автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Электромагнитные средства автоматического контроля износа электроконтактного провода

На правах рукописи

005052006

Петренко Елизавета Олеговна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИЗНОСА ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО ПРОВОДА

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АПР 2013

г. Москва — 2013

005052006

Работа выполнена на кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства» ГОУ ВПО «Московского Государственного технического университета им. Н. Э. Баумана»

Научный руководитель

доктор технических наук Артемьев Борис Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Коваленко Александр Николаевич

кандидат технических наук Ефимов Алексей Геннадьевич

Ведущая организация

Институт машиноведения УрОРАН

Защита диссертации состоится «22» мая 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д520.010.01 при ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1, учёному секретарю диссертационного совета Д520.010.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ интроскопии, Ассоциация «Спектр-Групп».

2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д520.010.01, доктор технических наук^дум1)|еедр£=:

Кузелёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Безопасность и регулярность движения на электрических железных дорогах в большой степени зависит от состояния системы тягового энергоснабжения подвижного состава.

Контактная сеть магистральных и пригородных электрических железных дорог представляет собой комплекс разнообразных устройств: контактные подвески, состоящие из несущего троса и контактных проводов; усиливающие и вспомогательные провода, необходимые для обеспечения нормальной работы тяговой сети; поддерживающие конструкции и опоры. Устройства контактной сети конструируются таким образом, что они не ограничивают скорость, установленную графиком движения поездов, и обеспечивают бесперебойный токосъем при экстремальных температурах воздуха, в период наибольших гололедных образований на проводах и при максимальной скорости ветра.

Контактная сеть в отличие от всех других устройств системы тягового электроснабжения не имеет резерва. При повреждениях линии электропередачи, питающего провода, трансформатора на тяговой подстанции всегда предусматривают возможность замены вышедшего из строя элемента резервным. Если же повреждена контактная сеть, движение электропоездов по этому пути прекращается на время необходимое для ремонта. Поэтому к контактной сети предъявляют высокие требования, как по совершенству ее конструкции, так и по тщательному контролю и содержанию в условиях эксплуатации

Наиболее важным и критическим является контроль состояния контактного провода, так как контактный провод является основным элементом контактной сети и от его работы зависит безопасность и бесперебойность движения поездов на электрифицированных железных дорогах. Контроль контактного провода затрудняют сложные условия его эксплуатации: большая высота подвески контактного провода (более 5,5 м от головки рельса), напряжение 27,5 кВ, сила тока до 3000 А, загрязнения поверхности (сажа, пыль), сложные климатические условия (перепады давлений, температур, высокая влажность, снег, дождь и т.п.). Из-за всего этого и возникает необходимость создания бесконтактной, автоматизированной системы контроля износа и зигзага контактного провода.

Существующие системы контроля износа контактного провода электрифицированных железных дорог используют контактные методы (в основном ручной контроль, при отключенной контактной сети) или бесконтактные средства.

Целью диссертационной работы является создание системы автоматизированного мониторинга и диагностики состояния контактного провода электрифицированных железных дорог.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- Анализ возможности использования электромагнитного метода нераз-рушающего контроля для контроля износа контактного провода.

- Создание математической модели топологии электромагнитного поля накладного вихретокового преобразователя (ВТП).

- Компьютерное моделирование электромагнитных полей ВТП с целью выбора конструкции.

- Экспериментальное подтверждение теоретических выводов и проектирование ВТП для контроля износа контактного провода.

- Выбор способа обработки сигналов ВТП и оптимизированной структурной схемы системы контроля.

- Разработка вихретоковой системы контроля износа и зигзага контактного провода.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработан новый способ неразрушающего контроля износа контактного провода электрифицированных железных дорог, основанный на изменении вносимых параметров накладного параметрического ВТП в зависимости от изменения ширины площадки износа контактного провода.

2. Установлено, что при выборе конфигурации вихретокового преобразователя, позволяющей получить протяженный участок постоянной напряженности электромагнитного поля, можно избежать влияния краевых эффектов на результаты измерений и однозначно судить о величине износа контактного провода.

3. Доказано подобие математической модели, описывающей топологию электромагнитного поля обмотки преобразователя произвольной формы, запитан-ной постоянным током, и математической модели топологии электромагнитного поля вихретокового преобразователя той же формы, но запитанного переменным током постоянной частоты. Результаты моделирования ВТП подтверждены экспериментально.

