактной сети / К. Ю. Долинский, А. А. Лыков, В. А. Соколов, В. Б. Соколов, Г. В. Осадчий // Транспорт российской федерации. - 2010. - № 5. - С. 44-47.
4. Научно-технические разработки предупредят обледенение, провоцирующее обрывы контактной сети / 20.01.2009. - www.ruscable.ru.
5. Определение метода реализации технической диагностики контроллеров в системе АПК-ДК / Г.В. Осадчий // Транспорт Урала. - 2007. - № 2. - C. 78-82.
2011/3
Proceedings of Petersburg Transport University
