Сучасний стан проблеми струмознімання на електрифікованих залізницях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.336

Д. В. УСТИМЕНКО (ДНУЗТ)

Кафедра «Електротехнка та електромеханка», Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтро, УкраТна, 49010, тел. +38 (056) 37-31537, ORCID: orcid.org/0000-0003-2984-4381

СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ СТРУМОЗН1МАННЯ НА ЕЛЕКТРИФ1КОВАНИХ ЗАЛ1ЗНИЦЯХ

Вступ

На даний час системи контактного струмоз-шмання з жорстким струмопроводом знайшли широке застосування в якосн пристро!в пере-дачi енерги на борт електрорухомого складу. Контактш шдвюки з жорстким струмопроводом використовуються для рухомого складу магiстральних електрифшованих залiзниць. На сьогоднi характерне тдвищення швидкостi ру-ху, значне зростання струмових навантажень, поява нових титв електрорухомого складу, умови експлуатацп якого потребують вдоско-налення iснуючих i створення нових пристро!в, що забезпечуватимуть надшну та економiчну передачу електрично! енерги на борт транспортних засобiв.

Розв'язок задачi з ефективно! експлуатацп контактно! мереж та електрорухомого складу ставить вимоги до подальшого зменшення зно-су контактного дроту i випадюв його руйну-вання, тдвищення ресурсу роботи полозiв струмоприймачiв, зменшенню втрат електрое-нерги при струмозшманш

Опис проблеми

Зростання швидкостi руху, збiльшення по-тужностi електрорухомого складу ускладнюе умови роботи ковзного контакту «струмоприй-мач - контактний дрп». Пусковi струми ванта-жних електровозiв постiйного струму сягають 1200 А, а пасажирських - до 1150 А. Крiм того, навантаження на ковзний контакт «струмоп-риймач - контактний дрп» зросли в середньому на 400 А в результат переходу пасажирських по!здiв з вугшьного iндивiдуального опалення на централiзоване електричне [1].

В свою чергу контактний дрп е одним з ос-новних елементiв контактно! мережi, вщ праце-здатностi якого залежить безаваршна робота електрифiкованих залiзниць. Його безпосеред-ня взаемодiя з елементами полозiв пантографiв призводить до зносу, ерозшним пошкоджен-ням, дi! високих температур та мехашчних навантажень. На контактний дрп дiють напруги розтягнення, вiн нагрiваеться транзитними

© Устименко Д. В., 2016

струмами i струмами в процес струмознiмання. Все це призводить до достатньо великое' кшько-стi його пошкоджень. Кожне пошкодження контактного дроту викликае перерив в рус по!з-дiв, в середньому, на 2 години [1], що також супроводжуеться суттевими матерiальними втратами.

Низький термiн служби мщного контактного дроту визначаеться не ильки його зносом, але i високою ймовiрнiстю обриву, що пов'язано з низьким опором такого дроту до втрати мщно-сн при на^ванш. Це особливо важливо для високошвидюсних магiстралей, оскiльки дроти !хньо! контактно! мережi мають бiльший натяг для забезпечення надшного струмознiмання.

Контактний дрп, що приймае участь у струмозшманш електрично! енерги, представляе собою один з компонента сильнострумового ковзного контакту.

Експлуатащя сильнострумового ковзного контакту на вщмшу вщ широко поширених на практищ вузлiв тертя супроводжуеться дiею електричного струму на процеси зовнiшнього тертя. Поряд з цим слщ пам'ятати, що працез-датнiсть ковзних контакпв, пов'язана з !х зно-сом, в основному визначаеться тими процеса-ми, як протiкають в поверхневих шарах пар тертя в звичайних триболопчних системах.

Проходження струму через поверхш пар тертя призводить до збшьшення !х нагрiву, росту кшетики протiкання хiмiчних реакцiй, проявля-еться перенос матерiалiв контактiв обумовле-ний електричними явищами. Висока температура точок контакпв пояснюеться високою гус-тиною струму в цих зонах i тим, що тепло вид> ляеться на невеликих контактних поверхнях, якi в наслiдок !х малого розмiру представляють собою значнi тепловi опори.