4. Выведена аналитическая зависимость и разработано программно-математическое обеспечение, позволяющее визуализировать поле накладного ВТП произвольной формы, что облегчает выбор оптимальных с точки зрения поставленной задачи геометрических и электрических параметров преобразователя.

5. Выведены аналитические зависимости для расчета индуктивности и активного сопротивления накладного ВТП, определена зависимость его чувствительности от конструктивных параметров.

Практическая значимость и реализация результатов работы. На основе материалов исследования разработано устройство, на которое получен патент — Патент 1Ш 2155678. Устройство для контроля износа и зигзага контактного провода электрической сети железнодорожного транспорта.

Разработанный способ и устройство прошли апробацию в рамках натурных испытаний, выполненных на Забайкальской железной дороге в г. Чита в декабре 2000 года при температуре ниже 40°С.

Диссертационные материалы использованы в учебном процессе в рамках дисциплины «Элементы систем управления», а также для курсового и диплом-

4

ного проектирования (более 20 работ) в Московском государственном техническом Университете им. Н. Э. Баумана на кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства».

Апробация работы. Основные положения работы были обсуждены на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ, 1998; 15-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» в рамках Всемирного электротехнического конгресса ВЭЛК-99, Москва, РОНКТД, 1999; 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ, 1999; 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ, 2000,; 7-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ, 2001; 2-й Всероссийской научной т1егпе1>конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках», Тамбов, 11 У, 2001; 3-й Международной научной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». Москва, РОНКТД, 2002; 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ. 2002; Международной конференции «Вычислительная математика, дифференциальные уравнения, информационные технологии». Улан-Удэ, ВС! ТУ, 2009; 9-й Международной конференции «Эффективные методы автоматизации подготовки и планирования производства», Москва, МГТУ.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 17 научных работах, на разработанные технические решения получен патент на изобретение Российской Федерации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика формирования математической модели накладного параметрического ВТП произвольной формы, способы визуализации топологии электромагнитного поля ВТП сложной формы.

2. Расчетные выражения для вычисления параметров ВТП произвольной формы, подбора его конфигурации, методика исследования чувствительности ВТП.

3. Конструкция матричного ВТП для контроля износа и зигзага контактного провода.

4. Система контроля износа и зигзага контактного провода электрифицированных железных дорог.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, список литературы из 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов; обоснована их достоверность; сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведено описание объекта контроля. Проведён обзор и анализ содержания опубликованных работ по современному состоянию проблем контроля износа контактного провода электрифицированных железных дорог, анализ возможности использования метода вихревых токов для достижения цели диссертационной работы. Формулируются цели и задачи настоящих исследований.

В России выпускают бесстыковые медные низколегированные (с легирующими компонентами в меди 0,01%-0,08%) и бронзовые (с легирующими компонентами в меди более 0,08%) контактные провода. Для электрифицированных железных дорог используют контактные провода фасонного и фасонного овального профиля с двумя продольными желобками для захвата головки провода зажимами.

Контактные провода изготовляют следующих марок: МФ — медный фасонный, МФО - медный фасонный овальный, БрФ — бронзовый фасонный,

БрФО - бронзовый фасонный овальный. К марке провода добавляют его номинальную площадь сечения. Тогда обозначение провода, например, медного фасонного сечением 100 кв. мм будет МФ100.

На железных дорогах России применяют контактные провода сечением

85, 100 и 150 кв. мм. Номинальные сечения, размеры, допустимые отклонения должны соответствовать указанным в ГОСТ 2584-86 (рис. 1).

Отклонение фактического сечения провода от номинального должно быть в пределах +2...-1%. Для медных контактных проводов марки МФ допускаемая температура нагрева проводов 95°С, а допустимое механическое напряжение 117,7 МПа. Коэффициент температурного линейного удлинения медных контактных проводов а равен 15,5'Ю"6 1/°С при температуре -Ю0...0°С и 16,7'Ю"6 1/°С при температуре 0...+100°С , а модуль упругости Е=130 ГПа. Твердость равна 95-120 НВ.

Рис.1. Провод медный фасонный по ГОСТ 2584-86.

Размера проЗоао MW

сечение

проВода, мм А н С R

65 Щ10Щ20 я.зопоз 0,5 5,3

85 ll,76t0,22 кто, to 1,3 6,0

100 12,¡ПО,25 11M0.1I 1,8 6,5

120 ц то, зо 12,9010,12 2,4 7,0

150 15,5010,20 14,50i0,13 3,2 7.8

Срок службы медных контактных проводов должен быть не менее 6 лет.

