CC BY
2
Глазов Денис Вячеславович
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.:+7 (343) 221-24-78.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИС АНИЕ СТАТЬИ
Ковалев, А. А. Совершенствование конструкции и методов монтажа фиксирующих устройств контактной сети при высокоскоростном движении на этапе проектирования / А. А. Ковалев, Д. В. Глазов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. — № 1 (57).-С. 2-10.
Glazov Denis Vyacheslavovich
Ural State University of Railway Transport (USURT).
66, Kolmogorova St., Ekaterinburg, 620034, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «The supply of transport», USURT.
Phone: +7 (343)221-24-78.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Kovalev A.A., Glazov D.V. Improvement of design and methods of installation of contact network fixing devices for high-speed traffic at the design stage. Journal ofTrcmssib Railway Studies, 2024, no. I (57), pp. 2-10 (In Russian).
УДК 621.336.3
О. А. Сидоров, M. С. Михайлов
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА, ОСНАЩЕННЫХ ВНУТРИПРУЖИННЫМИ ПНЕ В МОЭЛ ЕМЕНТАМ И
В КАРЕТКАХ
Аннотация. Статья посвящена исследованию токоприемников, оснащенных системой автоматического регулирования и управляемыми упругими элементами в каретках. От обеспечения надежного токосъема зависит функционирование скоростного электроподвижного состава. Поэтому для повышения качества токосъема широкое распространение получают системы автоматического регулирования статического нажатия токоприемника. Однако их применение изменяет сжатие пружин кареток, что в конечном итоге может привести к «пробоям» пружин кареток и отрывам. Для решения этой проблемы предлагается применять в каретках внутрипружинные пневмоэлементы, обладающие изменяемой статической характеристикой. Система автоматического регулирования такого токоприемника должна осуществлять одновременное управление статическим нажатием токоприемника и статической характеристикой кареток. Авторами предложена и описана система автоматического регулирования статического нажатия рам токоприемника и статической характеристики кареток, в которой в качестве упругих управляемых элементов используются внутрипружинные пневмоэлементы. Описан алгоритм работы системы автоматического регулирования токоприемника, оснащенного управляемыми упругими элементами в каретках. Для проверки перспективности предложенной системы автоматического регулирования разработана трехмассовая математическая модель токоприемника, оснащенного внутри пруж-инными пневмоэлементами в каретках. Разработанная математическая модель реализована в программном комплексе MATLAB Simu/ink. Выполнена модернизация испытательной установки для получения статических характеристик кареток токоприемников, оснащенных внутрипружиннъши пневмоэлементами. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения внутрипружииных пневмоэлемеитов в каретках токоприемников при применении системы автоматического регулирования, которая позволяет избежать полного сжатия упругих элементов кареток, приводящего к вертикальным ударам, вызывающим резкий рост контактного нажатия и отрывы.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РИФ в рамках научного проекта № 23-29-10188.
Ключевые слови: токосъем, токоприемник, система автоматического регулирования, каретки, управляемый упругий элемент, внут¡nmpyoKVHHый пнеамоэлемент. контактное на.ж-атие.
Oleg A. Siclorov, Mikhail S. Mikhailov
Omsk State t ransport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
RESEARCH OF ELECTRIC ROLLING STOCK PANTOGRAPHS EQUIPPED WITH INTRA-SPR1NG PNEUMATIC ELEMENTS IN THE PANHEAD SUSPENSION
Abstract. The article is devoted to the research of a pantograph equipped with an automatic control system and controlled elastic elements in a panhead suspension. The functioning of high-speed electric rolling stock depends on
ensuring reliable current collection. Therefore, to improve the quality of current collection, automatic control systems for static force of the pantograph are becoming widespread. However, their use changes the compression of springs of the panhead suspension, which can ultimately lead to breakdowns of the panhead suspension springs and breakaways. To solve this problem, it is proposed to use intra-spring pneumatic elements in the panhead suspension that have a variable static characteristic. The automatic control system of such a pantograph must simultaneously control the static force of the pantograph and the static characteristics of the panhead suspension. The authors proposed and described a system Jbr automatic regulation of a pantograph, equipped with a system for automatic regulation of the contact force of the pantograph and the static characteristics of the panhead suspension, in which intra-spring pneumatic elements are used as elastic controlled elements. An algorithm for the operation of an automatic control system for a pantograph equipped with controlled elastic elements in the panhead suspension is described. To test the prospects of the proposed automatic control system, a three-mass mathematical model of a pantograph equipped with intra-spring pneumatic elements in panhead suspension has been developed. The developed mathematical model is implemented in the MATLAB Simulink software package. A test setup has been developed to obtain the static characteristics of pantograph panhead suspension equipped with intra-spring pneumatic elements. The results obtained indicate the possibility of using intra-spring pneumatic elements in pantograph panhead suspension when using an automatic control system. It allows you to avoid complete compression of the elastic elements of the panhead suspension, leading to vertical impacts, causing a sharp increase in contact pressure and separation.
