CC BY
9
УДК 621.336.7:620.178.169
В. М. Филиппов, О. А. Сидоров, Н. В. Миронос
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗНАШИВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИ
Аннотация. В статье рассмотрено совершенствование электрической составляющей модели изнашивания элементов контактных пар устройств токосъема в условиях высокоскоростного движения. Приведены гистограммы электрического изнашивания контактных элементов, полученные расчетным путем по существующей и усовершенствованной математическим моделям. Анализ полученных гистограмм позволяет сделать заключение о повышении точности расчета по усовершенствованной математической модели за счет учета влияния аэродинамического воздействия воздушного потока и скорости движения подвижного состава.
Ключевые слова: контактная пара, устройство токосъема, высокоскоростное движение, электроподвижной состав, контактный элемент.
Victor M. Philippov, Oleg A. Sidorov, Nikolay V. Myronos
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
IMPROVING THE MATHEMATICAL MODEL OF THE WEAR OF THE ELEMENTS OF CONTACT PAIRS OF ELECTRIC CURRENT COLLECTION DEVICES AT HIGH-SPEED MOVEMENT
Abstract. This article discusses the improvement of the electrical component of the wear model of the elements of contact pairs of current collector devices under conditions of high-speed movement. The histograms of the electrical wear of contact elements obtained by calculation using the existing and improved mathematical models are presented. Analysis of the obtained histograms allows us to conclude that the calculation accuracy is improved according to an improved mathematical model by taking into account the influence of the aerodynamic effects of the air flow and the speed of the rolling stock.
Keywords: contact pair, current collector, high-speed movement, electric rolling stock, contact element.
Долгосрочная программа развития холдинга «Российские железные дороги» [1] предусматривает к 2025 г. комплексную модернизацию инфраструктуры железных дорог с целью создания скоростных и высокоскоростных магистралей для увеличения пассажиро- и грузоперевозок. С учетом существующей энергетической стратегии ОАО «РЖД» энергоемкость компании за 2020 г. должна снизиться относительно 2005 г. на 25 - 27 %, а значит, необходимым остается комплексное внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий.
Для перевозки пассажиров и грузов со скоростями свыше 200 км/ч необходимо осуществить модернизацию конструкции контактной сети, токосъемных устройств, верхнего строения пути. В статье [2] уже отмечалось, что изменение конструкции токосъемного узла электроподвижного состава влечет за собой значительные финансовые и временные издержки. Менее затратным является применение контактных элементов с увеличенным сроком службы, обеспечивающих надежную, экономичную и экологичную передачу электроэнергии подвижному составу.
Важнейшей эксплуатационной характеристикой элементов контактных пар устройств токосъема (УТ), определяющей надежность и экономичность передачи электроэнергии электроподвижному составу, является интенсивность изнашивания. Износ как контактного провода (токопровода), так и контактных вставок (контактных элементов) выше критических значений является недопустимым. Одним из путей повышения срока службы контактных пар является выбор используемых для их изготовления материалов, а также параметров
функционирования устройств токосъема, наилучшим образом обеспечивающих выполнение требований качества токосъема и экономии ресурсов.
Интенсивность изнашивания (а следовательно, и качество токосъема) зависит не только от состояния элементов скользящего контакта, но и от множества других факторов (рисунок 1), обусловленных особенностями процесса взаимодействия токоприемников с контактными подвесками (токопроводами). Одним из характерных факторов, оказывающих значительное влияние на износ элементов контактных пар УТ в условиях высокоскоростного движения, является тяговый ток, значение которого может достигать в отдельные моменты времени 3000 - 3500 А, увеличивая (в том числе за счет термического воздействия) электромеханический износ в целом.
Рисунок 1 - Факторы, влияющие на интенсивность изнашивания элементов контактных пар
Сотрудниками лаборатории «Конструкции контактных сетей, линий электропередачи и токосъема» Омского государственного университета путей сообщения разработаны и успешно апробированы программа и методика проведения испытаний элементов контактных пар УТ электрического транспорта на износ [2, 3].
Реализация методики требует наличия специализированных экспериментальных комплексов, а также значительных затрат времени и ресурсов. Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован комбинированный способ - совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема.
По причине того, что совокупно токосъемный элемент и токоведущий провод представляет собой узел, который функционирует при высокоскоростном движении в условиях повышенного электромеханического изнашивания, совершенствование математической модели взаимодействия элементов контактной пары осуществляется по двум направлениям [4, 5]:
совершенствование модели механического изнашивания (в зависимости от значения контактного нажатия, рассмотрено в работе [2]) и совершенствование модели электрического изнашивания (от воздействия протекающего через контакт электрического тока).