У вiдповiдностi до закону Джоуля-Ленца в точках контакту вцщляеться тепло, пропорцш-не величинi Ш. Для кожного матерiалу контакпв iснують певнi значення напруги, за яких не виникають пошкодження контакпв. В контактi Си - Си напруга 0,03 В, 0,12 В, 0,3 В та 0,43 В викликае на^в контактуючих елеменнв до

температури вiдповiдно 16 °С, 190 °С, 700 °С та 1065 С, а при Hanpy3i 0,8 В мщь кипить [2]. В резyльтатi нагр1вання властивостi матерiалy контакту pi3KO змiнюються. Зменшуеться робота, що затрачуеться на руйнування поверхнi матерiалiв в мющ ix контакту.

Bei фактори, що впливають на працездат-нють сильнострумових ковзних контактiв при-йнято роздiляти на три групи:

1. конструктивш (профiль перерiзy дроту, кшьюсть накладок на полозi, тип шдвю-ки, тип арматури пiдвiски);

2. металознавчi (матерiал контактiв, вид змащування);

3. експлуатацшш (швидкiсть ковзання, си-ли, що ддать на контакти, струм, вплив зовшшнього середовища).

В парi з контактним дротом працюють рiз-ного роду стрyмознiмальнi елементи. На змш-ному стрyмi стрyмознiмання вщ контактного дроту здiйснюеться вyгiльними вставками як на коксовш так i на графiтовiй основi. На постш-ному стрyмi для тих же цшей вyгiльнi вставки використовуються на малопотужному електро-рухомому склада Для зняття електроенерги на потужному електрорухомому склад1 nocTiиного

струму використовують порошков1 контактн1 пластини як на зал1знш, так 1 на мщнш основа Також на постшному струм1 струмозшмання здшснюеться з використанням металовуглеце-вих вставок.

Ковзний контакт «струмоприймач - контак-тний дрт> вщноситься до того виду електрич-ного контакту робота якого супроводжусться процесами тертя 1 зносу. В експлуатацп елект-ричних контакпв тертя 1 знос вщграють важ-ливу роль, оскшьки одночасно з електроф1зич-ними процесами прот1кають мехашчш 1 ф1зико-х1м1чн1 процеси, яю супроводжуються змшою складу 1 структури матер1ал1в, що контактують.

У випадку ковзного контакту площа контак-тування визначаеться ймов1ршсно-

статистичним характером взаемодп окремих дшянок 1 в загальному випадку шддаеться флу-ктуащям, головним результатом яких е динам1-чш процеси електрично! ерози та шушв в ко-мутованих сигналах. З урахуванням сукупносп мехашчних, електричних 1 ф1зико-х1м1чних фа-ктор1в, що д1ють в ковзному контакт запропо-нована для !х системного анал1зу схема на рис. 1 [3].

Рис. 1. Схема фактор1в, що дшть в електричному контакт1

Через хвилястють 1 шорстюсть поверхонь, а також наявност непровщних пл1вок фактична площа контакту менше, шж номшальна. Фрик-цшними 1 електромехашчними параметрами сполучення е сила натиску на контакти Р, шви-дюсть ковзання V, густина струму _), напруга, що комутуеться и. Додатковими факторами е тиск р0, х1м1чна активнють ц 1 температура Т навколишнього середовища. Вихщними характеристиками ковзного контакту служать коеф1-щент тертя f, штенсившсть зносу Ь, що визна-чае р1вень мехашчних втрат 1 довгов1чшсть, а також штенсившсть вщмов X 1 контактний спад напруги Ик, що визначае надшшсть 1 р1вень електричних втрат.

Визначення фактично! площ1 контакту необ-хщно при анал1з1 будь-яко! пари тертя. Най-бшьш широко використовуються наступш тд-ходи до визначення фактично! площ1 1 опору контакту: метод опорних кривих (автори Н.В. Демкин 1 И.В. Крагельский) 1 метод випадкових пол1в (Н.Ф. Семенюк 1 Г.А. Сиренко).

Вщхилення геометри фактично! поверхш вщ номшально! приводить до спотворення в роз-подш лшш струму в перер1зах тш, що контактують. При цьому виникае електричний отр -отр стягування, вираз для визначення якого запропонований Р. Хольмом [2].