The study was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation within the framework of the scientific project No. 23-29-10188.
Keywords: current collection, pantograph, automatic control system, panhead suspension, controlled elastic element, intra-spring pneumatic element, contact force.
В настоящее время для высокоскоростного железнодорожного движения преимущественно применяется электроподвижной состав, к которому предъявляются значительные требования по надежности, экономичности и экологичное™. В том числе этим требованиям должна соответствовать система токосъема, поскольку от ее надежной работы зависит функционирование скоростного поезда в целом.
Контактное нажатие является одним из основных параметров, определяющих качество токосъема, поэтому поддержание стабильного контакта является одной из основных задач при оптимизации процесса токосъема. Выбор оптимального уровня нажатия является одной из главных задач при организации процесса токосъема [1, 2]. При снижении контактного нажатия, сопровождающемся отрывами полозов, износ контактных элементов резко возрастает, что связано с резким ростом электроэрозионной составляющей износа из-за значительного усиления искрения, тогда как повышенное контактное нажатие хотя и увеличивает механическую составляющую износа, но не приводит к резкому росту износа и нарушениям токосъема [3].
Поэтому в целях оптимизации процесса токосъема в настоящее время широкое распространение получают системы автоматического регулирования (САР) статического нажатия токоприемников. За счет повышения уровня контактного нажатия снижается риск отрывов полозов и возникновения искрения, что представляет основную угрозу в процессе токосъема [4, 5].
Увеличение статического нажатия токоприемника приводит также и к увеличению сжатия упругих элементов кареток, что может привести к их полному сжатию («пробою»). Это в конечном итоге приводит к вертикальным ударам, приводящим к нарушениям токосъема: отрывам полоза и искрению. Поэтому поддержание сжатия упругих элементов кареток в регламентированных пределах является важным при использовании систем автоматического регулирования статического нажатия токоприемников.
Для решения данной проблемы в каретках могут быть использованы пневматические элементы с управляемой статической характеристикой, которая является зависимостью силы, создаваемой упругим элементом каретки, от ее сжатия. При этом необходимо обеспечить минимальное влияние на жесткость каретки (угол наклона статической характеристики), поскольку она выбирается на этапе проектирования для обеспечения оптимального токосъема. Поэтому управление статической характеристикой необходимо осуществлять за счет создания дополнительной силы разжатия кареток, т. е. путем вертикального смещения характеристики [6].
=r.WrZ ш gg= ИЗВЕСТИЯ Транссиба 1
г" "
В ОмГУПСе предложена конструкция каретки токоприемника (рисунок 1), которая позволяет поддерживать сжатие упругих элементов кареток в регламентированных значениях за счет использования управляемых внутрипружинных пневмоэлементов (ВПЭ), обладающих изменяемой статической характеристикой [7].
1 1
Рисунок I - Каретка токоприемника, оснащенная внутрипружинным пневмоэлементом: I - контактные элементы; 2 - держатель; 3 - тяги; 4 - основание; 5 - рама; 6 - цилиндрическая пружина; 7 - гибкий пневмоэлемент; 8 - оболочка пневмоэлемента; 9 — регулятор давления
Контактные элементы 1 устанавливаются на держателе 2, который посредством тяг 3 соединяется с основанием 4, закрепленным на верхней раме токоприемника 5. Упругое расчленение контактных элементов 1 и верхней рамы 5 обеспечивается за счет цилиндрической пружины 6. Пневматический элемент 7, устанавливаемый внутри цилиндрической пружины 6 так, чтобы его оболочка 8 прижималась к внутренним поверхностям цилиндрической пружины 6, необходим для создания дополнительной силы, направленной на разжатие пружины в случае, если в процессе взаимодействия токоприемника и контактной подвески ее среднее сжатие изменяется вследствие работы системы автоматического регулирования статического нажатия токоприемника и при влиянии других факторов.
Для изготовления оболочки пневмоэлемента 8 должен использоваться эластичный термо-и морозостойкий материал, поскольку каретки токоприемников в процессе их эксплуатации подвергаются воздействию как высоких температур вследствие нагрева то ко про водящих элементов токоприемника в процессе токосъема, так и низких температур при их эксплуатации в условиях холодного климата. Одним из подходящих для указанных целей материалов, применяемых для изготовления внутрипружинных пневмоэлементов, могут являться силиконы, поскольку они характеризуются высокой эластичностью при значительной стойкости к влиянию внешних факторов и износостойкости.