В рамках выполнения научно-исследовательской работы «Увеличение жизненного цикла контактных вставок токоприемника магистрального электроподвижного состава при высокоскоростном движении», получившей поддержку Совета по грантам Президента Российской Федерации, в данной статье будет рассмотрено совершенствование электрической составляющей модели изнашивания элементов контактных пар в условиях высокоскоростного движения.
Процесс электрического изнашивания элементов контактных пар УТ представляется с помощью функциональной зависимости:
Ь =¥2 (у,О^,Р, Ло, i), (1)
где у - показатель дугостойкости материала;
Q - количество электричества, определяемое средним значением тока дуги I и временем ее горения
s - длина пути трения;
Р - значение контактного нажатия;
g - комплекс, характеризующий изменение изнашивания материала вследствие повышения шероховатости поверхностей;
1м - интенсивность механического изнашивания (без протекания электрического тока);
1Е0 - интенсивность изнашивания при протекании электрического тока через контакт без искрения;
i - значение протекающего через контакт электрического тока.
Особенностью чисто электрического изнашивания является сложность (а в большинстве случаев - невозможность) получения результатов экспериментальных исследований. Именно поэтому ученый Р. Хольм предложил рассматривать влияние протекающего через контакт электрического тока на износ элементов контактных пар как дополнительный фактор [6], изменяющий механический износ.
Функциональная зависимость (1) уже была представлена в работах [7] в виде математической модели, учитывающей большинство приведенных на рисунке 1 факторов, за исключением тех, что имеют место в условиях высокоскоростного движения. Таким образом, из-за отсутствия учета аэродинамического воздействия воздушного потока и скорости движения электроподвижного состава на процессы, протекающие в электрическом скользящем контакте, результаты расчетов по модели будут не достаточно точными. Так, в условиях невысоких скоростей движения электроподвижного состава (до 60 км/ч) погрешность расчета по отношению к результатам экспериментальных исследований электромеханического изнашивания не превышает 5 %, при скоростях свыше 150 км/ч погрешность становится более 10 %.
Принимая во внимание положения теории подобия и необходимость учета аэродинамического воздействия воздушного потока и скорости движения электроподвижного состава в уравнении (1) можно объединить трудновоспроизводимые параметры в комплексы, а побочные факторы - в симплексы [8]. Тогда в соответствии с п -теоремой и с учетом работ И. В. Крагельского, Э. Д. Брауна [9] и Н. Biesenack [5] получаем следующее уравнение, описывающее процесс электрического изнашивания:
1е =(С1'Бг-4Q,TIh)+С2 ■(X ■ Ме)1 х
О))
1ео(РкЛ)jh +С з'g(Р,ХзX\ ° хЭ(Ъг,ък), (2)
где £ - интенсивность электроэрозионного изнашивания;
у - коэффициент дугостойкости материала элемента контактной пары;
Q - количество электричества, прошедшее через электрическую дугу; - температурный градиент элемента контактной пары;
Bi - критерий Био;
, ^ 2, ^ 3 - масштабные коэффициенты;
Р - контактное нажатие;
k2 - функционалы, определяющие связь контактного нажатия и рода тока, протекающего через электрический скользящий контакт;
^ - коэффициент, учитывающий род тока;
^ - симплекс, учитывающий содержание графита в материале элемента контактной пары;
g - коэффициент, характеризующий износ материала вследствие повышения шероховатости поверхностей;
5 - длина следа горения электрической дуги;
С \а да
- комплекс, Х3 = (Си)Ут
X1 =
(г(тд)) РЛХ
X 4 =
Н 2(Т )
. 24
- симплексы (см.
работу [2]);
Фш>Ф>к) =
К
01
Ф 0 К 0
Ф1К1
(01 + Ув):
- комплекс, учитывающий влияние факторов окру-
жающей среды (ф0 / ф1 - отношение среднего значения относительной влажности окружающей среды за пять лет к значению относительной влажности на момент исследований, к0 / к1 - отношение среднего значения запыленности окружающей среды за пять лет к значению ее запыленности на момент исследований, ив - скорость встречного воздушного потока аэродинамического воздействия на контактную вставку);
К0г- - критерий Фурье;
- коэффициент изменения влияния параметров внешней среды в зоне контакта.
Номограммы и диапазоны изменения коэффициентов и функционалов для расчета по модели (2) приведены в работе [10].
