CC BY
5
УДК 621.336.7
Снижение воздействия воздушного потока на токоприемное устройство скоростного поезда с помощью аэродинамического обтекателя
Д. Д. Каримов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Каримов Д. Д. Снижение воздействия воздушного потока на токоприемное устройство скоростного поезда с помощью аэродинамического обтекателя // Известия Петербургского университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС, 2022. — Т. 19. — Вып. 4. — С. 793-799. DOI: 10.20295/1815-588X-2022-4-793-799
Аннотация
Цель: Исследование аэродинамического воздействия на токоприемник скоростного поезда с помощью метода CFD-анализа в среде Flow Simulation программного обеспечения SolidWorks, c учетом неравномерности распределения скоростных потоков воздушных масс в надвагонной части подвижного состава. Методы: Теоретические исследования базировались на применении теории определяющих соотношений и методах механики сплошных сред. Математическое моделирование выполнялось на ПЭВМ с применением программных продуктов, использующих средства вычислительной гидрогазодинамики. Результаты: Разработана уточненная цифровая модель токоприемника, учитывающая характер взаимодействия в системе «токоприемник — контактный провод» в условиях аэродинамического сопротивления. Практическая значимость: Предложено устройство отклонения воздушных масс при обтекании токоприемника (спойлер), позволяющее устранить негативные воздействия аэродинамического сопротивления, заполнение снеговыми массами карманов конструкции, последствий обледенения рычажной системы.
Ключевые слова: Железнодорожная линия Ангрен — Пап, токоприемник, пантограф, аэродинамическое сопротивление, CFD-моделирование.
Строительство высокоскоростных железнодорожных магистралей в Узбекистане является важнейшей социально-экономической задачей современности, поскольку создает условия для повышения мобильности трудовых ресурсов, организации новых производств и экономического развития региона в целом.
Увеличение груза — пассажиропотока актуальная задача, стоящая перед отраслью [1]. Основной путь для ее решения — более широкое применение скоростного и тяжеловесного движения. Одна из главных проблем при этом — увеличение мощности, передаваемой по тяговой сети. В этих условиях повышается токовая нагрузка на
системы энергоснабжения, в свою очередь, повышаются динамические усилия, возникающие между контактной сетью и токоприемниками.
Работа токоприемника для определенных регионов Узбекистана осложняется особенностями метеоусловий, возникающих на участках движения в ущельях, плоскогорьях, где создаются микроклиматические условия образования температурных аномалий с разгоном воздушных масс до значительных скоростей, в качестве примера можно рассмотреть участок железнодорожной линии пути Ангрен — Пап [2]. Рост аэродинамического воздействия на токоприемник электроподвижного состава отрицательно сказывается на качестве токосъема: снижается надежность работы системы токосъема, при этом растут эксплуатационные расходы на обслуживание контактной сети и токоприемников.
Наиболее тяжелым режимом работы токопри-емных устройств является сочетание гололеда с ветром. Гололедные отложения на поверхности контактного провода имеют очень высокое электрическое сопротивление, что вызывает при работе токоприемника на токосъем сильное искрение, результатом которого является резкое ухудшение поверхностей провода и контактных элементов полоза (прожег каркаса).
Особенно опасным данное явление оказывается при строгании электроподвижного состава с места, когда токоприемник снимает большой ток, а контакт еще остается почти неподвижным, т. е. дуга воздействует на небольшой участок контактного провода.
Таким образом, токоприемник электроподвижного состава в определенных условиях эксплуатации может испытывать сложный режим нагружения сочетанием внешних силовых факторов механического и аэродинамического характера. В связи с чем задача совершенствования методов расчета режимов нагружения
токоприемника в данных условиях эксплуатации являются актуальной.
Принимая во внимание многофакторный характер изучаемого процесса динамики работы токоприемника, наиболее целесообразным методом исследования является моделирование взаимодействия токоприемника с контактной подвеской в условиях сопротивления воздушной среды и воздействия климатических явлений.
При движении в высокоскоростном режиме в коридоре движения поезда возникает аэродинамическая вихревая воздушная волна.
