На правах рукописи
ХАЛИКОВ Карим Равильевич
УДК 621.331:621.311.4:621.316.9
УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ
КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО
ТОКОСЪЕМА, В УСЛОВИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОМСК 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор МАСЛОВ Геннадий Петрович.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Сидоров Олег Алексеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор НЕХАЕВ Виктор Алексеевич – профессор кафедры «Теоретическая механика», Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС);
кандидат технических наук, доцент БЕЛЯЕВ Павел Владимирович – доцент кафедры «Электрическая техника», Омский государственный технический университет (ОмГТУ).
Ведущая организация:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».
Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 27 мая 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: [email protected]
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.
© Омский гос. университет путей сообщения,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства России № 877-р от 17 июня 2008 г., планируется значительное увеличение объема перевозок. Повышение интенсивности движения поездов на электрических железных дорогах предъявляет высокие требования к качеству токосъема, особенно в местах контактной сети с повышенной жесткостью, к которым относятся воздушные стрелки, секционные изоляторы, сопряжения анкерных участков и др.
На железных дорогах России отраслевыми институтами подготовлен проект федеральной целевой программы «Развитие скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов в России на период 2000 – 2015 гг.».
В соответствии с указанной программой намечена организация к 2015 г. скоростного пассажирского движения на полигоне с общей протяженностью линий около 8000 км.
Увеличение скоростей движения также снижает надежность, экономичность и ухудшает экологичность токосъема. Взаимодействию токоприемников и контактных подвесок в указанных выше местах контактной сети, особенно при высоких скоростях движения, уделено достаточно большое внимание. Однако многие аспекты, такие как неравномерность жесткости в пролетах, особенности взаимодействия подвески с несколькими токоприемниками и др., требуют дальнейшего проведения исследований, что указывает на недостаточную разработанность темы. В связи с этим вопросы обеспечения качества токосъема в указанных местах остаются актуальными.
Цель диссертационной работы – повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн путем выравнивания жесткости контактной подвески в пролетах за счет использования разработанных компенсирующих упругих устройств.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить анализ известных методов расчета механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, на его основе установить основные допущения, принятые при расчетах, и разработать новый метод, учитывающий особенности взаимодействия токосъемных устройств на участках электрических железных дорог, содержащих переходные пролеты;
2) получить массивы исходных данных по контактным подвескам и токоприемникам, позволяющие осуществить расчет их взаимодействия;
3) провести теоретические и экспериментальные исследования механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок и сопоставить полученные данные для оценки адекватности разработанного метода;
4) предложить новые технические решения, обеспечивающие повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн, на их основе разработать конструктивное исполнение устройств и провести экспериментальные исследования их работы;
5) определить технико-экономическую эффективность принятых технических решений.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе механики твердых тел при помощи математического моделирования на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ Маtlab и Mathcad. Эксперименты проведены на лабораторных установках, полигоне и действующих участках железных дорог в соответствии с разработанными программами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) предложен метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств для определения траекторий элементов и функций контактного нажатия двух токоприемников с учетом наличия двух подвесок в переходном пролете;
2) усовершенствована статическая модель подвески с двумя контактными проводами, учитывающая разное высотное положение этих проводов;
3) разработан метод расчета статической жесткости контактных подвесок, основанный на определении неизвестных реакций связей с учетом наличия вертикальных упругих элементов.
Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов. При сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований значения критерия Фишера составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости = 0,05.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1) предложенный метод расчета взаимодействия токосъемных устройств позволяет получить зависимости контактного нажатия токоприемников от расстояния в пролетах с одной и двумя контактными подвесками с учетом волновых процессов, эффекта приведения, наличия двух токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;
2) усовершенствованная статическая модель подвески может быть использована для определения ее жесткости при разном высотном положении контактных проводов;
3) разработанный метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом вертикальных упругих элементов дает возможность выбрать рациональные варианты размещения компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.
Положения, выносимые на защиту:
1) метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств с учетом волновых процессов, эффекта приведения, наличия переходных пролетов, двух рабочих токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;
2) модель контактной подвески для расчета статических характеристик с учетом разного высотного положения контактных проводов;
3) метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия вертикальных упругих элементов.