Тепловые процессы, происходящие в элементах контактной пары УТ, математически описываются системой дифференциальных уравнений Пуассона в частных производных и приведены в работе [2].
На рисунке 2 представлены гистограммы электрического изнашивания контактных элементов, полученные в результате расчета по существующей (гистограмма 1) и усовершенствованной (гистограмма 2) математическим моделям. При выполнении расчетов скорость воздушного потока принималась равной 50 м/с. Измерение износа проводилось в соответствии с ГОСТ 32680-2014 «Токосъемные элементы контактные токоприемников электроподвижного состава. Общие технические условия».
На рисунке 2 приняты обозначения: 1 - результаты расчета по существующей модели; 2 - результаты расчета по усовершенствованной модели, 3 - линия тренда.
Анализ гистограмм на рисунке 2 позволяет сделать заключение о повышении точности расчета (по отношению к линии тренда) по математической модели (2) за счет учета влияния аэродинамического воздействия воздушного потока и скорости движения подвижного состава. Точность прогнозирования усовершенствованной модели по отношению к существующей была подтверждена с помощью программного обеспечения фильтрационным методом, проведенным на базе выборки линии тренда. Усовершенствованная математическая модель элек-
|о 2(42) 2020
ст
да
трического изнашивания совместно с математическом моделью механического изнашивания позволят повысить точность прогнозирования износа элементов контактных пар устройств токосъема электрического транспорта.
0,16
мм/ 1000 км
0,12 0,10
Ie 0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
30
55
80 P
105
130
Н
170
Рисунок 2 - Интенсивность изнашивания угольной контактной вставки типа Б, рассчитанная по существующей и усовершенствованной моделям
Список литературы
1. Долгосрочная программа развития открытого акционерного общества «Российские железные дороги» до 2025 года: утв. распоряжением Правительства Российской Федерации 19.03.19: ввод. в действие с 19.03.19. - URL: http://government.ru/docs/36094 (дата обращения: 17.06.2020). - Текст : непосредственный.
2. Philippov V., Smerdin A. Modeling the mechanical wear of the contact elements of pantograph during high-speed movement, E3S Web of Conferences, V. 157, 01022.
3. Голубков, А. С. Повышение эффективности эксплуатации токоприемников электроподвижного состава за счет совершенствования системы автоматического регулирования / А. С. Голубков, Г. Р. Ермачков, А. Н. Смердин, С. Н. Смердин // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: материалы V всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2019. - С. 121 - 127. - Текст : непосредственный.
4. Филиппов, В. М. Совершенствование методов моделирования изнашивания контактных элементов токоприемников электроподвижного состава : специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Филиппов Виктор Михайлович; Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - 153 с. - Текст : непосредственный.
5
5. Biesenack H., Pintscher F. Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste-Ausgangspunkte zur Bestimmung des elektrischen Verschleißes // Elektrische Bahnen. - 2005. - no. 3. P. 138 - 146.
6. Хольм, Р. Электрические контакты / Перевод с английского; под ред. д.т.н., проф. Д. Э. Брускина и д.х.н. А. А. Рудницкого / Р. Хольм. - Москва: Издательство иностранной литературы, 1961. - 464 с. - Текст : непосредственный.
7. Сидоров, О. А. Исследования электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта / О. А. Сидоров, В. М. Филиппов, С. А. Ступаков // Трение и износ. - Гомель, 2015. - Т. 36. - № 5. - С. 390 - 394. - Текст : непосредственный.
8. Шенк, Х. Теория инженерного эксперимента / Пер. с англ. Е. Г. Коваленко; под ред. чл.-корр. АН РФ Н. П. Бусленко / Х. Шенк. - Москва: Мир, 1972. - 381 с. - Текст: непосредственный.
9. Браун, Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э. Д. Браун, Ю. А. Евдокимов, А. В. Чичинадзе. - Москва: Машиностроение, 1982. - 191 с. - Текст : непосредственный.
10. Ступаков, С. А. Моделирование электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта / С. А. Ступаков, О. А. Сидоров, В. М. Филиппов // Трение и смазка в машинах и механизмах. - Москва: Машиностроение, 2012. - № 4. - С. 23 - 30. - Текст : непосредственный.
References
1. Dolgosrochnaya programma razvitiya otkrytogo aktsionernogo obshchestva «Rossiiskiye zheleznyye dorogi» do 2025 goda (Long-term development program of the Russian Railways open joint-stock company until 2025), Moscow, 2019, 135 p., Available at: http://government.ru/ docs/36094 (accessed 17 June 2020).