Для оценки аэродинамического воздействия на токоприемник электроподвижного состава (ЭПС) в начале выполняется CFD-моделирование в трехмерной постановке задачи состояния среды при установленном аэродинамическом устройстве (рис. 2). На сегодняшний день одним из самых перспективных направлений в моделировании воздействия внешней среды на объекты является вычислительная гидрогазодинамика (Computational Fluid Dynamics — CFD) [3, 4]. В настоящее время CFD-исследования могут быть эффективно применены на железнодорожном транспорте для решения задач моделирования обтекания подвижного состава воздушной средой [5, 6], исследования аэродинамических характеристик токоприемника и определения эффективности его защитных устройств. Для уменьшения аэродинамического сопротивления и поддержания стабильного контакта токоприемника и контактной линии 1, а также предотвращения излома узлов токоприемника 2 электровоза предлагается конструкция 3, представленная на рис. 2.
Моделирование производилось в программном комплексе SolidWorks. Аэродинамический расчет проведен в среде модуля Flow Simulation. Исследование процесса производилось на основе аэродинамического обтекателя (и без него) при скорости электропоезда 200 км/ч.
Рис. 1. Эпюра траекторий движения воздушных потоков при скорости ЭПС 200 км/ч
Рис. 2. Модель аэродинамического обтекателя токоприемника: 1 — контактный сеть; 2 — верхняя часть токоприемника; 3 — аэродинамические устройства
Рис. 3. Эпюра скорости обтекания воздушными массами потоками токоприемного устройства
Рис. 4. Устройство формирования условия аэродинамической тени для токоприемника
б
Рис. 5. Зависимость параметров «скорость», «давление» воздушного потока при воздействии на токоприемное устройство ЭПС: а — сборка без обтекателя, б — сборка с обтекателем
а
При скорости ЭПС 200 км/ч давление воздушной среды на рабочую площадь токоприемника составляет около 99 485 Па, а скорость воздействующего потока воздуха будет равна 14-15 км/ч (рис. 3).
К особенностям условий эксплуатации железнодорожной линии Ангрен — Пап относится резко континентальный, засушливый климат, что проявляется в значительных контрастах температуры окружающей среды [7]. Среднегодовая температура воздуха составляет 13,6 °С. Лето сухое, жаркое, максимальные температуры достигают 44,5 °С. Средняя температура воздуха в июле — +35,4 °С. Преобладающее направление ветра северо-восточное, средняя скорость ветра — 1,8 м/с, максимальная скорость ветра достигает 29 м/с. Изменение температуры воздушной среды по направлению движения поезда в значительной степени влияет на кинематический коэффициент вязкости воздуха, что определяет характер силового взаимодействия системы «пантограф — воздушная среда».
Из практики известны случаи повреждения (излома) узлов и деталей верхней части токоприемника при аэроупругом взаимодействии с набегающим потоком воздушных масс [8-10]. Кроме того, воздушное сопротивление вызывает потерю стабильного контакта токоприемника и контактной линии [11], что приводит к повышению энергозатрат и в конечном счете ухудшению качества грузопассажирских перевозок [12, 13].
Снизить влияние действующего аэродинамического сопротивления можно путем установки специального обтекающего элемента, формирующего условия аэродинамической тени для токоприемника (рис. 4).
На рис. 5, а показано воздействие скорости воздушного потока и давления на рабочую поверхность токоприемника [14] при отсутствии обтекателя. На рис. 5, б рассмотрены влияние скорости воздушного потока и давление на рабо-
чую поверхность токоприемника при варианте сборки с установленным обтекателем.
На основе предоставленных выше зависимостей можно сделать вывод, что с помощью аэродинамического обтекателя возможно уменьшить турбулентные явления воздушного потока в районе установки токоприемника, понизив скорость до 0,1-0,4 м/с, стабилизировать амплитуду аэродинамического давления, приблизив его к нормальному атмосферному давлению.
Библиографический список
1. Бизнес-план АО «УТЙ» на 2019 г. — Ташкент: АО «УТЙ», 2019. — 5 с.
2. Строительство новой электрифицированной железнодорожной линии Ангрен—Пап: Предварительное технико-экономическое обоснование. Пояснительная записка. — Ташкент, 2012.
3. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorksSimulation / А. А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2019. — 464 с.
4. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации / А. А. Алямовский. — М.: ДМК Пресс, 2015. — 562 с.