Реализация результатов работы. Образцы разработанных компенсирующих устройств переданы в опытную эксплуатацию на Западно-Сибирскую железную дорогу – филиал ОАО «РЖД».
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (Омск, 2011), заседаниях научно-технического семинара кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа и научно-теоретического семинара ОмГУПСа (Омск, 2013).
Публикации. Основное содержание работы
опубликовано в восьми печатных работах, которые включают в себя шесть статей и один тезис докладов, получен патент РФ на полезную модель. Три статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из наименований и 5 приложений и содержит 160 страниц печатного текста, рисунков, 33 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, обозначены пути их решения.
В первом разделе выполнен анализ известных методов расчета механического взаимодействия токосъемных устройств и предложен разработанный на его основе новый метод расчета, учитывающий особенности взаимодействия нескольких токоприемников с контактными подвесками на участках электрических железных дорог, содержащих переходные пролеты.
Значительный вклад в развитие исследования взаимодействия токоприемников и контактных подвесок внесли отечественные ученые профессора И. И. Власов, В. А. Вологин, А. Г. Галкин, А. Т. Демченко, А. В. Ефимов, В. Н. Ли, Г. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. П. Михеев, В. А. Нехаев, В. А. Плакс, Л. Н. Решетов, О. А. Сидоров, А. Т. Тибилов, кандидаты наук И. А. Беляев, А. В. Фрайфельд, В. М. Павлов, А. Н. Смердин, С. В. Заренков, А. С. Голубков, Н. В. Миронос и др., а также – зарубежные исследователи И. А. Бейн, Р. Г. Готорп, Ф. Кислинг, И.1Кумезава, С. Леви, Е. И. Леклерк, Р. Майзингер, Г. Ниблер, М..Сибата, А. Стенссон, У. Реш, В. Фишер и др.
В настоящее время существуют различные методы расчета механического взаимодействия токосъемных устройств. Однако набор методов расчета в переходных пролетах сопряжений анкерных участков ограничен, и они не учитывают наличия нескольких токоприемников.
В связи с этим разработан новый метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств. Основным допущением предлагаемого метода является сохранение характера динамических возмущений, возникающих в контактной подвеске от движущегося токоприемника, при рассмотрении их в подвижной системе координат с точностью до постоянного множителя.
Модель динамического взаимодействия двух токоприемников с контактными подвесками на участках электрических железных дорог с переходными пролетами представлена на рис. 1. Траектории верхнего и нижнего узлов каждого из токоприемников определяются решением системы из четырех нелинейных дифференциальных уравнений с четырьмя неизвестными:
Hр.i, Hл.i – высотное положение нижнего и верхнего узлов i-го токоприемника соответственно, м; hосн.i – отклонение основания i-го токоприемника в вертикальном направлении от положения статического равновесия, м; mл.i, mр.i – приведенные массы полоза и системы подвижных рам i-го токоприемника, кг; жк.i – жесткость верхнего узла i-го токоприемника, Н/м; rр.i, rк.i – коэффициенты вязкого трения в рамах и каретках i-го токоприемника, Нс/м; wp.i, wк.i – силы сухого трения в рамах и каретках i-го токоприемника, Н; hкo.i – ход кареток i-го токоприемника при полной разгрузке, м; Рвл.i, Рвр.i, Рр.i – силы аэродинамического воздействия на полоз и рамы i-го токоприемника и его статического нажатия, Н; H кас i j – высотное положение j-й контактной подвески в точке нахождения i-го токоприемника при отсутствии нажатия, м; mс ij ( k ), ж с ij ( k ), rс ij ( k ) – масса, жесткость и коэффициент вязкого трения k-й подвески, обусловленные влиянием j-го токоприемника, приведенные к точке контакта с i-м токоприемником, яние между i-м и j-м токоприемниками, м; v – скорость движения электроподвижного состава, м/с; t – время движения, с.
