CC BY
52
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-72.
E-mail: 1zzzz1omsk@gmail.com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Москалев, Ю. В. Определение места размещения и мощности компенсирующего устройства в системе тягового электроснабжения переменного тока двухпутного участка по минимуму потерь активной мощности [Текст] / Ю. В. Москалев, Г. Г. Ахмедзянов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 2 (26). - С. 100 - 107.
versity (OSTU).
Phone: +7 (3812) 31-18-72. E-mail: 1zzzz1omsk@gmail.com
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Moskalev Y. V., Ahmedzyanov G. G. The definition of the location and capacity of the compensating device in the ac electrical power system of railways by minimum of active power losses. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 26, no. 2, pp. 100 - 107. (In Russian).
УДК 621.336.322
О. А. Сидоров, И. Л. Саля
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ВЫБОР МЕТОДА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТОКОПРИЕМНИКА
ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Аннотация. Реальный процесс взаимодействия токоприемника с контактной подвеской связан со случайными процессами. Основными факторами, воздействующими на токоприемник, являются колебания подвижного состава на уровне установки токоприемника, аэродинамическое воздействие, нестабильность динамических свойств токоприемника и контактной подвески и т. д. Ввиду множества влияющих на токосъем факторов теоретически исследовать динамическую систему «токоприемник - контактная подвеска» в полном объеме сложно. Более рациональным для теоретических исследований и достаточным для практического использования является рассмотрение детерминированных процессов.
При численном моделировании токоприемников наиболее распространены следующие типы расчетных схем (моделей):
- схема с малым числом степеней свободы и приведенными массами;
- схема, состоящая из элементов, описываемых массами и геометрическими размерами реального токоприемника;
- модели токоприемника, созданные в специализированных CAD-системах, которые детально описывают геометрические размеры и физические свойства каждого элемента токоприемника.
При проектировании устройств токосъема необходимым является расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской. Контактная подвеска в расчетах учитывается в виде сосредоточенной массы, взаимодействующей с полозом токоприемника, или в виде пространственной системы, составленной из упругих элементов конечной длины (контактная подвеска с распределенными параметрами). Второй тип модели контактной подвески активно используется в расчете взаимодействия с первыми двумя типами рассмотренных моделей токоприемников. Однако данный тип модели контактной подвески не может быть использован в CAD-системе, так как такие системы в настоящее время не позволяют выполнять динамические расчеты с учетом деформаций и волновых процессов в контактной подвеске.
С учетом особенностей каждого из представленных видов моделей токоприемника предложена методика выбора модели токоприемника в зависимости от цели моделирования.
Ключевые слова: токоприемник, модель, CAD-система, динамика, нагрузки.
О^ А. Sidorov, Ilya L. Salya
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
THE CHOICE OF THE METHOD OF NUMERICAL SIMULATION OF THE PANTOGRAPH ELECTRIC ROLLING STOCK
Abstract. The actual process of interaction of pantograph with catenary associated with random processes. The main factors affecting the pantograph are vibrations of the rolling stock, aerodynamic, the instability of the dynamic
■Ё^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 107
properties of the pantograph and overhead catenary, etc. In view of the plurality of influencing the current collection of factors theoretically investigate the dynamical system "Pantograph - catenary" in full It is a complex task. A more rational to theoretical studies and sufficient for practical use is to consider deterministic processes.
In the numerical simulation of the current collectors are the most common types of the following design schemes (models):
- lumped mass pantograph model;
- pantograph multibody schematics;
- pantograph multibody schematics in CAD-systems, which describe in detail the geometric dimensions and physical properties of each element of the pantograph.
In the design of the pantographs is an integral part of the calculation of interaction of pantograph with contact suspension. Contact suspension counted in the calculations in the form of a concentrated mass interacting with the pantograph skid or a spatial system composed of resilient elements offinite length (catenary with distributed parameters). The second type of catenary model is used in the interaction with the first two types of models considered by the current collectors.
Based on the features of each of the presented kinds of models, present the technique of the pantograph model selection, depending on the purpose of the simulation.
Keywords: pantograph, model, CAD-systems, dynamics stress.