Подача сжатого воздуха в полость пневмоэлемента 7 приводит к расширению гибкой оболочки 8, и она прижимается к внутренним поверхностям витков пружины 6, держателя 2 и основания 4, что создает дополнительную силу, направленную на разжатие пружины и влияющую на статическую характеристику каретки. Поскольку гибкая оболочка 8 пневмоэлемента 7 обладает высокой эластичностью, вносимый ею вклад в жесткость каретки мал по сравнению с жесткостью пружины 6, поэтому она не оказывает негативного влияния на динамику взаимодействия токоприемника и контактной подвески. Кроме того, пневмоэлемент выполняет роль демпфера за счет возникновения диссипативных сил в гибкой оболочке 8, что благоприятно влияет на процесс токосъема, снижая влияние резонансных явлений.
В Омском государственном университете путей сообщения предложена система синхронного регулирования статического нажатия токоприемника и статической характеристики кареток [8]. Регулирование статического нажатия осуществляется за счет изменения давления
12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба Щ^И ЯШ (57 ДПЗА I
== ■
в подъемном резинокордном элементе. Для регулирования статической характеристики кареток применяются внутрипружинные пневмоэлементы, статическая характеристика которых изменяется за счет изменения давления в их полости.
В токоприемнике, оснащенном САР статического нажатия рам 1 (рисунок 2), в качестве подъемного элемента используется резинокордный элемент (РКЭ) 2, а в качестве упругих элементов кареток - внутрипружинные пневмоэлементы 3. Для регулирования силы статического нажатия изменяется давление в полости РКЭ с помощью РД1. Регулирование статической характеристики кареток осуществляется за счет изменения давления в полости ВПЭ с помощью РД2. Регуляторы РД1 и РД2 управляются блоком управления (БУ), который получает информацию от датчика нажатия 5, установленного на полозе 4 токоприемника. Сигналы на подъем и опускание токоприемника передаются с пульта управления (ПУ), установленного в кабине машиниста, на БУ, управляющий работой ЭПР1 и ЭПР2. В случае необходимости, например, при наличии гололеда на контактном проводе, машинист может с ПУ вручную увеличить нажатие, подав сигнал на вход БУ.
Синхронное регулирование статического нажатия в подъемном пневмоэлементе и ВПЭ каретки выполняется на основе ПИ-алгоритма управления давлением воздуха в указанных пневмоэлементах. Структурная схема ПИ-регулятора САР токоприемника, оснащенного ВПЭ в каретках, приведена на рисунке 3.
В случае, когда номинальный уровень статического нажатия рам токоприемника Рро = 100 Н достаточен для обеспечения качественного токосъема, в РКЭ с помощью РД1 поддерживается давление, необходимое для обеспечения номинального статического нажатия. В то же время в ВПЭ с помощью РД2 поддерживается минимально допустимое давление рвпэпш = Ю кПа, которое необходимо для обеспечения работоспособности ВПЭ
Рисунок 2 - Принципиальная схема САР токоприемника, оснащенного ВПЭ в каретках: 1 - рамы токоприемника;
2 - подъемный пневмоэлемеит; 3 - внутрипружинный пневмоэлемент; 4 - полоз токоприемника; 5 - датчик контактного нажатия, БУ - блок управления; ПУ - пульт управления; ИСВ - источник сжатого воздуха, РД - регулятор давления; ЭПР - электропневматический распределитель
У2
Р.. а
—¿и-
ИЗ 2
РУ1
РД2
РД1 ---
РКЭ
СПР
ВПЭ
ДН
1 ^^^
Блок управления {ПИ-регулятор)
^ -механическая связь -^ -информационная связь ------ пневматическая связь
Рисунок 3 - Структурная схема ПИ-регулятора САР токоприемника, оснащенного ВПЭ в каретках: У - уставка; РД - регулятор давления; РУ - регулятор уставки; ИЭ - интегрирующий элемент; РКЭ - подъемный резинокордный элемент; СПР - система подвижных рам; К - каретка; ВПЭ - внутрипружинный пневмоэлемент, ДН - датчик нажатия; Г1 - полоз; КП - контактная подвеска
ШЦВ7) —мал ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13
= -
Нарушения токосъема, приводящие к увеличению разброса контактного нажатия, фиксируются с помощью ИЭ1, получающего информацию от ДН об уровне контактного нажатия. ИЭ1 отслеживает в интервале времени наблюдения (¿набл) долю времени (/кг mm), в течение которого контактное нажатие опускается ниже минимально допустимого уровня РKrrain = 60 Н. Использование И-апгоритма регулирования позволяет минимизировать влияние на работу системы регулирования одиночных выбросов. При превышении уставки УI, устанавливаемой на уровне 5 %, РУ1 повышает уставку РД1, за счет чего давление в РКЭ увеличивается, что приводит к увеличению статического нажатия токоприемника, достаточному для того, чтобы контактное нажатие не снижалось до уровня повышенного риска возникновения искрения и отрывов (Лег = 40 Н) (рисунок 4). Повышение статического нажатия приводит к одновременному увеличению сжатия упругих элементов кареток, что в дальнейшем может привести к их «пробою».