5. Gregoire R. Some considerations on the aerodynamics of high speed pantograph: CFD and wind tunnel tests / R. Gregoire, A. Collina, F. Resta et. al. // BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. — Milano, Italy. 20-24 July 2008. — Pp. 66-69.
6. Гарбарук А. В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А. В. Гарбарук, М. Х. Стрелец, М. Л. Шур. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. — 88 с.
7. Бизнес-план АО «УТЙ» на 2020-2023 гг. — Ташкент: АО «УТЙ», 2020.
8. Чепурко А. Е. Повышение качества токосъема за счет применения новых аэродинамических устройств токоприемников электроподвижного состава / А. Е. Чепурко, В. Н. Яковлев // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: материалы Всероссийской
науч.-практ. конференции / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2012. — С. 128-135.
9. Воробьев А. А. Воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа / А. А. Воробьев, Я. С. Ватулин, Д. Д. угли Каримов // Известия Петербургского университета путей сообщения. — СПб.: ПГУПС, 2021. — Т. 18. — Вып. 4. — С. 453-459.
10. Каримов Д. Д. Повышение эффективности пантографа электроподвижного состава / Д. Д. Каримов, А. А. Воробьев // Системы автоматизированного проектирования на транспорте: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербург, 27-28 апреля 2021 г. / ФГБОУ ВО ПГУПС, 2021. — С. 66-67.
11. Lee Y. Aerodynamic Characteristics of High Speed Train Pantograph with the Optimized Panhead Shape / Y. Lee, J. Rho, M. Kwak et al. // Proceedings of the 7th IASME/ WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics: Retrieved 2011-02-16. — Pp. 84-88.
12. Маслов Г. П. Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника по условиям токосъема / Г. П. Маслов, А. Е. Чепурко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2012. — № 3(11). — С. 34-40.
13. Мазнев А. С. Электрические аппараты и цепи подвижного состава: учебное пособие / А. С. Мазнев, О. И. Шатнев. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: ИНФРА-М., 2021. — С. 46-54.
14. ГОСТ 32204—2013. Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия. Введен в действие 01.06.2014. — М.: ФГУП «Стандартинформ», 2013. — 38 с.
Дата поступления: 26.06.2022 Решение о публикации: 30.08.2022
Контактная информация:
КАРИМОВ Дастонбек Давронбой угли — аспирант; dostonkarimov325@gmail.com
Reducing Air Flow Effect on High-Speed Train Current Collector with the Help of Aerodynamic Cow
D. D. Karimov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Karimov D. D. Reducing Air Flow Effect on High-Speed Train Current Collector with the Help of Aerodynamic Cowl // Proceedings of Petersburg Transport University, 2022, vol. 19, iss. 4, pp. 793-799. (In Russian). DOI: 10.20295/1815-588X-2022-4-793-799
Summary
Purpose: Investigation of aerodynamic effect on high-speed train pantograph using CFD-analysis method in FlowSimulation environment of SolidWorks software given uneven distribution of air high-speed mass flows in atop-car part of a rolling stock. Methods: Theoretical research was based on the application of the theory of constructive relations and continuum methods. Mathematical modeling was performed on a PC applying software products which use the means of computational fluid dynamics. Results: Refined digital model of a current collector has been developed which takes into account interaction nature in "current collector — contact wire" system under aerodynamic drag conditions. Practical significance: Device for the deflection of air masses when flowing around a current collector (a spoiler) is proposed that makes it possible to get rid of negative effects of: aerodynamic drag, filling-in construction pockets with snow masses and lever system icing consequences.
Keywords: Railway track, railway line Angren-Pan, passenger transportation, current collector, pantograph, aerodynamic drag, frontal airflow, calculation of aerodynamic forces, aerodynamic device, CFD-modeling.