Износ определяют как уменьшение площади сечения провода. Измерить износ непосредственно (напрямую) практически невозможно, так как контактный провод имеет сложную форму сечения. Используют косвенные методы измерения износа. Например, измеряют высоту сечения, а затем, используя таблицы пересчета, результаты замера переводят непосредственно в износ. Также можно использовать в качестве информативного параметра ширину контактной площадки. Данный параметр (ширина контактной площадки) используется в предлагаемой системе измерения износа.

Вторая глава посвящена разработке математической модели топологии электромагнитного поля ВТП.

Расчет проводят с выделением двух составляющих напряжения: собственное напряжение катушки при отсутствии объекта контроля и вносимое напряжение, вызванное помещением объекта в измерительную зону накладного ВТП. Важным влияющим фактором, который может привести к неоднозначности результатов измерений или к появлению существенной погрешности измерений являются геометрические характеристики объекта контроля, например, его ограниченные размеры, соизмеримые или даже меньшие, чем диаметр самого ВТП. При проектировании подобных преобразователей необходимо иметь четкое представление об участках однородности электромагнитного поля ВТП, на которых можно проводить измерения, не опасаясь влияния краевого эффекта поля преобразователя. Влияние краевого эффекта может привести к неправильной интерпретации изменения вносимого напряжения преобразователя. При контроле используют накладные ВТП различной конструкции. При расчете электромагнитного поля тока замкнутого контура используют уравнения Максвелла для квазистационарных полей в линейной среде. В дифференциальной форме уравнения Максвелла выглядят следующим образом:

гоЬ Е = — — (1)

ао

гоЬ Н =/ + -т—;

йю й = р-, йю В = 0;

где Е - вектор напряженности электрического поля (В/м);

Н - вектор напряженности магнитного поля (А/м);

О - вектор электрической индукции (Кл/м);

В - вектор магнитной индукции (Тл);

/ - вектор плотности электрического тока (А/м2);

р - плотность электрического заряда (Кл/м ).

При этом векторы электрической индукции, магнитной индукции и плотности электрического тока могут быть записаны как: О = еЕ; (2)

В = цН\

(3)

/ = ОЕ- (4)

где

е - диэлектрическая проницаемость;

[I - магнитная проницаемость;

а - удельная проводимость.

В дальнейшем рассматривается случай изотропного пространства и времени, значит г,ц ист- постоянные во всех точках пространства, окружающего преобразователь.

При использовании системы СИ е0 = 8,854 ■ Ю-12 Ф/м;

ц0 = 4п- 10~7 Гн/м,

где £0пц0- диэлектрическая и магнитная проницаемость в вакууме. Уравнение сохранения заряда

divj + aft = 0; (5)

Запишем уравнения Максвелла для поля преобразователя в свободном пространстве для случая постоянных токов, а потом распространим их для случая переменного синусоидального тока постоянной частоты и амплитуды.

Для постоянного тока divj = 0, так как — = 0 из закона сохранения заряда, следует

rot Е = 0;

rot Н = J) (6)

div D = р; div В = 0;

Для постоянного тока действуют законы Кулона и Био — Савара

7

п г

ЙП

Рис. 2. Вектор напряженности Н электромагнитного поля. Для элементарного объема можно записать:

= (7)

_/сй2зт9 Апег2

Приведенные выше соотношения используется для расчетов переменно-

го тока в проводниках. В случае учета влияния переменного гармонического (синусоидального) тока рассматривают установившееся состояние, возникающее при периодическом воздействии на систему. При этом переменные представляются в комплексной форме

rot Е = —jü)B;

rotH =J+ jojsE; (8)

divD = p;

div В = 0;

Преобразователь находится в свободном пространстве и в нем протекают только переменные токи, нет никаких статических зарядов вблизи преобразователя, постоянная составляющая тока отсутствует J = 0 так как постоянного тока нет, р = 0 (нет свободных зарядов),

div В = 0 так как нет магнитных зарядов (не существует). rot Е - —jwfiH; (9)

rot Н — jcosE;

Возьмем rot(rot Е) = —joj/j. • rot{H) и подставим в правую часть уравнения (9)

rot(rot Е) = co2ߣE (10)

rot(rot Н) - са2цеН.