Р,
Ро
р,
Л Л Л А\ А А МАЛ А л л
-Y. V-V- Х-- - - - Х-У- У-
/.гаЛг, 'пер /,,.,.<-,„ 'пес
А Л_Д
V V
Рисунок 4 - Принцип действия САР статического нажатия
Поэтому для предотвращения «пробоя» упругих элементов и поддержания среднего сжатия упругих элементов каретки (АИк) близким к 50 % от их предельного сжатия ИЭ2 отслеживает в течение интервала времени наблюдения (/лага) средний уровень контактного нажатия за счет информации, поступающей на него от ДН. ИЭ2 передает информацию о среднем уровне контактного нажатия на элемент сравнения, и при превышении уставки, принятой равной номинальному статическому нажатию (Рр = 100 Н), РУ2 увеличивает уставку РД2, за счет чего повышается давление в ВПЭ до уровня, достаточного для удержания сжатия ВПЭ в регламентированных значениях. Принцип действия САР статической характеристики каретки приведен на рисунке 5.
АК
50%
Рисунок 5 - Принцип действия САР статической характеристики каретки
При стабилизации контакта разброс контактного нажатия снижается и, соответственно, уменьшается отслеживаемая ИЭ1 доля времени /кттт, в связи с чем РУ1 понижает уставку РД1. Это приводит к понижению давления в РКЭ и, соответственно, статического нажатия токоприемника. Одновременно с этим ИЭ2 регистрирует снижение среднего контактного
14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(57) ниши
j — j
нажатия, что приводит к понижению уставки РД2 с помощью РУ2 и, соответственно, к снижению давления в полости ВПЭ.
Для оценки динамики взаимодействия токоприемника, оснащенного САР с ПИ-алгоритмом регулирования, и контактной подвески целесообразно использовать математические модели токоприемников с приведенными массами, поскольку они позволяют производить расчет влияния изменения параметров токоприемников и контактной подвески на процесс токосъема с достаточной точностью при минимальных затратах вычислительных мощностей [9]. Для расчета авторами разработана трехмассовая модель токоприемника (рисунок 6), в которой реальный токоприемник разделен натри приведенные массы: верхний узел (1), верхнюю раму (2) и нижнюю раму (3).
впэ
Р В1Ю 1
Г гг М>2
т3
Рр \ Г Н'з
*2
*3
\\Ч\ЧЧ\\\ЧЧЧ\\\\\Ч\ Рисунок 6 - Расчетная схема трехмассовой модели токоприемника
В расчетной схеме приняты следующие обозначения: дл - высотное положение верхнего узла токоприемника;« - высотное положение верхней рамы; хз — высотное положение нижней рамы; хк - положение контактного провода; т\ - масса верхнего узла токоприемника; тг -приведенная масса верхней рамы; /из - приведенная масса нижней рамы; с\ - жесткость кареток; сг - жесткость верхней рамы; сз-жесткость нижней рамы; л - вязкое трение в каретке; гг - вязкое трение в верхней раме; п - вязкое трение в нижней раме; мч - сухое трение в каретке; т - сухое трение в верхней раме; м>з - сухое трение в нижней раме; Ру> - статическое нажатие токоприемника; Рвнэ-сила, создаваемая внутрипружинным пневмоэлементом.
На этапе выбора основных параметров и алгоритмов системы автоматического регулирования в расчетах приняты следующие допущения:
амплитуда вертикальных колебаний нижней рамы является малой по сравнению с полным диапазоном высот поднятия токоприемника, что позволяет принять статическое нажатие токоприемника постоянным;
нижняя рама принята абсолютно жесткой, в связи с чем в расчетах ее жесткость не учитывается;
изменение высотного положения точки контакта полоза и контактного провода представлено в виде абсолютно жесткой синусоиды;
аэродинамические силы, воздействующие на элементы конструкции токоприемника, не учитываются;
основание токоприемника не совершает вертикальных перемещений;
не учитывается вращательное движение полоза токоприемника;
не учитывается перераспределение контактного нажатия по ширине полоза токоприемника.
