CC BY
5
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.336.7
Воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа
А. А. Воробьев, Я. С. Ватулин, Д. Д. угли Каримов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Воробьев А. А., Ватулин Я. С., Каримов Д. Д. угли. Воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 4. - С. 453-459. БО1: 10.20295/1815-588Х-2021-4-453-459
Аннотация
Цель: Оценить влияние параметров токоприемников скоростных и высокоскоростных поездов на величину аэродинамического сопротивления. Изучить воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа с использованием программы БоШ^О^. Методы: Проведено сравнение полученных значений аэродинамического воздушного сопротивления с теми, которые были определены ранее. Результаты: С помощью аэродинамического устройства можно уменьшить скорость воздушного потока, воздействующего на пантограф, уменьшить значения аэродинамического сопротивления и энергопотребления, продлить срок службы токоприемников. Практическая значимость: Предлагаемая конструкция может улучшить токосъем, что позволит снизить нагрузки на контактный провод и полоз токоприемника, понизить энергопотребление электроподвижного состава.
Ключевые слова: Токоприемник, пантограф, аэродинамическое сопротивление, лобовой воздушный поток, расчет аэродинамических сил, аэродинамическое устройство.
Государственно-акционерная компания «Узбекистон Темир Йуллари» была образована 7 ноября 1994 г. Указом Президента Республики Узбекистан № УП-982 на базе линейных подразделений, предприятий и организаций системы железнодорожного транспорта, расположенных на территории Республики Узбекистан.
Основными задачами отрасли были:
- создание единой железнодорожной транспортной сети;
- продолжение электрификации основных участков железных дорог;
- развитие инфраструктуры железнодорожного транспорта, включающее модернизацию железнодорожных путей, а также переход на оптико-волоконную систему телекоммуникаций;
- развитие собственной ремонтной базы подвижного состава;
- восстановление и обновление подвижного состава;
- поиск альтернативных транспортных коридоров, обеспечивающих выход на мировой рынок и повышение экспортного потенциала Узбекистана [1, 2].
Основанием для решения вышеперечисленных приоритетных задач являются: Государственная программа по реализации стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 гг. «Год развития науки, просвещения и цифровой экономики» [3], «Меры по ускоренному реформированию предприятий с участием государства и приватизации государственных активов» [4], «Программа локализации производства товаров на внутреннем и внешнем рынке на 20202021 гг. » [5], «Меры по реализации инвестиционной программы Республики Узбекистан на 2021-2023 годы» [6].
В 2016 г. были завершены строительство электрифицированной железной дороги «Ангрен -Пап», проходящей через горный перевал Камчик, протяженностью 123,2 км, в том числе 19,2 км тоннеля, в 2017 г. - электрификация участка Кар-ши - Термез, протяженностью 325 км, а также строительство нового железнодорожного участка Бухара - Мискин, протяженностью 357,3 км, приобретены 2 электропоезда «АРК081У0В».
В 2018 г. была введена в эксплуатацию новая железнодорожная линия Ургенч - Хива, протяженностью 33,8 км, а также в Хиве было окончено строительство нового железнодорожного вокзала. Также завершилась электрификация нового участка Карши - Китаб, протяженность которого составляет 124 км. В 2019 г. закончены строительно-монтажные работы по проекту электрификации участка Пап - Наманган - Андижан и II этапа по проекту строительства железнодорожной линии Бухара - Мискин.
В настоящее время четыре высокоскоростных комфортабельных электропоезда «АБЯО-
SIYOB» успешно курсируют по маршрутам Ташкент - Самарканд - Бухара и Ташкент -Самарканд - Карши, которые позволили расширить туристические перевозки по железной дороге, создавая достойную конкуренцию с авиа- и автотранспортными перевозками. Электропоезд был разработан по самым передовым технологиям в Испании специалистами компании «Talgo».
Завершение строительства новых железнодорожных участков Бухара - Мискин и Ургенч -Хива дает возможность организовать высокоскоростное движение по направлениям Ташкент - Самарканд - Бухара - Хива, что позволит осуществить удобное и быстрое передвижение пассажиров и туристов по историческим местам Республики Узбекистан. Таким образом, с каждым готом растет пассажирооборот.