Если везде задан переменный ток, то может быть полностью определено и поле.

Можно отдельно решать уравнение напряженности магнитного поля и найти ее, rot(rot Я) является производной от векторного поля второго порядка.

rot(rot Н) = V х (V х Я) = V(V ■ Н) ~ V2H. Но divH = 0; так как divB = 0, а В = ¡iH оостаётся

V2H = (У2НХ, V2Hy, V2HZ) - вектор, компоненты которого вычисляются. и2„ - (IL xilx и - д2"' 1 d*H* I Э2"*-

v "x ~ W + dy2 ^ dz*) "x ~ dx2 * dy2 dz2 '

U2H - f^L + JL + IL^H - £!5i, +

v ПУ ~ \dx* r ay2 ^ dz2 J "У ~ dx2 ^ ay2 ^ 3z2 '

v H* ~ Vax2 + dy2 + dz*)Hz ~ dx2 + ду2 + dz2'

Для численного решения необходимо задать граничные и начальные условия и перейти к нахождению экстремума функционала.

ПЮ = i I Сrot ну - ц{ну\d£l;

Q

Функционал F может достигать экстремума и, следовательно, можно найти решение Н. Расчет далее ведется методом конечных элементов. Для упрощения расчетов можно пойти другим путем. Учитывая замечания, указывающие на подобие электромагнитного поля в случае монохроматического возбуждения поля в линейной изотропной среде и поля постоянного тока, можно воспользоваться уравнениями для полей постоянного тока, распространив решение для полей переменного тока.

При со — const (ток гармонический) и е = const, (среда однородная и изотропная). Разбиваем преобразователь на участки из прямых и дуг, при этом интеграл по замкнутому контуру тока разделяется на сумму интегралов по участкам, составляющим контур. Для подсчета компонент вектора магнитной индукции используем формулу Био - Савара.

где п,- - вектор направления г,

Благодаря этому все конфигурации преобразователя можно собирать из дуг и отрезков прямых, замыкая их в контуры произвольной формы, задавать направление тока в контуре и строить топологическую картину напряженности электромагнитного поля преобразователя.

Подобие процессов, описываемых интегральными и дифференциальными уравнениями, основано на том, что соотношения пропорциональности справедливы на любых участках изменения исследуемых функций. При определении условий подобия нужно знать фактически соотношение масштабов (по времени ть и по направлениям тх,ту,тг). После выбора характерных размеров для двух систем определяют масштаб:

где /, и 12 — характерный и сходственный характерный размеры оригинальной системы и ее модели.

Критерии подобия электромагнитного поля в однородной изотропной среде могут быть получены способом интегральных аналогов непосредственно из системы уравнений Максвелла. Выражаем все уравнения через переменные ЕнН.

В уравнениях Максвелла (1) первые два являются основными уравнениями электромагнитного поля, а уравнения, не содержащие переменного параметра I,—вспомогательными, характеризующими состояние системы. Достаточно основных уравнений для определения критериев подобия.

Применяя способ интегральных аналогов, из первого уравнения, можно получить два критерия подобия в трех формах записи, а из второго — один критерий в двух формах записи. Из возможных форм записи критериев подобия нужно выбрать такую форму записи, в которой наилучшим образом можно отразить свойства данной среды.

Критерии подобия имеют вид:

7Г/ — Щ — Ц£12С02 , 7Г// = цо12со.

Соотношение между масштабами:

тмт„т?т;1 =1;

">ст-'т;1 =1;

тЕ = тн™оЩХ !

тн =1;

Соотношения между характерным геометрическим размером модели и характерным геометрическим размером оригинала, напряженностью электрического поля модели и оригинала, напряженностью магнитного поля модели и оригинала равны:

Iм = 7П([°Р

Ем = тЕЕор Нм -- тнНор

Согласно закону Био - Савара элементарный вектор магнитной индукции в некоторой точке пространства, определяемый элементом тока I- (11= / ■ с1£1, равен: йВ = ^ . = & . М ап

^ 4Л Г2 47Г Г2

где г - расстояние от элемента тока до точки, где определяется магнитная индукция, 7Ц. — единичный вектор, направленный вдоль этого расстояния

[Шхпг] = уа и X Пг] ^

= Ш х Пг] _ Ца Г 4яУ[ г2 47Г ^

Н = —& Уй1хпг]= 1 [ 1/Хпг1

4яТ1 г2 47Г Jn

Т

При моделировании можно представить проводник с током как множество зарядов, заполняющих объем <Ю с плотностью тока ].