Одним из наиболее распространенных способов описания динамических систем являются уравнения Лагранжа. В том числе они могут быть использованы при составлении уравнений
ШЦВ7) —мал ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15
= -
движения математической модели токоприемника с приведенными массами. Для этого для каждого тела, входящего в систему, составляется дифференциальное уравнение второго порядка:
Л
сТ
.а?.
эт | ап | аФ _
дс/ дд д() 'г
(1)
где с{ - обобщенная координата;
Т - кинетическая энергия системы;
П - потенциальная энергия системы;
Ф - диссипативная функция;
Qq - обобщенная сила по обобщенной координате q.
Разработанная математическая модель токоприемника, взаимодействующего с жесткой контактной подвеской, требует составления трех уравнений Лагранжа. Полученные уравнения дифференцируются, в результате чего составляется система дифференциальных уравнений второго порядка:
щхх +£,(*, -х2)+г1(х1 -х2) = -м>1&1&\(х\-х2)+Ршэ-,
щх2 - с, (*, - хг)+с2 (х, -,*з) - г, (х, -х2)+г2 (х2 -*3) = и'^Ш! (х, -х2)~ М'251§п (х, - ) - Ршп; (2) пцх3 -С2(х2-X,)+съхг -г2 [х2 ггхъ = (д:2 -х3 ) - Ч'^ЩП ) + Рр-
Использование метода штрафных функций позволяет моделировать взаимодействие токоприемника и контактной подвески с достаточной достоверностью [9]. Для этого в систему вводится контактная сила упругости, зависящая от «зазора» между контактным проводом и полозом. При этом принцип непроникновения игнорируется и «зазор» может принимать как положительные (отрыв полоза от контактного провода), так и отрицательные (наличие контакта) значения:
Ркг=ск(хк. „-*,), (*„-*,)<<>; Рк< = о,
(3)
где ск- жесткость контакта (принимается равной 50 кН/м);
хк. п- х\ - зазор между контактным проводом и полозом токоприемника.
Математическое моделирование внутрипружинных пневмоэлеменгов является сложной задачей и требует учета значительного числа факторов, влияющих на работу ВПЭ. В связи с этим разработка аналитической модели, учитывающей специфику ВПЭ, вызывает значительные трудности. Поэтому для получения параметров внутрипружинных пневмоэлементов проведены экспериментальные исследования в пределах рабочего хода кареток (0-50 мм). Для описания силы, создаваемой внутрипружинным пневмоэлементом, может быть использовано уравнение [10]
Ртп=СиЛР,п)-АК + Р,ы,(РиХ
(4)
где Сю - жесткость внутрипружинного пневмоэлемента, Н/м;
АИк - сжатие внутрипружинного пневмоэлемента (Д/?к = х\ - хг), м; риз- избыточное давление в пневмоэлементе, Па; Ргпо- сила внутрипружинного пневмоэлемента при нулевом сжатии, Н. Исследование статической характеристики внутрипружинных элементов осуществлялось на испытательном стенде, разработанном на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения. Структурная схема и общий вид стенда приведены на рисунке 7. На схеме приняты следующие обозначения: ВПЭ - внутрипружинный пневмоэлемент; БУ - блок управления; ЭМП - электро-
16 ИЗВЕСТИЯ Транссиба Щ^И ЯШ (57 ДПЗА I
—= ■
механический привод; ИСВ - источник сжатого воздуха; РД регулятор давления; ЭПК электропневматический клапан; РУ - регистрирующее устройство; ДН - датчик нажатия; ДП - датчик перемещения.
ИСВ рд ЭПК
Рисунок 7 - Структурная схема (а) и общий вид (б) стенда для исследования статической характеристики
внутрипружинных пневмоэлементов
Воздух подается в полость внутрипружинного пневмоэлемента от источника сжатого воздуха через регулятор давления и электропневматический клапан, включение которого осуществляется блоком управления. Давление регулируется с помощью регулятора давления, который управляется с помощью блока управления. Сжатие внутрипружинного пневмоэлемента осуществляется с помощью винтовой передачи, приводимой в движение с помощью электромеханического привода. Привод обеспечивает постоянную скорость сжатия, поскольку неравномерность скорости сжатия и возможные паузы оказывают значительное влияние на силы трения, что может привести к получению искаженных статических характеристик.
Для регистрации силы, создаваемой пневмоэлементом, используется S-образный тензометрический датчик. Вертикальные перемещения регистрируются с помощью датчика перемещения. Информация от датчиков поступает в регистрирующее устройство и впоследствии обрабатывается с помощью ЭВМ для получения параметров внутрипружинных пневмоэлементов, необходимых для их описания с помощью выражения (4).