Приведенные данные (см. таблицу) показывают, что на железных дорогах Республики Узбекистан ежегодно увеличивается объем пассажирских перевозок. Решение этой проблемы напрямую зависит от скоростей движения. Например, железнодорожный состав на участке Ташкент - Ургенч, в 2016 г. проходивший данное расстояние за 16 ч 40 мин, в настоящее время затрачивает на преодоление того же пути 13 ч 35 мин. Расстояние между Ташкентом и Ургенчем, равное 1100 км, включает в себя участок протяженностью 330 км между городами Бухара и Мискин. Скорость ветра на этом участке будет равна 36-39 м/с. Повышение скоростей движения вместе с ветряной нагрузкой сказывается на аэродинамическом сопротивлении токоприемника и в конечном итоге на качестве токосъема.
Изменение показателей пассажирских перевозок
Показатели 2019 г. 2020 г. 2021 г. 2022 г. 2023 г.
Пассажирский оборот железнодорожного транспорта, млн пасс.-км 4385,2 1794,9 3243,2 3341 3441
Темп роста, % 101,3 40,9 180,7 103,0 103,0
Железнодорожные пассажирские перевозки, млн человек 23,37 6,28 12,33 12,82 13,21
Темп роста, %% 103,3 26,9 196,3 104,0 103,0
На рис. 1 приведены данные по аэродинамическому сопротивлению токоприемника для скоростных (7-10 %) и высокоскоростных (1215 %) поездов соответственно.
Аэродинамические свойства токоприемников принято оценивать по его аэродинамическим характеристикам [7-9], которые представляются в виде зависимостей аэродинамических сил лобового сопротивления и подъемной силы от скорости встречного воздушного потока воздуха [10]. Эти характеристики можно получить при продувке токоприемника в аэродинамической трубе, натурном эксперименте, на участке электрифицированной железной дороги, а также путем расчета аэродинамических сил по классическим формулам.
Аэродинамическое лобовое сопротивление определяется следующим образом:
= £
ртх _ Сх^хр "2",
где Сх - коэффициент аэродинамического лобового сопротивления токоприемника; 8х - площадь миделевого сечения токоприемника, м 2; р - массовая плотность воздуха, кг/м3; V - скорость воздушного потока, м/с.
Из этой формулы видно, что аэродинамическое сопротивление токоприемника зависит от квадрата скорости воздушного потока. С ростом скорости лобового воздушного потока также будет увеличиваться аэродинамическое сопротивление, что может привести к излому токоприемника (рис. 2).
Для уменьшения аэродинамического сопротивления и энергопотребления электроподвижного состава предлагается конструкция, пред-
Рис. 2. Токоприемник электровоза UzEL после аварии
ставленная на рис. 3. Моделирование производилось в программном комплексе БоШ'МОгкз, расчеты аэродинамических сил - по приведенной формуле (см. с. 455).
На рис. 4 представлено воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа
Для получения необходимых характеристик использовался аэродинамический экран, и от него был подан воздушный поток со скоростью до 35,406 м/с (дано красным цветом). После столкновения с аэродинамическим экраном
происходило разделение воздушного потока, что способствовало уменьшению скорости потока воздуха, воздействующего на рабочую поверхность токоприемника (показано синим цветом), до 7,587 м/с.
Таким образом, созданная модель аэродинамического устройства в программном комплексе БоНё^Ок будет способствовать снижению аэродинамического сопротивления, предотвращению излома узлов пантографа, поддержанию стабильного контакта токоприемника и контактной линии, повышению энергоэффектив-
Рис. 3. Аэродинамическое устройство для токоприемника
Рис. 4. Воздействие воздушного потока на аэродинамическое устройство для пантографа
ности конструкции путем уменьшения усилия на подъем токоприемника.
Из приведенной классической формулы (см. с. 455) и рис. 4 видно, что с помощью аэродинамического устройства можно в несколько раз снизить скорость воздушного потока, воздействующего на пантограф, а это способствует улучшению энергопотребления и в конечном итоге позволит продлить срок службы токоприемников.
Библиографический список
1. Бизнес-план АО «УТЙ» на 2019 г. - Ташкент: АО «УТЙ», 2019. - 5 с.
2. Бизнес-план АО «УТЙ» на 2020-2023 гг. - Ташкент: АО «УТЙ», 2020. - 6 с.
3. Государственная программа по реализации стратегии действий по пяти приоритетным направлениям развития Республики Узбекистан в 2017-2021 гг. -Указ Президента Республики Узбекистан УП-5953 от 2 марта 2020 г. - URL: http://lex.uz/ru/docs/4751561 (дата обращения: 04.10.2021).
4. Меры по ускоренному реформированию предприятий с участием государства и приватизации государственных активов. - Указ Президента Республики Узбекистан от 27 октября 2020 г. - URL: http://lex.uz/ ru/docs/5068824 (дата обращения: 04.10.2021).