Реальный процесс взаимодействия токоприемника с контактной подвеской связан со случайными процессами. Основными факторами, воздействующими на токоприемник, являются колебания подвижного состава на уровне установки токоприемника, аэродинамическое воздействие, нестабильность динамических свойств токоприемника и контактной подвески и т. д. Ввиду множества влияющих на токосъем факторов теоретически исследовать динамическую систему «токоприемник - контактная подвеска» в полном объеме сложно. Более рациональным для теоретических исследований и достаточным для практического использования является рассмотрение детерминированных процессов [1, 2].
При численном моделировании токоприемников наиболее распространены следующие типы расчетных схем (моделей):
- схема с малым числом степеней свободы и приведенными массами (рисунок 1) [3, 4];
- схема, состоящая из элементов, описываемых массами и геометрическими размерами реального токоприемника (рисунок 2) [5];
- модели токоприемника, созданные в специализированных CAD-системах, которые детально описывают геометрические размеры и физические свойства каждого элемента токоприемника (рисунок 3) [6].
Каретка -►
Жк
Верхний рычаг -^
Жв,
Нижний рычаг -
Жн
mt
I Wк |lj
mвр
щ ^р [J-]
wn | I | гнр
Г
777777777777?
б
Рисунок 1 - Токоприемник (а) и его расчетная схема с малым числом степеней свободы и
приведенными массами (б)
m
нр
а
В расчетных схемах с малым числом степеней свободы основные параметры моделируемой системы приводятся к точке контакта полоза токоприемника с контактной подвеской и верхним шарнирам системы подвижных рам. Данный способ численного моделирования имеет малое число рассматриваемых степеней свободы, что приводит к упрощению реальной задачи и уменьшению точности получаемых результатов при моделировании статики и динамики процесса токосъема. Несмотря на небольшую точность моделирования токоприемника данные модели активно используются для проектирования участков контактной сети в европейских странах. При моделировании используются программные средства, разработанные крупными компаниями (Siemens, Deutsche Bahn, SNCF), занимающимися проектированием, производством и обслуживанием железнодорожной техники, устройств и сооружений. Данные программные средства являются закрытыми и используются только внутри компаний-разработчиков. К таким программным средствам относятся Sicat-Dynamics, PrOSA, OSCAR. При моделировании взаимодействия токоприемника и контактной подвески в программной среде OSCAR реальный токоприемник преобразуется в модель с сосредоточенными массами при помощи оптимизации неградиентным случайным поиском путем подбора вычисленных амплитудно-частотных характеристик трех масс токоприемника (каретка, верхний и нижний рычаги).
Второй вариант формирования модели токоприемника более точно описывает реальные геометрические, кинематические, упругие и инерционные параметры токоприемника.
Данная модель позволяет более точно описать работу токоприемника, подобрать размеры и параметры отдельных его элементов с точки зрения оптимизации динамики и статики процесса токосъема [7]. При использовании такого типа моделей появляется возможность моделировать токоприемник в трех измерениях, создавая условия для учета распределения усилий в каретках, при нагрузках, неравномерно действующих на полоз.
Данный тип моделей, как и тип моделей с приведенными параметрами, реализуется в любой современной программной среде (C++, Object Pascal, Visual Basic и др.),
Рисунок 2 - Расчетная стержневая схема, учитывающая геомет- а также в специализированных рические размеры элементов токоприемника математических программах
(MathCAD, MathLab и др.). Использование специализированных математических программ облегчает процесс визуализации расчетной схемы, исходных данных и полученных результатов. Использование программы, написанной на языке программирования в программной среде, позволяет использовать в модели несвойственные для математической программы элементы, которые позволяют более точно описывать различные элементы токоприемника, в том числе работу системы автоматического регулирования токоприемника и предохранительных устройств.
Третий вариант численного моделирования подразумевает использование специализированных программных средств (CAD-систем), позволяющих выполнить поэлементное проектирование основных элементов и систем токоприемника. В данном случае учитывается вся геометрия токоприемника, а также особенности используемых материалов, форм и креплений. При использовании этого типа моделирования появляется возможность выполнять не
№ 2(26) 2016
только динамические расчеты процесса токосъема, но и аэродинамические, температурные, прочностные. В совокупности такое параметрическое моделирование позволяет выполнить рациональное проектирование элементов токоприемника.