До важливих експлуатацшних характеристик контактних пар пристро!в струмозшмання,

© Устименко Д. В., 2016

що визначають 1х надiйнiсть i економiчнiсть, вщносять коефiцiент тертя i iнтенсивнiсть зно-су (зносостiйкiсть). Знос як контактного дроту, так i контактних вставок пантографа вище кри-тичних значень е неприпустимим. Для мапст-рального електричного транспорту середнiй питомий знос визначаеться для окремих анкер-них дiлянок перегонiв, дiлянок i т. г Знос контактного дроту визначаеться значенням серед-нього питомого зносу виразом [3]:

AS 104У

(1)

де AS" - зменшення nepepi3y дроту;

N - кшьюсть проходiв одиниць рухомого складу

Ощнка зносу контактних вставок пантографа виконусться за допомогою ïx питомо! витра-ти на 1 млн. км [3]:

&т -

GT L

(2)

е,аг = ек + епов + е,

СП

(3)

ляризують структуру композита [5, 6]. До того ж цей метод найбшьш ефективний для сильно-струмових контакпв, що працюють з високою швидюстю ковзання (до 102 м/с).

Необхщшсть замiни контактного дроту визначаеться не ильки його середшм зносом, але розмiрами i числом локальних зносiв. Нерiвно-мiрнiсть зносу дроту в основному пояснюеться характером змши натискання в контактi. Тому не менш важливою е задача визначення умов стабшзацп i оптимiзацi! контактного натискання.

Методика оцшки якостi передачi електрое-нергi! через ковзний контакт передбачае визна-чення двох основних показникiв - надiйностi та сконо\пчносп зшмання струму [7].

де G - загальна витрата вставок;

L - пробiг електрорухомого складу.

В процес струмознiмання вiдбуваeться на-грiвання як контактного дроту, так i контактних вставок пантографу. Максимальш значення те-мператури пари тертя «струмоприймач - контактний дрт> регламентуеться вiдповiдними нормами. Розрахунок загально! температури в зонi контакту визначаеться за методикою [4] наступним чином:

де ®Г' - об'ем на температура (вщ джоуле во!' те плоти);

®пов - температура номшально! поверхш вщ тертя 1 контактного опору;

®сп - температура спалаху.

Для оцiнки коефщента тертя i iнтенсивностi зносу контактних пар пристро!в струмозшман-ня необхщно враховувати максимальну температуру.

Для сильнострумових ковзних контактiв можливi два варiанти пiдвищення !х працездат-носи: використання металiчних контактiв iз мастильними матерiалами, що наповненi дис-персшними електропровiдними добавками, або використання композицшних металомiстких матерiалiв. У другому випадку ошташзащя вла-стивостей контакту досягаеться шляхом вико-ристання металiзованих твердих мастильних компоненив (порошкiв або волокон), що регу-

Натискання в контакт!

Рис. 2. Залежшсть зносу елеменив ковзного контакту в1д сили натискання

Основним критерiем надiйностi та економ> чностi е сила контактного натискання, при зме-ншеннi якого зростае ймовiрнiсть вiдривiв i пов'язаних з цим випадюв iскроутворення, а при збшьшеш виникае небезпека пошкодження елеменив ковзного контакту (струмоприймача, дроту) за рахунок значних динамiчниx сил, особливо за умови високих швидкостей руху.

Зменшення сили натискання приводить до зменшення зносу, але ильки до деякого значення, шсля якого подальше зменшення натискання приводить до зростання зносу за рахунок юкроутворення i електроерозшного руйнування поверхневого шару контактних матерiалiв (рис.

2) [3].

Таким чином, вибiр оптимального натискання можна звести до розв'язку двох основних задач:

1. отримання U-подiбниx залежностей зносу вщ сили натискання при заданому струмц

2. корегування вихщно! сили натиску

^кт.опт з урахуванням реальних параметрiв струмоприймача i дп навколишнього середо-вища.

© Устименко Д. В., 2016

Висновки

Проблема надшно1 та eK0H0Mi4H0i' експлуатацп сильнострумових ковзних контакпв, не може вирiшуватись тiльки за рахунок матерiа-лiв, конструкцп або технологи, а потребуе комплексного шдходу з урахуванням реальних умов експлуатацп.