На рисунке 8 приведены статические характеристики внутрипружинного пневмоэлемента с толщиной оболочки 1 мм при давлении внутри его полости 0, 100 и 150 кПа.
Для реализации разработанной математической модели использован программный комплекс MATLAB Simulink. позволяющий осуществлять моделирование взаимодействия токоприемника, оснащенного САР статического нажатия и статической характеристики каретки, и контактной подвески. На рисунке 9 приведена имитационная модель, выполненная в MATLAB Simulink. Основными блоками, входящими в разработанную модель, являются блок имитации контактной подвески (Catenary), блок имитации контакта (Contact), блок имитации токоприемника (Pantograph), блок имитации подъемного резинокордного элемента (LPA), контур управления статического нажатия (LPA ACS) и контур управления статической характеристикой каретки (ISPA ACS).
Рвпэ = 150 кПа ч
/ Рттэ= 100 кПа
^ Рпт ' D кПа
30
мм
50
Рисунок 8 - Статическая характеристика внутрипружинного пневмоэлемента
Рису нок 9 - Имитационная модель, выполненная в программном комплексе MATLAB Simulink
На рисунке 10 представлены кривые изменения контактного нажатия токоприемников, полученные в результате моделирования в MATLAB Simulink при имитации взаимодействия токоприемника и контактной подвески при движении электроподвижного состава. В процессе моделирования контактная подвеска с длиной пролета 60 м и стрелой провеса 1,5 см была представлена в виде жесткой синусоиды. Скорость движения электроподвижного состава увеличивалась от 10 до 70 м/с. Снижение контактного нажатия ниже уровня Ркг mm = 40 11 существенно у величивает риск возникновения искрения и отрывов и поэтому принимается как нарушение процесса токосъема.
На рисунке 10, а представлена кривая изменения контактного нажатия токоприемника, не оборудованного системой автоматического регулирования статического нажатия и статической характеристики каретки. При скорости свыше 60 м/с контактное нажатие снижается до 40 Н, что значительно увеличивает риск возникновения искрения и электроэрозионного износа контактных вставок и контактного провода.
Применение только САР статического нажатия (рисунок 10, б) уменьшает риск возникновения отрывов и искрения за счет повышения статического нажатия токоприемника.
18 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(57) ~ 2024
- =
Однако при дальнейшем увеличении скорости возникают «пробои» пружин каретки, что сопровождается резким ростом контактного нажатия. Это происходит из-за избыточного сжатия пружин кареток, вызванного увеличением статического нажатия токоприемника для предотвращения падения контактного нажатия ниже уровня Рщ шт. Кроме того, «пробои» могут вызвать отрывы, нарушая работу кареток.
шн.шшишм ЩШшжт
Р
Отрывы полоза
шт/тшжиж р
Пробой пружин Отрывы полоза
350
Рисунок 10- Кривые изменения контактного нажатия, полученные в результате моделирования взаимодействия токоприемника и контактной подвески при движении электроподвижного состава: а - без САР; б - САР статического нажатия; в - САР статического нажатия и статической характеристики кареток
Одновременное использование САР статического нажатия и статической характеристики кареток (рисунок 10, в) позволяет избежать отрывов и стабилизировать сжатие упругих элементов кареток. Одновременно с увеличением давления в подъемном пневмоэлементе, приводящим к росту силы статического нажатия, статическая характеристика каретки регулируется так, чтобы среднее сжатие внутрипружинного пневмоэлемента было близким к
50 % от его предельного сжатия, что позволяет избежать «пробой» упругих элементов кареток. Это обеспечивает надежный токосъем и предотвращает возникновение отрывов и искрения.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Предложена конструкция каретки токоприемника, оснащенной управляемыми внутрипружинными пневмоэлементами с регулируемой статической характеристикой.
2. Разработана трехмассовая математическая модель токоприемника, оснащенного внутрипружинными элементами в каретке, которая реализована в среде MATLAB Simulink.
3. Разработана методика экспериментального определения статической характеристики каретки, оснащенной управляемыми внутрипружинными пневмоэлементами.
4. Результаты расчетов кривых изменения контактного нажатия токоприемника показали, что применение ПИ-регулятора позволяет повысить качество токосъема за счет снижения вероятности отрывов полоза от контактного провода.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РИФ в рамках научного проекта № 23-29-10188.
Список литературы
1. Allotta В., Pugi L., Bartolini F. Design and Experimental Results of an Active Suspensión System for a 1 iigh-Speed Pantograph. IEEE/ASME Trcmsactions on Mechatronics, 2008, no. 13 (5), pp. 548-557.