FRICTION BANDS CROSS BAR UPPER ROD UPPER ARM
BASE LOWER ARM
LOWER ROD
Рисунок 3 - Схема токоприемника в CAD-системе, встроенной в программное обеспечение OSCAR (Франция)
Данный вид моделирования тесно связан с проектированием и оптимизацией всех элементов токоприемника, поэтому он активно используется всеми современными железнодорожными компаниями при проектировании не только устройств токосъема, но и всех элементов и устройств железнодорожного хозяйства. При проектировании активно используются следующие CAD-системы: ANSYS, MSC Nastran, T-FLEX, SolidWorks, CATIA.
При проектировании устройств токосъема необходимым является расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской. Контактная подвеска в расчетах учитывается в виде сосредоточенной массы, взаимодействующей с полозом токоприемника, или в виде пространственной системы, составленной из упругих элементов конечной длины (контактная подвеска с распределенными параметрами). Второй тип модели контактной подвески активно используется в расчете взаимодействия с первыми двумя типами рассмотренных моделей токоприемников. Однако данный тип модели контактной подвески не может быть использован в CAD-системе, так как такие системы в настоящее время не позволяют выполнять динамические расчеты с учетом деформаций и волновых процессов в контактной подвеске. Использование конечно-элементной модели контактной подвески в CAD-системе объясняется значительной погрешностью расчета взаимодействия токоприемника и контактной сети и очень высокими требованиями к вычислительной системе.
Кроме этого в CAD-системе затруднительно выполнить моделирование работы предохранительных устройств и систем автоматического регулирования токоприемника при расчете взаимодействия токоприемника и контактной сети.
На основании рассмотренных моделей разработаны рекомендации по выбору модели токоприемника, данные представлены в таблице.
Рекомендации по выбору модели токоприемника
Цель моделирования Рекомендуемая модель токоприемника
Выбор оптимальной схемы контактной сети для заданного участка пути без детального учета динамики токоприемника Схема с малым числом степеней свободы и приведенными массами
Выбор рациональных размеров элементов токоприемника, материалов, предохранительных устройств, системы автоматического регулирования и др. С учетом статических, динамических и аэродинамических нагрузок, действующих на токоприемник Стержневая схема, учитывающая геометрические размеры элементов токоприемника
Выбор рациональных размеров элементов токоприемника, материалов, аэродинамических профилей, токопрово-дящей смазки в контакте и др. С учетом статических или периодически меняющихся во времени нагрузок, действующих на токоприемник Модель в специализированной CAD-системе
Список литературы
1. Численное моделирование динамики токоприемника при взаимодействии с контактной подвеской [Текст] / Е. В. Авотин, Н. В. Миронос и др. // Вестник ВНИИЖТа / ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта». - М., 2008. - № 3. -С. 42 - 45.
2. Сидоров, О. А. Применение рациональных методик оценки качества токосъема магистральных электрических дорог [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, В. А. Жданов // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2011. - № 3. -С. 33 - 43.
3. Schär R. Active Control of the Pantograph-Catenary Interaction in a Finite Element Model // Master Thesis / Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 2013.
4. Farhangdoust S. Modeling of the Pantograph-Catenary dynamic stability / S. Farhangdoust, M. Farahbakhsh, M. Shahravi // Technical Journal of Engineering and Applied Sciences (3-14), Tehran, 2013.
5. Shimanovsky A. Modeling of the Pantograph-Catenary Wire Contact Interaction / A. Shima-novsky, V. Yakubovich, I. Kapliuk // Procedia Engineering (134), Gomel, 2016.
6. Laurent C. Pantograph catenary dynamic optimization based on advanced multibody and finite element co-simulation tools / C. Laurent, J.-P. Massat, T.M.L. Nguyen-Tajan, J.-P. Bianchi, E. Balmes // Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2014, - no. 52.
7. Михеев, В. П. Исследование и прогнозирование износа контактных пар устройств токосъема [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия высших учебных заведений. Электромеханика / Южно-Российский гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М. И. Платова. -Новочеркасск, 2003. - № 5. - С. 74 - 79.
References
1. Avotin E. V., Mironos N. V., Tituh I. N., Tyurnin P. G. Numerical modeling of the dynamics of the pantograph in contact with the catenary [Chislennoe modelirovanie dinamiki tokopriemnika pri vzaimodejstvii s kontaktnoj podveskoj]. Vestnik nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta - Railway Research Institute Bulletin, 2008, no. 3, pp. 42 - 45.