Також необхвдно зауважити, що не дивля-чись на численш дослiдження, iснуе значний розрив мiж iнженерною практикою i теорiею. Велика кшьюсть робiт виконана спецiалiстами

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Берент В.Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта [Текст] В.Я. Берент.-М.: 1нтекст. 2005. -408 с.

2. Хольм Р. Электрические контакты [Текст] Р. Хольм - М.: Иностранная литература, 1961 - 464 с.

3. Сидоров О.А. Исследование и прогнозирование износа контактных пар систем токосъёма с жестким токопроводом: Монография [Текст]/ О.А. Сидоров, С.А. Ступаков.-М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». 2012. - 174 с.

4. Гинзбург А.Г. Расчет средней температуры скользящего контакта пары контактный провод — токосъемные пластины пантографа [Текст] / А.Г. Гинзбург, А.М. Маханько, А.В. Чичинадзе // Трение и износ фрикционных материалов. - М.: Наука, 1977. - c. 20-26.

5. Кончиц В.В. Триботехника электрических контактов [Текст] В.В. Кончиц, В.В. Мешков, Н.К. Мышкин. — Минск: Наука и техника, 1986. - 260 с.

6. Кончиц В.В. Влияние электрического тока на фрикционное взаимодействие металлов [Текст] В.В. Кончиц // Трение и износ. - 1981. - Т. 2. - № 1. - c. 170-176.

7. Токосъем и токоприемники электроподвижного состава [Текст] / Под ред. И.А. Беляева. 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Транспорт, 1976. - 184 с.

Надшшла до друку 01.12.2016.

в обласп електротехшки i в них глибоко розг-лядались процеси та явища електрично! приро-ди в ковзному контакт та не враховаш техно-лопчш. В зв'язку з цим актуальнють аспекпв роботи електричних контакпв не знижуеться, а зростае. Тому розвиток теорп струмозшмання на електрифшованих залiзницях з метою забез-печення !х надшно! та економiчноl роботи в сучасних i перспективних умовах експлуатацп е актуальною науковою задачею.

REFERENCES

1. Berent V.Ya. Materialyi i svoystva elektrich-eskih kontaktov v ustroystvah zheleznodorozhnogo transporta [The materials and properties of the electrical contact devices in railway transport] V.Ya. Berent.-M.: Intekst. 2005. - 408 s.

2. Holm R. Elektricheskie kontaktyi [Electrical contacts] R. Holm - M.: Inostrannaya literatura, 1961 -464pp.

3. Sydorov O.A. Issledovanye i prognozirovanye iznosa kontaktnykh par system tokosema s ghoskim tokoprovodom: Monografia [Research and forecasting of wear contact pairs tokosema systems with rigid current lead]/ O.A. Sydorov, S.A. Stupakov.-M.: FGBOU «Uchebno-metodycheskyj tcentr po obrazovanyu na zjeleznodorozjnom transporte». 2012. - 174pp.

4. Gynzburg A.G. Raschet srednejy temperatury scolzjashego kontakta pary kontaktnyj provod -tokocjemnye plastiny pantografa [The calculation of the average temperature of the sliding contact pair catenary

- pantograph the current collection plate] / A.G. Gynzburg, A.M. Makhanko, A.V. Chichinadze // Trenie i iznos friktcionnykh materialov. - M.: Nauka, 1977. -pp. 22-26.

5. Konchits V.V., Konchits V.V., Meshkov V.V., Tribotekhnika elektricheskikh kontaktov [Tribotechnika of electrical contacts]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1986. 260 pp.

6. Konchits V.V. Vlijanie elektricheskogo toka na friktcionnoe vzaimodejstvie metallov [Effect on electric current frictionally engaged metals] V.V. Konchits // Trenie i iznos. - 1981. - T. 2. - №1. - pp. 170-176.

7. Tokosem i tokopriemniki elektropodvizgnogo sostava [And current collection pantographs of electric rolling] / Pod red. I.A. Beljaeva. 2-e izd., pererab. i dop.

- M.: Transport, 1976. - 184 pp.

Внутршнш рецензент Гетьман Г. К. Зовшшнш рецензент Танкевич С. М.