2. Голубков, А. С. Определение оптимального среднего контактного нажатия токоприемника в системе токосъема с помощью алгоритмов машинного обучения / А. С. Голубков, Г. Р. Ермачков, С. Н. Смердин. - Текст : непосредственный // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : материалы всерос. науч.-техн. конф. с между нар. участием. - Омск, 18-19 октября 2018 г. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2018. - С. 231-236.
3. Сидоров, О. А. Исследования электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта / О. А. Сидоров, В. М. Филиппов, С. А. Ступаков. - Текст : непосредственный // Трение и износ. - 2015. - Т. 36. - № 5. С. 511-517.
4. Сидоров, О. А. Совершенствование систем автоматического регулирования токоприемников для высоких скоростей движения / О. А. Сидоров, В. Н. Горюнов,
A. С. Голубков. - Текст : непосредственный // Динамика систем, механизмов и машин. -2017. - Т. 5. -№ 3. - С. 108-113. - DOl 10.25206/2310-9793-2017-5-3-108-113.
5. Ко М., Yokoyama М., Yamashita Y., Kobayashi S., Usuda Т. Contact forcé control of an active pantograph for high speed trains. Journal of Physics: Conference Series, 2016, no. 744, pp. 012151.
6. Разработка кареток токоприемников электроподвижного состава, оснащенных управляемыми упругими элементами / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, М. С. Михайлов,
B. М. Филиппов // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. - 2023. - Т. 66. -№ 3. - С. 16-21.-DOI 10.17213/0136-3360-2023-3-16-21.
7. Патент № 212297 Российская Федерация, МПК B60L 5/08. Каретка токоприемника электроподвижного состава : № 2022114479 : заявлено 27.05.2022 : опубликовано 14.07.2022 / Сидоров О. А., Михайлов М. С. - Текст : непосредственный.
8. Патент № 2780681 Российская Федерация, МГ1К B60L 5/26, B60L 5/32, G01L 5/04, G01М 17/08. Измерительный токоприемник электроподвижного состава : № 2022114488 : заявлено 27.05.2022 : опубликовано 29.09.2022 / Сидоров О. А., Михайлов М. С., Чертков И. Е. -Текст: непосредственный.
9. Abdullah М., Michitsuji Y., Nagai М., Venture G. System Identification of Railway Trains Pantograph for Active Pantograph Simulation. Journal of System Design and Dynamics, 2011, no. 5. pp. 1141-1154.
20 ИЗВЕСТИЯ Транссиба Щ^И №(57 —2024- i
—= ■
10. Математическое моделирование механического взаимодействия токоприемников и контактной подвески для скоростных электрифицированных железных дорог / Б. С. Григорьев, О. А. Головин, Е. Д. Викторов, Е. В. Кудряшов. - Текст : непосредственный // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургскою государственного политехнического университета.-2012.-№4(159).-С. 155-162.
References
1. Allotta В., Pugi L., Bartolini F. Design and Experimental Results of an Active Suspension System for a High-Speed Pantograph. IEEE/ASME Transactions on Mechatromes, 2008, no. 13 (5), pp. 548-557.
2. Golubkov A.S., Ermachkov G.R., Smerdin S.N. [Determination of the optimal average contact pressure of the pantograph in the current collection system using machine learning algorithms] : Pribory i metody izmerenij, kontrolya kachestva i diagnostiki v promyshlennosti i na transporte : Materia/y III vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi vserossiiskoi s mezhdunarodnym uchastiem. [Instruments and methods of measurement, quality control and diagnostics in industry and transport: meteríais of the III all-Russian scientific and technical conference with international participation]. Omsk, 2018, pp. 231-236 (In Russian).
3. Sidorov O.A., Philippov V.M., Stupakov S.A. Studies of the electromechanical wear of contact pairs in the current collection devices of electric transports. Journal of Friction and Wear, 2015, vol. 36, no. 5, pp. 390-394, DOl 10.3103/S1068366615050128.
4. Sidorov O.A., Goriunov V.N., Golubkov A.S. Improvement of automatic control systems of current collectors for high speeds. Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin - Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics), 2017, vol. 5, no. 3. pp. 108-113, DOI 10.25206/2310-9793-2017-5-3-108-113.
5. Ко M., Yokoyama M., Yamashita Y., Kobayashi S., Usuda T. Contact force control of an active pantograph for high speed trains. Journal of Physics: Conference Series, 2016, no. 744, pp. 012151.
6. Sidorov O.A., Smerdin A.N., Mikhailov M.S., Philippov V.M. Developing electric roiling stock pantographs head suspension equipped with controlled elastic elements. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Elektromekhanika - Russian Electromechanics, 2023, vol. 66, no. 3, pp. 16-21, DOI 16.17213/0136-3360-2023-3-16-21 (In Russian).