2. Philippov V., Smerdin A. Modeling the mechanical wear of the contact elements of pantograph during high-speed movement // E3S Web of Conferences, V. 157, 01022.
3. Golubkov A. S., Ermachkov G. R., Smerdin A. N., Smerdin S. N. Increase operational efficiency current collectors of electric rolling stock by improving the automatic control system [Povy-shenie effektivnosti ekspluatatsii tokopriemnikov elektropodvizhnogo sostava za schet sovershenstvovania sistemy avtomaticheskogo regulirovania]. Materialy V vserossiyskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «Tekhnologicheskoye obespechenie remonta i povyshenie dinamicheskikh kachestv ярудуятщвщкщяртщпщ podvizhnogo sostava» (Materials of the V All-Russian scientific and technical conference from the int. participation «Technological support for repairs and improving the dynamic qualities of railway rolling stock»). - Omsk, 2019, pp. 121 - 127.
4. Philippov V. M. Sovershenstvovaniye metodov modelirovaniya iznashivaniya kontaktnykh elementov tokopriyomnikov elektropodvizhnogo sostava (Improving methods for modeling wear of contact elements of current collectors of electric rolling stock). Doctor's thesis, Omsk, OSTU, 2012, 153 p.
5. Biesenack H., Pintscher F. Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste-Ausgangspunkte zur Bestimmung des elektrischen Verschleißes, Elektrische Bahnen, 2005, no. 3. pp. 138 - 146.
6. Holm, R. Elektricheskie kontakty (Electric Contacts), Moscow: Izdatelstvo inostrannoi litera-tury, 1991, 464 p.
7. 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 [Issledovaniya elektromek-hanicheskogo iznashivaniyz kontaktnykh par ustroistv tokosyoma elektricheskogo transporta]. Treniye i iznos - Journal of Friction and Wear, 2015, V. 36, no. 5, pp. 390 - 394.
8. Schenck H. Teoriya inzhenernogo eksperimenta (Theories of Engineering Experimentation). Moscow: Mir, 1972, 381 p.
42) 2020
9. Braun E. D., Yevdokimov Yu. A., Chichinadze A. V. Modelirovaniye treniya i iznashivaniya v mashinakh (Simulation of friction and wear in machines). Moscow: Mashinostroyeniye, 1982, 191 p.
10. Stupakov S. A., Sidorov O. A., Philippov V. M. Modelling of electromechanical wear of contact pairs of current pickup devices electric transport [Modelirovaniye elektromekhanicheskogo iznashivaniya kontaktnykh par ustroistv tokosyoma elektricheskogo transporta]. Treniye i smazka v mashinakh i mekhanizmakh - Friction and lubrication in machines and mechanisms, 2012, no. 4, pp. 23 - 30.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Филиппов Виктор Михайлович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-16-07.
E-mail: fVm-omgups@mail.ru
Сидоров Олег Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-46.
E-mail: sidorovoa@omgups.ru
Миронос Николай Васильевич
АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (АО «ВНИИЖТ»).
3-я Мытищинская ул., д. 10, г. Москва, 129626, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник отдела «Контактная сеть и токосъем», АО «ВНИИЖТ».
Тел.: (499) 260-45-08.
E-mail: mironos@vniizht.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Филиппов, В. М. Совершенствование математической модели изнашивания элементов контактных пар устройств токосъема электрического транспорта при высокоскоростном движении / В. М. Филиппов, О. А. Сидоров, Н. В. Миронос. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 2 (42). -С. 2 - 8.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Philippov Victor Mikhailovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Railway power supply», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-16-07.
E-mail: fvm-omgups@mail.ru
Sidorov Oleg Alekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Technical Sciences, Head of department «Railway power supply», OSTU.
Phone: +7 (3812) 31-34-46.
E-mail: sidorovoa@omgups.ru
Myronos Nikolay Vasilievich
JSC Scientific Research Institute of Railway Transport (JSC VNIIZhT).
3rd Mytishchinskaya st., 10, Moscow, 129626, Russian Federation.
Candidate of Technical Sciences, Leading Researcher of the "Contact network and current collection" department, JSC "VNIIZhT".
Phone: (499) 260-45-08.
E-mail: mironos@vniizht.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Philippov V. M., Sidorov O. A., Myronos N. V. Improving the mathematical model of the wear of the elements of contact pairs of electric current collection devices at high-speed movement. Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 2 (42), pp. 2 - 8 (In Russian).