Розв'язок задачi з ефективноТ експлуатацп контактно! мережi та електрорухомого складу ставить вимо-ги до подальшого зменшення зносу контактного дроту i випадкiв його руйнування, пщвищення ресурсу роботи полозiв струмоприймачiв, зменшенню втрат електроенергiТ при струмозыманнк При цьому проблема надшноТ та економiчноТ експлуатацiТ сильнострумових ковзних контакпв, не може вирiшуватись ттьки за рахунок матерiалiв, конструкцiТ або технологи, а потребуе комплексного пщходу з урахуванням реальних умов експлуатацп.

Не дивлячись на числены дослщження, юнуе значний розрив мiж шженерною практикою i теорiею. Велика ктьюсть робiт виконана спе^алютами в областi електротехнiки i в них глибоко розглядались процеси та явища електричноТ природи в ковзному контакт та не врахован технолопчнк В зв'язку з цим актуа-

© Устименко Д. В., 2016

льнють аспектiв роботи електричних контак^в не знижуеться, а зростае. Тому розвиток теорп струмозш-мання на електрифкованих залiзницях з метою забезпечення Тх надiйноí та економiчноí роботи в сучасних i перспективних умовах експлуатацп е актуальною науковою задачею.

Ключовi слова: електричний ковзний контакт; контактна пара; струмозымання; контактний др^; штен-сивнiсть зносу; контактна вставка пантографа.

Кафедра «Электротехника и электромеханика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепр, Украина, 49010, тел. +38 (056) 37-31-537, ORCID: orcid.org/0000-0003-2984-4381

Решение задачи по эффективной эксплуатации контактной сети и электроподвижного состава ставит требования к дальнейшему уменьшению износа контактного провода и случаев его разрушения, повышение ресурса работы полозьев токоприемников, уменьшению потерь электроэнергии при токосъеме. При этом проблема надежной и экономичной эксплуатации сильноточных скользящих контактов, не может решаться только за счет материалов, конструкции или технологии, а требует комплексного подхода с учетом реальных условий эксплуатации.

Несмотря на многочисленные исследования, существует значительный разрыв между инженерной практикой и теорией. Большое количество работ выполнена специалистами в области электротехники и в них глубоко рассматривались процессы и явления электрической природы в скользящем контакте и не учтенные технологические. В связи с этим актуальность аспектов работы электрических контактов не снижается, а растет. Поэтому развитие теории токосъема на электрифицированных железных дорогах с целью обеспечения их надежной и экономичной работы в современных и перспективных условиях эксплуатации является актуальной научной задачей.

Ключевые слова: электрический скользящий контакт; контактная пара; токосъем; контактный провод; интенсивность износа; контактная вставка пантографа.

Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, st. Lazaryan, 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: +38 (056) 37-31-537, ORCID: orcid.org/0000-0003-2984-4381

CURRENT STATE OF THE PROBLEM ON CURRENT COLLECTION OF ELECTRIFIED RAILWAYS

The task of the effective operation of a contact network of electric rolling stock and puts demands on the further reduction of the wear of the trolley wire, and if it is destroyed, increase the service life of runners of current collectors, a reduction of electricity losses in the current collector. The problem of reliable and economical operation of high-current sliding contacts, can not be solved only by the materials, design and technology, and requires a comprehensive approach taking into account the actual operating conditions.

Despite numerous studies, there is a considerable gap between theory and engineering practice. A large number of works carried out by experts in the field of electrical engineering and in their processes and phenomena of an electrical nature are deeply discussed in sliding contact and not addressed by technology. In this regard, the relevance of aspects of the electrical contacts is not reduced, and growing. Therefore, the development of the theory of current collection on electrified railways to ensure their reliable and efficient operation in the current and future operating conditions is an urgent scientific challenge.

Keywords: electric sliding contact; the contact pair; current collection; the contact wire; the intensity of wear of the pantograph contact strip.

УДК 621.336

Д. В. УСТИМЕНКО (ДНУЖТ)

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ТОКОСЪЕМ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

Внутренний рецензент Гетьман Г. К. UDC 621.336

D.V.USTYMENKO (DNURT)

Внешний рецензент Танкевич Е.Н.

Internal reviewer Getman G. K.

External reviewer Tankevych Ye. M.

© Устименко Д. В., 2016