Hz

/ И

Рис. 3. Вектор напряженности электромагнитного поля Н от воображаемого движущегося со скоростью V заряда q в точке пространства С.

Задачу можно решить численно. Для расчета топологии электромагнитного поля была создана программа моделирования Magnetic Filed 1.0. Модель может конструироваться из дуг и прямых в пространстве. Можно создавать достаточно сложные контуры.

»1K/I ПелсЯ llencjo

М.И.» |

Рис. 4. Главное окно программы Magnetic Filed 1.0.

Программа позволяет строить поле модуля вектора магнитной индукции и его проекции на оси X, У, Ъ. Для отображения используются декартовы координаты с масштабом по осям 1:1:1 мм.

Рис. 5. Диаграмма поля вектора магнитной индукции преобразователя овальной формы.

Математическая модель позволяет варьировать в широких пределах геометрические параметры преобразователя (линейные размеры), топологию расположения обмотки в пространстве, другие параметры (число витков обмотки и т.п.) и проводить вычисление показателей соответствующих текущим параметрам.

Основным критерием выбора преобразователя для нас является наличие протяженного участка с постоянной напряженностью электромагнитного поля.

После рассмотрения различных конфигураций катушек выбран комбинированный овальный ВТП, составленный из элементов круглой и прямой формы, расстояние между внешними участками по оси х - 36мм, максимальная протяженность по оси у - 72мм, ширина центрального паза - 4мм, радиусы скруглений - 18мм.

ного восьмеркообразного преобразователя.

Рис.7 Графики величины вектора напряженности магнитного поля овального восьмеркообразного преобразователя по линии у = 0 и по линии х=10.

НгМ

го восьмеркообразного преобразователя по линии х = 10.

У преобразователя данной конфигурации присутствует протяженный участок характеристик с малой нелинейностью и отсутствием выраженных всплесков (рис. 8), и как показали натурные испытания, взаимовлияние преобразователей такой комбинированной формы существенно меньше, чем у прямоугольных восьмеркообразных.

АЬ 1 ^ - чувствительность по индуктивности, АЬ - приращение ^ — £ д индуктивности катушки вихретокового преобразователя относительно начального значения, ¿0 - начальное значение индуктивности преобразователя (собственная индуктивность катушки), В - величина кот-ролируемого параметра.

;

Рис.9. Форма катушки преобразователя и упрощенное представление контура для расчета индуктивности Ь.

Ь = Ц + +Ь} +Ь4 +Ь5 +£6 + +Ц -мп-ма +мы-М21 + М2Ъ-М24 --Мп+М}2 -М34 +М41 -МА2 -МАЪ +М15 +М51 +м16 +м61 -м62-м26 --м65 -м56 -МЪ1 -Мп-МА1 -М14-м%1 - м1%+МА%+м%А-мп -мп + +м„+м7$ +мбг+ми+м67 +м16 +л/58+м85 -м52-м25

где Ц- собственная внешняя индуктивность ¡-го участка контура, Му-взаимная индуктивность ¡-го и ^го участков.

* 2/г г0 /

V У

" 4л- [ 2 Н /, 2Н / 2 Н 1,

¿кот — индуктивность катушки с ж витками.

Рассматриваем катушки преобразователя и наведенного витка, как два индуктивно связанных контура, один из которых колебательный, а другой апериодический. Колебательный контур, связанный с ВПТ, настроен в резонанс, и при появлении объекта контроля между ними возникает индуктивная связь и объект вносит свои искажения в резонансные колебания контура ВТП.

Рис. 10. Функциональная электрическая схема моделируемого контура.

* = А+М&-

ш С а(

11 2 Л. Л

эквивалентное сопротивление первого контура при учете влияния на него

второго контура: г1т = Д, +

в>2М2 „ . -2R2+J

ю А/ Х1 ~ ТХ2

Я2+х\ у _ ю 2М2

Л 1зкв ~Х1 _ 2 Х2

К2+Х2

XI,

0)2М,„

7 XI,

где М нан - взаимная индуктивность преобразователь - объект контроля, Янт и Х1шв - соответственно, активное и реактивное сопротивления наведенного в объекте контроля контура с током. На базе этих зависимостей была создана модель электрических показателей вихретокового преобразователя. Были получены характеристики:

• Чувствительности по индуктивности от ширины контактной площадки и диаметра провода обмотки (рис 11),

• Чувствительности по индуктивности от ширины контактной площадки и количества витков в обмотке (рис. 12),

• Чувствительности по индуктивности от ширины контактной площадки и частоты тока в обмотке преобразователя (рис. 13),

• Чувствительности по индуктивности от ширины контактной площадки и радиуса скругления торцевых участков корпуса преобразователя (рис. 14),

• Чувствительности по индуктивности от расстояния между преобразователем и объектом контроля и радиуса скругления торцевых участков корпуса преобразователя (рис. 15)

Рис.16. Зависимость чувствительности по индуктивности от ширины контактной площадки и диаметра провода обмотки преобразователя.

Путем анализа зависимостей чувствительности проектируемого ВТП от различных факторов получены рекомендации по выбору размеров и конфигурации витков преобразователя для получения наибольшей чувствительности по ширине площадки контакта.

Третья глава. Проведены экспериментальные исследования конструкций ВТП для измерения износа контактного провода. Для исследования ВТП использовалась измерительная схема (рис. 17), в которой ВТП (Р1 и Р2) включается в параллельный колебательный контур, на вход которого подается высокочастотный сигнал. Контур настраивается в резонанс в отсутствии провода. Параметры сигнала контролируются по амплитуде и частоте.

Информативный параметр выходного сигнала - выходное напряжение с контура, при его расстройке при работе с проводом разной степени износа. В качестве входного информативного параметра используется ширина площадки контакта (линия контакта). Емкость связи (С1 и С2) выбиралась порядка 16пФ, для уменьшения влияния генератора.

hi

j А1 1Bt

: C1

P1

C2

4= ct

pi

~]fC3

\B2

=4= G2

Pi

C4

teCH**

Рис.17. Функциональные электрические схемы проведения экспериментов с одним и двумя преобразователями.

Были исследованы ВТП овальной формы:

BW Ш с восшеркообромой обмотай ВШ Н2 с досьнеркообршноО обноткоО

L=3I,2MKTH ; п=10

L=34,7MKTH; п=10

ВШ N3 с Иосьмеркооброзной обмоткой ВШ А4 с босьмеркооброзной обмоткой

1=37,6нк[н; п=10

1=39,ЗмкГн; п=10

V, I

ч JV J J

»

U!

¡0

Рис.18. ВТП овальной формы восьмеркообразной намотки составные с разными расстояниями между центрами.

Были исследованы зависимости трансверсального перемещения объекта относительно ВТП, исследована совместная работа двух ВТП при их различном взаимном расположении и на разных частотах, приведена зависимость от износа (имитация износа реальными образцами провода), зависимость от зазора.

Была проанализирована чувствительность ВТП, которая при следующих исходных данных составила: исходные параметры - рабочая частота (резонанс-

18

ная частота контура) - 750 кГц, сигнал генератора - 1 В. При этом в диапазоне износа 1,5...3 мм имеем чувствительность 8=27 мВ/мм. Используем в реальной схеме сигнал с генератора 2 В и суммарный коэффициент усиления по измерительному каналу к=100, что легко реализуется на двух операционных усилителях, можно получить чувствительность 8=5,4 В/мм. Объектами контроля были медные пластины, имитирующие контактную поверхность провода при износе и отрезки реального провода с имитацией износа. На рис. 19 приведена зависимость сигнала ВТП от его перемещения относительно провода.

Рис.19. Трансверсальное перемещение провода относительно ВТП

Было показано, что при увеличении линейного размера величина горизонтальной площадки характеристики так же увеличивается. Следовательно, для реализации системы наиболее приемлемым является ВТП с А=40мм, так как в этом случае достигается наибольшее значение чувствительности, появляется возможность контролировать два провода, находящихся на расстоянии 40мм и зигзаг с наименьшей погрешностью.

При анализе результатов экспериментальных исследований был сделан вывод, что наиболее приемлемым для реализации системы автоматизированного контроля параметров контактного провода электрифицированной железной дороги является ВТП овальной формы с восьмеркообразной намоткой. Преобразователь этого типа имеет постоянное значение выходного напряжения на достаточно большом промежутке функции трансверсального (касательного) перемещения, необходимом для реализации измерения износа при отклонении положения провода от оси железнодорожного пути (зигзаге). Он обеспечивает отсутствие взаимного влияния при совместной работе двух преобразователей как на одной частоте, так и на разных частотах и при различных взаимных расположениях.