Рис. 1. Динамическая модель взаимодействия двух токоприемников Полученное решение должно удовлетворять условиям ограничения вертикальных перемещений элементов токоприемников: Н л i Н р i ; Н л i Н р i hк i ;
ном виде, м; Н л раб max i – максимальная рабочая высота полоза i-го токоприемника относительно его основания, м; Hосн.i – высота основания i-го токоприемника относительно уровня головки рельса (УГР) в положении статического равновесия, м. Контактное нажатие i-го токоприемника определяется по выражению:
Значения mс.ij(k), жс.ij(k), rс.ij(k) можно вычислить с помощью формул:
Значения mij(k), rij(k), cij(k) и kм.ij(k) определяются следующим образом:
где mс.расп(k) – распределенная масса k-й контактной подвески, кг/м; = x – vt; x – расстояние, пройденное токоприемником, м; i(k) – функция, задающая форму бегущей волны в k-й подвеске, вызванной нажатием i-го токоприемника.
где rс.расп(k) – коэффициент распределенного вязкого трения k-й подвески, Нс/м2.
где EJ(k), K(k), жс.расп(k) – изгибная жесткость, натяжение контактных проводов и распределенная жесткость k-й подвески соответственно в Нм2, Н, Н/м2.
Используя предлагаемый метод, можно определить траектории элементов токоприемников и значения их контактного нажатия на участках с переходными пролетами с учетом волновых процессов, эффекта приведения и вертикальных ограничений перемещения элементов токоприемников.
Второй раздел посвящен расчетам взаимодействия токоприемников и контактных подвесок. Исходные данные, позволяющие осуществить расчет предложенным методом, получены в результате экспериментальных исследований в лабораторных условиях, которые включали в себя определение собственной жесткости и коэффициентов эквивалентного вязкого трения контактных проводов МФ, Bz, ПКСА различных сечений на созданном с участием автора стенде, а также значений продольного момента инерции полозов токоприемников, необходимых для учета эффекта приведения.
Для оценки адекватности предложенного метода осуществлено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия токосъемных устройств по критерию Фишера. Эксперименты проводились в лабораторных и эксплуатационных условиях.
Результаты лабораторных исследований получены при проведении эксперимента на колебательном стенде ОмГУПСа (рис. 2, а). Результаты эксплуатационных исследований получены при проведении испытаний на ЗападноСибирской железной дороге с участием автора. Кроме этого использовались опубликованные данные, полученные при проведении экспериментов на Октябрьской железной дороге коллективом научных сотрудников ВНИИЖТа и ОмГУПСа (рис. 2, б). Значения критерия Фишера при сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости = 0,05, расхождение результатов составляет порядка 9 %, что свидетельствует об адекватности предложенного расчетного метода условиям взаимодействия токосъемных устройств.
Рис. 2. Сравнение результатов расчета и эксперимента В третьем разделе рассмотрены схемы предлагаемых компенсирующих упругих устройств и их влияние на статическую жесткость в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.
Для обеспечения надежного и экономичного токосъема в условиях повышения скоростей движения необходимо, чтобы коэффициент непостоянства жесткости, определяемый как отношение максимальной жесткости в пролете к минимальной, был близок к единице. Это может быть достигнуто выравниванием жесткости в пролете посредством установки компенсирующих упругих устройств. Предлагаемые устройства (рис. 3) содержат струновые зажимы 2 и 3, жестко закрепленные на несущем тросе 1 и фиксирующие направляющую планку 4 со струновым зажимом скользящего типа 5. В вертикальное отверстие 7 кожуха 11 проходит тяга с ушком 6, прикрепленная к монтажным выступам зажима 5. Крышка кожуха 11 опирается на пружину 8 на тяге 6, закрепленную гайкой 9 и шайбой 10 и закрытую кожухом 11. Струны 12 и 13 крепятся одним концом к кольцу кожуха 11, другим концом с помощью струновых зажимов и 15 либо к контактному проводу 16 (одинарному или двойному) в случае пролета с одной подвеской, либо к расположенным на разной высоте друг относительно друга контактным проводам 16 и 17 в случае переходного пролета. На предлагаемые устройства получен патент на полезную модель.