2. Sidorov O. A. , Smerdin A. N. , Zhdanov V. A. The use of rational methods for assessing the quality of current collection main electric road [Primenenie racional'nyh metodik ocenki kachestva tokos'ema magistral'nyh jelektricheskih dorog]. Transport Urala - Ural Transport, 2011, no. 3, pp. 33 - 43.
3. Schär R. Active Control of the Pantograph-Catenary Interaction in a Finite Element Model. Master Thesis. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 2013.
4. Farahbakhsh M., Shahravi M. Modeling of the Pantograph-Catenary dynamic stability. Technical Journal of Engineering and Applied Sciences (3-14), Tehran, 2013.
5. Shimanovsky A., Yakubovich V., Kapliuk I. Modeling of the Pantograph-Catenary Wire Contact Interaction. Procedia Engineering, Gomel, 2016, no. 134.
6. Laurent C., Massat J.-P., Nguyen-Tajan T.M.L., Bianchi J.-P., Balmes E. Pantograph catenary dynamic optimization based on advanced multibody and finite element co-simulation tools. Vehicle System Dynamics: International Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2014, - no. 52.
7. Miheev V. P., Sidorov O. A., Salya I. L. Research and prediction of wear of contact pairs of the current collection devices [Issledovanie i prognozirovanie iznosa kontaktnyh par ustrojstv tokos'ema]. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Jelektromehanika - Bulletin of the higher educational institutions. Electromechanics, 2003, no. 5, pp. 74 - 79.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Сидоров Олег Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
№ 2(26) 2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Sidorov Oleg Alekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа, заслуженный изобретатель РФ, академик Академии электротехнических наук РФ, академик Петровской академии наук и искусств, почетный железнодорожник, ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-34-46.
E-mail: egt@omgups.ru
Саля Илья Леонидович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Информатика, прикладная математика и механика», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 31-18-66.
E-mail: salyail@mail.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Сидоров, О. А. Выбор метода численного моделирования токоприемника электроподвижного состава [Текст] / О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2016. - № 2 (26). - С. 107 - 112.
Doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department «Power supply of railway transport» Omsk State Transport University, Honored Inventor of the Russian Federation, academician of the Academy of Electrical Sciences of Russia, Academician Peter's Academy of Arts and Sciences, Honorary Railwayman.
Phone: +7 (3812) 31-34-46.
E-mail: egt@omgups.ru
Salya Ilya Leonidovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx st., Omsk, 644046, the Russion Federation.
Ph. D., Associate Professor of the department «Computer science, applied mathematics and mechanics» Omsk State Transport University (OSTU).
Phone: +7 (3812) 31-18-66.
E-mail: salyail@mail.ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Sidorov O. A., Salya I. L. The choice of the method of numerical simulation of the pantograph electric rolling stock. Journal of Transsib Railway Studies, 2016, vol. 26, no. 2, pp. 107 - 112. (In Russian).
УДК 656.222:629.4
Е. А. Сидорова, С. О. Подгорная
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УЧАСТКОВОЙ СКОРОСТИ НА УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ЭНЕРГИИ В ГРУЗОВОМ ДВИЖЕНИИ
Аннотация. Важнейшей задачей энергетической стратегии Российской Федерации является эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Железнодорожный транспорт - один из крупнейших потребителей дизельного топлива и электроэнергии, основная доля энергозатрат которого приходится на тягу поездов. Расход энергии на тягу зависит от множества эксплуатационных факторов, в том числе от скоростных характеристик движения поездов. Статья посвящена определению способа оценки влияния изменения коэффициента участковой скорости движения грузовых поездов на изменение удельного расхода энергии локомотивами. Сделан вывод о том, что расчет коэффициентов влияния показателей использования локомотивов, в том числе коэффициента участковой скорости, необходимо выполнять для каждого структурного подразделения и анализируемого календарного периода. Предложенная для этого авторами статьи формула включена в состав Методики анализа и прогнозирования расхода ТЭР на тягу поездов, внедренной на сети железных дорог России в 2015 г.
Ключевые слова: удельный расход энергоресурсов, тяга поездов, коэффициент участковой скорости, уравнение тягово-энергетического баланса, коэффициент влияния.
Elena А. Sidorova, Svetlana O. Podgornaya
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
PRECINCT SPEED FACTOR INFLUENCE ON SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION IN FREIGHT TRAFFIC
Abstract. The most important task of the Russian Federation's energy strategy is the efficient use of energy resources. Rail transport is a one of the major consumers of diesel fuel and electricity, where the major energy consump-