7. Sidorov O A., Mikhailov M.S. Patent RU212297 Ul, 14.07.2022.
8. Sidorov O. A., Mikhailov M. S., Chertkov I. E. Patent RU 2780681 CI, 29.09.2022.
9. Abdullah M., Michitsuji Y., Nagai M., Venture G. System Identification of Railway Trains Pantograph for Active Pantograph Simulation. Journal of System Design and Dynamics, 2011, no. 5. pp. 1141-1154.
10. Grigorev B.S., Golovin O.A., Viktorov E.D., Kudryashov E.V. Mathematical modeling of the mechanical interaction of pantographs and overhead contact line for high-speed electrified railways. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politekhnicheskogo universiteta - Scientific and technical statements of the St. Petersburg State Polytechnic University, 2012, no. 4 (159), pp. 155-162.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сидоров Олег Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT AUTHORS
Sidorov Oleg Asekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «Electric power supply of railways», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-34-46 E-mail: [email protected]
Михайлов Михаил Сергеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7(999) 459-19-52.
E-mail: mikhailovms54@gmai 1 com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Сидоров, О. А. Исследование токоприемников электроподвижного состава, оснащенных внутрипружинными пневмоэлементами в каретках / О. А. Сидоров, М. С. Михайлов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. -№ 1 (57).-С. 10-22.
Mikhailov Mikhail Sergeevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Postgraduate student of the department «Electric power supply of railways», OSTU.
Phone: +7 (999)459-19-52.
E-mai I : mikhai lovms54@gmai I .com
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Sidorov O A., Mikhailov M.S. Research of electric rolling stock pantographs equipped with intra-spring pneumatic elements in the panhead suspension. Journal of Transsib Railway Studies, 2024, no. 1 (57), pp. 10-22 (In Russian)
УДК 621.332:3(07)
А. А. Косяков1, Ю. А. Кочунов2
"Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург,
Российская Федерация;
2Общество с ограниченной ответственностью «НЛП «ЭЛЕКТРОМАШ», г. Екатеринбург,
Российская Федерация
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ КРОНШТЕЙНОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6-10 кВ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ И ПРОДОЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Аннотация. На железнодорожном транспорте одним из потребителей I категории по надежности является воздушная линия сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), в качестве резерва используется линия продольного электроснабжения (ПЭ). Электропитание СЦБ и ПЭ осуществляется по проводам воздушной линии электропередачи (ВЛ) напряжением 6 ¡0 кВ. ВЛ располагаются как на отдельно стоящих опорах, так и на опорах контактной сети с полевой стороны опоры. В качестве поддерживаюгцих конструкций применяются металлические или деревянные траверсы и кронштейны с изоляторами. Одной из причин выхода из строя ВЛ является перекрытие изоляторов из-за индуктивных и грозовых перенапряжении. С целью повышения надежности предлагается в качестве поддерживающих конструкций использовать кронштейны, выполненные из полимерных композитных материалов (ПКМ). Данные конструкции выполнены из изоляционного материала и не требуют применения дополнительных изоляторов. Их электрическая прочность в несколько раз больше, чем у традиционных фарфоровых и стеклянных изоляторов, применяемых на ВЛ 6 10 кВ. В связи с этим появился вопрос о принципах работы кронштейнов из ПКМ при возникновении перенапряжений.
В работе рассмотрены принципы возникновения перенапряжений, представлены отечественные устройства защиты ВЛ от перенапряжений, их характеристики. Рассмотрена работоспособность кронштейнов, выполненных из полимерных композитных материалов, при возникновении импульсного перенапряжения и прямого удара молнии в воздушную линию электропередачи напряжением а 10 кВ устройств СЦБ и продольного электроснабжения железных дорог.
Актуальность работы обусловлена новизной объекта техники полимерного композитного кронштейна линий электропередачи: в современной нормативной документации особенности эксплуатации изоляции такого вида электротехнического оборудования почти не рассматриваются.
Исследование полимерных композитных кронштейнов выполнено опытным способом в лаборатории техники высоких напряжений Уральского государственного университета путей сообщения с использованием генератора импульсных напряжений. Результатом работы стали выводы по увеличению надежности воздушной линии СЦБ и ПЭ при эксплуатации кронштейнов, выполненных из полимерных композитных материалов.
Ключевые слова: прямой удар молнии, импульсное напряжение, разряд, защитное устройство, полимерный композитный материал, кронштейн.
22 ИЗВЕСТИЯ Транссиба Щ^И ЯШ (57 —2024- 1
== ■