5. Программа локализации производства товаров на внутреннем и внешнем рынке на 2020-2021 гг. -Постановление кабинета министров Республики Узбекистан № 136 от 10 марта 2020 г. - URL: http://lex.uz/ ru/docs/4759735 (дата обращения: 04.10.2021).
6. Меры по реализации инвестиционной программы Республики Узбекистан на 2021-2023 гг. - Постановление Президента Республики Узбекистан от 28 декабря 2020 г. - URL: http://lex.uz/ru/docs/5189874 (дата обращения: 04.10.2021).
7. Маслов Г. П. Влияние аэродинамической подъемной силы токоприемника на качество токосъема / Г. П. Маслов, Е. Н. Панзо // Совершенствование схем устройств электроснабжения транспорта и проектирование их конструкций: сб. науч. трудов. - Екатеринбург: Урал. гос. ун-т путей сообщения, 2006. -Вып. 48 (131). - С. 168-174.
8. Маслов Г. П. О выборе рациональной аэродинамической характеристики токоприемника / Г. П. Маслов, О. И. Поздняков, Е. Н. Панзо // Исследования и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте: Межвуз. сб. науч. трудов с междунар. участием. - Самара: Самарск. ин-т инженеров ж-д. транспорта, 2002. - Вып. 23. - С. 70-71.
9. Воробьев А. А.Эволюция конструкции подвижного состава легкорельсового транспорта в Санкт-Петербурге / А. А. Воробьев, А. М. Будюкин, В. Г. Кондратенко, Д. Д. угли Каримов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 62-71.
10. Маслов Г. П. О методах определения аэродинамических показателей полоза токоприемника / Г. П. Маслов, О. И. Поздняков, А. В. Широкова, А. П. Стариков // Повышение надежности работы устройств электроснабжения железных дорог: сб. науч. трудов. - Екатеринбург: Урал. гос. акад. путей сообщения, 2000. - Вып. 13 (95). - С. 53-57.
Дата поступления: 13.10.2021 Решение о публикации: 24.11.2021
Контактная информация:
ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич - д-р техн. наук, доц.;79219751198@уапёех.ги ВАТУЛИН Ян Семенович - канд. техн. наук, доц.; yan-roos@yandex.ru
КАРИМОВ Дастонбек Давронбой угли - аспирант; dostonkarimov325@gmail.com
The effect of air flow on an aerodynamic device for a pantograph
A. A. Vorob'ev, Ya. S. Vatulin, D. D. ugli Karimov
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Vorob'ev A.A., Vatulin Ya. S., Karimov D. D. ugli. The effect of air flow on an aerodynamic device for a pantograph. Proceedings of Petersburg Transport University, 2021, vol. 18, iss. 4, pp. 453459. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-4-453-459
Summary
Objective: To evaluate the influence of the parameters of current collectors of high-speed and very high-speed trains on the value of aerodynamic resistance. To study the effect of airflow on a pantograph aerodynamic device using SolidWorks software. Methods: A comparison of the obtained values of aerodynamic air resistance with those that were produced earlier is carried out. Results: By means of aerodynamic device, it is possible to reduce the speed of the air flow effecting the pantograph, to reduce the values of aerodynamic resistance and energy consumption, to extend the service life of current collectors. Practical importance: The proposed design can improve the current collection, which will reduce the load on the overhead line and the pantograph slide, and reduce the energy consumption of electric rolling stock.
Keywords: Current collector, pantograph, aerodynamic resistance, frontal air flow, calculation of aerodynamic forces, aerodynamic device.