Рис. 3. Предлагаемые устройства для выравнивания жесткости в пролете Для оценки эффекта от применения компенсирующих упругих устройств разработан метод расчета статической жесткости контактных подвесок, основанный на определении неизвестных реакций связей в струнах с учетом наличия вертикальных упругих элементов. В предлагаемой расчетной схеме участка контактной подвески длиной l (рис. 4) контактные провода, несущий и рессорные тросы представлены стержнями с натяжениями К1, К2, Т, Н1, Н2, …, НNо, собственными жесткостями EJ1кп, EJ2кп, EJнт, EJрт1, EJрт2, …, EJртNо и погонными нагрузками q1кп, q2кп, qнт, qрт1, qрт2, …, qртNо соответственно, где No – число неизвестных реакций опор на рассматриваемом участке. Все вертикальные элементы контактной подвески (струны, фиксаторы, компенсирующие устройства и др.) представлены в виде систем из трех соединенных друг с другом линейных пружин с жесткостями Жj, ж2j-1 и ж2j, на провода и тросы действуют нагрузки от веса P1, P2, …, P4N и F1, F2, …, F4N, где j – порядковый номер элемента, N – суммарное количество вертикальных элементов на участке. Приравнивая жесткости пружин к бесконечности, а весовые нагрузки и реакции точек крепления – к нулю, можно задать тот или иной тип вертикального элемента подвески.
Жесткость контактной подвески в точке xт определится как ж с ( xт ) Pт uк.п0 ( xт ) uк.п ( xт ), где Pт – сила нажатия токоприемника, Н; uк.п0 ( x ), uк.п ( x ) – высотные положения подвески при отсутствии и наличии нажатия токоприемника соответственно, м.
Необходимые для нахождения uк.п ( xт ) реакции вертикальных элементов нажатия токоприемника на каждый из контактных проводов подвески Pт1 и Pт определяются исходя из того, что провода после приложения нагрузки принимают равные высотные положения. Если в результате решения значение нажатия на верхний провод оказывается отрицательным, оно приравнивается к нулю, условие о равенстве контактных проводов по высоте отменяется, и все неизвестные реакции рассчитываются при нажатии только на нижний провод.
Используя предлагаемый метод, можно определить статическую жесткость контактных подвесок с учетом наличия вертикальных упругих элементов и разного высотного положения контактных проводов.
Четвертый раздел посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям качества токосъема при установке компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками. По результатам теоретических исследований можно утверждать, что установка компенсирующих упругих устройств приводит к снижению размаха колебаний контактного нажатия токоприемников на 15 – 20 % при скорости движения 200 км/ч в пролетах с одной (рис. 5, а) и двумя (рис. 5, б) контактными подвесками.
Рис. 5. Влияние компенсирующих упругих устройств на качество токосъема Результаты экспериментальных исследований (рис. 6, а) на полигоне действующей железнодорожной техники ОмГУПСа подтвердили целесообразность применения предлагаемого устройства в пролетах с одной подвеской. Установка компенсирующего упругого устройства в месте расположения первой нерессорной струны позволила снизить жесткость подвески в этой точке (кривая 3) на 15.% по сравнению с типовым вариантом (кривая 1) и на 12 % по сравнению с вариантом установки упругого элемента в первой нерессорной струне (кривая 2).
Экспериментальное исследование эффекта от установки компенсирующих устройств на сопряжениях анкерных участков проводилось на полигоне ст. Омск для трех вариантов (рис. 7, а): типовой переходный пролет (кривая 1), переходный пролет с монтажом контактных проводов «вразбежку» (кривая 2), переходный пролет с монтажом проводов «вразбежку» и компенсирующим упругим элементом (кривая 3). Установлено, что использование предлагаемого устройства на сопряжениях анкерных участков приводит к снижению жесткости в середине пролета на 20 % по сравнению с типовым вариантом.
Значения критерия Фишера при сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния предлагаемого устройства на статическую жесткость контактных подвесок (рис. 6, б и 7, б) не превышают табличных значений для уровня значимости = 0,05.
«