Исходя из условий эксплуатации ширина (диаметры катушек каркаса) ВТП

должна быть не более 40 мм, а расстояние между центрами катушек каркаса целесообразно выбирать 40 мм, так как при этом достигается наибольшая чувствительность преобразователя.

Необходимо создать многоканальную систему ВТП. При расстоянии в 4080 мм между контактными проводами при подвеске из двух проводов, возможно попадание сразу двух проводов на один измерительный канал при этом информация об износе провода будет теряться. Поэтому для охвата всего диапазона возможных расстояний между двумя контактными проводами необходимо использовать три измерительных канала.

Проведенные исследования позволили разработать конструкцию матричной системы ВТП для измерения износа контактного провода. Система имеет три измерительных канала, работающих на разных частотах. Измерительные линейки каждого канала включают по 10 ВТП, смещенные друг относительно друга и установленные таким образом, чтобы обеспечить наилучшее перекрытие и наименьшую связь между ВТП (преобразователи разных каналов располагаются в шахматном порядке). В качестве материала для каркаса ВТП и основания преобразователя можно использовать стеклотекстолит КАСТ-В ГОСТ 10292-62. Для исключения взаимного влияния ВТП трех измерительных каналов друг на друга выбираем рабочие (резонансные) частоты каналов разные, но близкие к 1МГц, для уменьшения взаимного влияния, но не на много превышающей эту величину, так как в этом случае возрастет влияние паразитных емкостей. Таким образом, рабочие частоты каналов: ^-800 кГц; £2=1000 кГц; Гз=1228,8 кГц. Тогда необходимая индуктивность вычисляется по формуле:

Ь=1/4л¥Ск

1.1=198,09 мкГн; Ь2=126,78 мкГн; Ь3=83,96 мкГн

Используя методику и результаты расчетов, приведенные в главе 2, находим необходимое количество витков для достижения полученной индуктивности при заданном диаметре обмоточного провода. Полученные результаты расчетные при <1^=0,17 мм: луР1=25 витков; шр2=20 витков; шр3=18 витков. Соответствующие активные сопротивления ВТП каналов: 1^=7,4 Ом; 112=5,9 Ом ; Я3=3,8 Ом.

Система ВТП располагается в верхней полости основания и крепится к ней с помощью винтов. Аналоговые печатные платы, располагаются под системой ВТП в нижней полости основания. Цифровая плата кодера зигзага располагается в нижней части системы и крепится к нижней крышке винтами через изолирующие прокладки.

В четвертой главе представлено описание разработанной вихретоковой

системы контроля износа и зигзага контактного провода. Данная система входит в состав многофункционального контрольно-вычислительного комплекса диагностики состояния объектов путей сообщения (рис.20).

Функционально - система состоит из линейки накладных вихретоковых преобразователей (рис.21) и измерительной схемы (рис. 20 пункт 11), представленной в виде аналоговой и цифровой частей. Основой цифровой части является система сбора и предварительной обработки измерительной информации, на которую поступают аналоговые сигналы с преобразователей. Система сбора содержит микроконтроллер, в составе которого имеется АЦП, для преобразования аналоговых сигналов, пропорциональных измеряемым информативным параметрам, в цифровой код.

Рис. 20. Размещение оборудования в передвижной лаборатории: 1. Передвижная лаборатория, 2. ЭВМ, 3. Интерфейсная плата, 4. Волоконно- оптический канал связи, 5. Аккумуляторный отсек, 6. Аккумулятор, 7. Ретранслятор, 8. Витая пара, 9. Измерительный пантограф, 10. Механизм подхвата контактного провода, 11. Плата сбора данных, 12. Контактный провод.

Наличие микроконтроллера позволяет производить программную коррекцию характеристик системы с поправкой на температуру и посылать в компьютер уже предварительно обработанную информацию, а также проводить диагностику работоспособности системы.

Выводы микроконтроллера связаны при помощи витой пары со входом ретранслятора, а он, в свою очередь, через оптоволоконные кабели с передатчиком и приемником интерфейсного адаптера.

Рис.21. Матрица ВТП (вид со стороны электронного блока)

Волоконно-оптическая линия связи основана на дуплексном асинхронном приемопередатчике, входящем в состав микроконтроллера. Блок ретранслятора сигналов предназначен для передачи последовательного цифрового кода с линии связи типа «токовая петля» на волоконно-оптическую линию связи.