References
1. Biznes-plan AO "UTY" na 2019 g. [Businessplan ofJSC "UTY" for 2019]. Tashkent, AO "UTY" [JSC "Uzbekistan Railways "] Publ., 2019, 5 p. (In Russian)
2. Biznes-plan AO "UTY" na 2020-2023 gg. [Business plan ofJSC "UTY" for 2020-2023]. Tashkent, AO "UTY" [JSC "Uzbekistan Railways"] Publ., 2020, 6 p. (In Russian)
3. Gosudarstvennaya programma po realizatsii strate-gii deystviy po pyati prioritetnym napravleniyam razvitiya Respubliki Uzbekistan v 2017-2021 gg. Ukaz Preziden-ta Respubliki Uzbekistan UP-5953 ot 02 marta 2020 g. [State program for the implementation of the strategy of actions in five priority areas of development of the Republic of Uzbekistan in 2017-2021. Decree of the President of the Republic of Uzbekistan UP-5953 of March 02, 2020]. Available at: http://lex.uz/ru/docs/4751561 (accessed: October 04, 2021). (In Russian)
4. Merypo uskorennomu reformirovaniyupredpriya-tiy s uchastiyem gosudarstva i privatizatsii gosudarstven-
nykh aktivov. Ukaz Prezidenta Respubliki Uzbekistan ot 27 oktyabrya 2020 g. [Measures for the accelerated reform of enterprises with the participation of the state and the privatization of state assets. Decree of the President of the Republic of Uzbekistan dated October 27, 2020]. Available at: http://lex.uz/ru/docs/5068824 (accessed: October 04, 2021). (In Russian)
5. Programma lokalizatsii proizvodstva tovarov na vnutrennem i vneshnem rynke na 2020-2021 gg. Pos-tanovleniye kabineta ministrov Respubliki Uzbekistan no. 136 ot 10 marta 2020 g. [The program for the localization of production of goods in the domestic and foreign markets for 2020-2021. Resolution of the Cabinet of Ministers of the Republic of Uzbekistan N 136 dated March 10, 2020]. Available at: http://lex.uz/ru/docs/4759735 (accessed: October 04, 2021). (In Russian)
6. Mery po realizatsii investitsionnoy programmy Respubliki Uzbekistana na 2021-2023 gg. Postanovleniye Prezidenta Respubliki Uzbekistan ot 28 dekabrya 2020 g. [Measures to implement the investment program of the Republic of Uzbekistanfor 2021-2023. Resolution of the
President of the Republic of Uzbekistan dated December 28, 2020]. Available at: http://lex.uz/ru/docs/5189874 (дата обращения: 04.10.2021). (In Russian)
7. Maslov G. P. & Panzo E. N. Vliyaniye aerodinami-cheskoy pod"yemnoy sily tokopriyemnika na kachestvo tokos"yema [The influence ofthe aerodynamic lifting force of the current cellector on the quality of current collection]. Sovershenstvovaniye skhem ustroystv elektrosnab-zheniya transporta i proyektirovaniye ikh konstruktsiy. Sbornik nauchnykh trudov [Improvement ofthe schemes of power supply devices for transport and the design of their structures. Collection of scientific papers]. Yekaterinburg, Ural State Transport University Publ., 2006, iss. 48 (131), pp. 168-174. (In Russian)
8. Maslov G. P., Pozdnyakov O. I. & Panzo E. N. O vybore ratsional'nyy aerodinamicheskoy kharakte-ristiki tokopriyemnika [On the choice of rational aerodynamic characteristics of a current collector]. Issledova-niya i razrabotka resursosberegayushchikh tekhnologiy na zheleznodorozhnom transporte. Mezhvuzovskiy sbornik nauchnykh trudov s mezhdunarodnym uchas-tiyem [Research and development of resource-saving technologies in railway transport. Interuniversity collection of scientific papers with international participation]. Samara, Samarskiy institute inzhenerov zh.-d. transporta [Samara State Transport University] Publ., 2002, iss. 23, pp. 70-71. (In Russian)
9. Vorob'ev A. A., Budiukin A. M., Kondratenko V. G. & Karimov D. D. ugli. Evolutsia konstruksii podvizhno-go sostava legkorel'sovogo transporta v Sankt-Peterburge [Evolution of design of light-rail transport rolling stock in Saint Petersburg]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings ofPetersburg Transport University], 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 62-70. (In Russian)
10. Maslov G. P., Pozdnyakov O. I., Shirokova A. V. & Starikov A. P. O metodakh opredeleniya aerodinami-cheskikh pokazateley poloza tokopriyemnika [On the methods of determining the aerodynamic parameters of the pantograph slide]. Povysheniye nadezhnosti raboty ustroystv elektrosnabzheniya zheleznykh dorog. Sbornik nauchnykh trudov [Improving the reliability ofpower supply devices for railways. Collection of scientific papers]. Yekaterinburg, Ural. gos. akad. putey soobshcheniya [Ural State Transport Academy] Publ., 2000, iss. 13 (95), pp. 5357. (In Russian)
Received: October 13, 2021 Accepted: November 24, 2021
Author's information:
Aleksandr A. VOROB'EV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; 79219751198@yandex.ru Yan S. VATULIN - PhD in Engineering, Associate Professor; yan-roos@yandex.ru Dastonbek D. ugli KARIMOV - Postgraduate Student; dostonkarimov325@gmail.com