References
1. Biznes - plan AO "UTY" na 2019 g. [Business plan of UTY JSC for 2019]. Tashkent: AO "UTY" Publ., 2019. 5,6 p. (In Russian)
2. Biznes - plan AO "UTY" na 2020-2023 g. [Business plan of UTY JSC for 2020-2023]. Tashkent: AO "UTY" Publ., 2020. (In Russian)
3. Stroitel'stvo novoy elektrifitsirovannoy zheleznodorozh-noy linii Angren - Pap: Predvaritel'noe tekhniko-ekonomiches-koe obosnovanie. Poyasnitel'naya zapiska [Construction of a new electrified railway line Angren - Pap: Preliminary feasibility study. Explanatory note]. Tashkent, 2012. (In Russian)
4. Alyamovskiy A. A. Inzhenernye raschety v SolidWorksSimulation [Engineering calculations in SolidWorksSimulation]. Moscow: DMK Press Publ., 2019. 464 p. (In Russian)
5. Alyamovskiy A. A. SolidWorks Simulation. Inzhenernyy analiz dlya professionalov: zadachi, metody, rekomendatsii [SolidWorks Simulation. Engineering analysis for professionals: tasks, methods, recommendations]. Moscow: DMK Press Publ., 2015. 562 p. (In Russian)
6. Chepurko A. E. Povyshenie kachestva tokos"ema za schet primeneniya novykh aerodinamicheskikh ustroystv toko-priemnikov elektropodvizhnogo sostava [Improving the quality of current collection through the use of new aerodynamic devices for current collectors of electric rolling stock]. Innovatsionnoe razvitie zheleznodorozhnogo transporta Rossii: Materialy vserossiyskoy nauch.-prakt. konferentsii / Omskiy gos. un-t putey soobshcheniya [Innovative development of railway transport in Russia: Materials of the All-Russian scientific and practical. conferences / Omsk state. University of Communications]. Omsk, 2012, pp. 128-135. (In Russian)
7. Vorob'ev A. A. Vozdeystvie vozdushnogo potoka na aerodinamicheskoe ustroystvo dlya pantografa [Influence of air flow on the aerodynamic device for a pantograph]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of the St. Petersburg University of Communications]. St. Petersburg: PGUPS Publ., 2021, vol. 18, I. 4, pp. 453-459. (In Russian)
8. Maslov G. P. Ratsional'naya aerodinamicheskaya khara-kteristika tokopriemnika po usloviyam tokos"ema [Rational aerodynamic characteristic of the pantograph according to
current collection conditions]. Izvestiya Transsiba / Omskiy gos. un-t putey soobshcheniya [Izvestiya Transsib / Omsk State University. University of Communications]. Omsk, 2012, I. 3 (11), pp. 34-40. (In Russian)
9. Karimov D. D. Povyshenie effektivnosti pantografa elektropodvizhnogo sostava [Improving the efficiency of an electric rolling stock pantograph]. Sistemy avtomatizirovan-nogoproektirovaniya na transporte: Materialy Mezhdunarod-noy nauchno-prakticheskoy konferentsii studentov, aspiran-tov i molodykh uchenykh [Computer-Aided Design Systems in Transport: Proceedings of the International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists]. St. Petersburg. 2021. FGBOU VO PGUPS Publ., 2021, pp. 66-67. (In Russian)
10. Maznev A. S. Elektricheskie apparaty i tsepipodvizh-nogo sostava [Electric devices and rolling stock circuits]. Moscow: INFRA-M Publ., 2021, pp. 46-54. (In Russian)
11. GOST32204 - 2013. Tokopriemniki zheleznodorozhnogo elektropodvizhnogo sostava. Obshchie tekhnicheskie usloviya [GOST 32204 - 2013. Pantographs of railway electric rolling stock. General specifications]. Moscow: FGUP «Standartinform» Publ., 2013. 38 p. (In Russian)
12. Garbaruk A. V. Modelirovanie turbulentnosti v raschetakh slozhnykh techeniy [Turbulence modeling in calculations of complex flows]. St. Petersburg: Politekhn. un-t Publ., 2012. 88 p. (In Russian)
13. Lee Y., Rho J., Kwak M. Aerodynamic Characteristics of High Speed Train Pantograph with the Optimized Panhead Shape. Proceedings of the 7th IASME/WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics: Retrieved 2011-02-16, pp. 84-88.
14. Gregoire R., Collina A., Resta F. et. al. Some considerations on the aerodynamics of high speed pantograph: CFD and wind tunnel tests. BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. Milano, Italy. 20-24 July 2008, pp. 66-69.
Received: June 26, 2022 Accepted: August 30, 2022
Author's information:
Dastonbek D. KARIMOV — Postgraduate Student; dostonkarimov325@gmail.com