Интерфейсный блок предназначен для осуществления согласования данных между блоком сбора данных и персональным компьютером системы (рис.20, пункт 2,3). Он основан на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) Altera EPF10K10TC144-4, что позволяет реализовать разнообразные алгоритмы управления, такие как циклы прямого доступа к памяти и аппаратные прерывания. Сопряжение с персональной ЭВМ осуществляется через разъем шины Industry Standard Architecture , и с волоконно-оптической линией при помощи байонетных разъемов типа ST.

Взаимодействие интерфейсной платы и прикладного программного обеспечения осуществляется посредством портов ввода-вывода и линии аппаратного прерывания.

Дальнейшая программная обработка полученной информации и формирование базы данных позволяет вести постоянный мониторинг состояния контактной сети. Система использует эти данные при выводе результатов и для формирования экранных форм. Вся информация о параметрах контактного провода привязывается к пространственным координатам, используя данные систем GPS и ГЛОНАС. Все параметры отображаются в виде экранных форм, это могут быть графики, таблицы, диаграммы и т.д. По запросу оператора система формирует отчёт по остаточному ресурсу контактного провода и планируемым срокам ремонтно-профилактических мероприятий.

Все данные объединяются в единой базе данных с привязкой к километражу и дате проведения измерений. Для разработки программного обеспечения использовалась среда разработки С++ Builder 5.0.

Рис. 22. Интерфейс оператора программы визуального отображения параметров контактной сети.

Результаты контроля, полученные с помощью данной системы, позволяют своевременно производить замену изношенного контактного провода и определять расход нового провода. По данным измерений удельного износа провода проводить сравнение показателей с действующими нормативами и данными других районов, дистанций и дорог. Разрабатывать рациональные меры по увеличению срока службы провода, предупреждению обрывов провода при уменьшении его сечения, своевременно снижать натяжение и восстанавливать работоспособность ремонтными вставками в зонах местных износов, планировать замену изношенного контактного провода.

Внешний вид измерительного пантографа в рабочем положении на крыше передвижной лаборатории приведен на рис. 23.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Существующие системы диагностики состояния контактной сети в большинстве случаев обеспечивают решение таких проблем, как определение отклонения положения контактного провода от нормативных параметров, отклонения высоты подвеса контактного провода от нормативных параметров, сверхнормативных отклонений параметров, визуально наблюдаемых объектов контактной сети. Состояние контактного провода, являющегося основным элементом контактной сети, как правило, не является объектом контроля таких систем.

2. Анализ содержания теоретических работ и характеристик существующих средств контроля позволяет сделать вывод, что для бесконтактного измерения износа контактного провода наиболее перспективным является электромагнитный метод контроля.

3. Среди существующих электромагнитных преобразователей для целей контроля износа контактного провода рядом преимуществ обладают малогабаритные вихретоковые преобразователи накладного типа.

4. Учитывая наличие «зигзага» контактного провода в схеме контроля износа должен использоваться матричный B'1'll.

5. На основе уравнений Максвелла создана математическая модель для расчета в дифференциальной форме компонентов вектора магнитной индукции и вектора напряженности магнитного поля преобразователя, доказано подобие модели электромагнитного поля, созданного контуром с постоянным током, с моделями электромагнитных полей таких же контуров, запитанных переменным током. Создана компьютерная модель, позволяющая визуализировать топологию магнитного поля накладного ВТП произвольной формы. На базе данной модели созданы ВТП и выпускаемые в «ЗАО НИИИН МНПО «СПЕКТР» в составе серийных вихретоко-вых дефектоскопов и толщиномеров.

6. С помощью компьютерной модели проведен анализ полей вихретоковых преобразователей различных форм и выявлены конфигурации ВТП, имеющие протяженный участок постоянной напряженности магнитного поля, с целью определения наиболее подходящих для измерения износа контактного провода конфигураций ВТП.

7. Создана методика расчета и получены аналитические выражения для расчета собственных индуктивности и сопротивления ВТП сложной формы, а также расчета вносимых индуктивности и сопротивления при взаимодействии ВТП с объектом контроля, имеющего размеры много меньше, чем сам преобразователь.

8. Определены и построены зависимости чувствительности проектируемого ВТП от различных факторов и приведены рекомендации по выбору размеров и конфигурации витков преобразователя для получения наибольшей чувствительности по ширине площадки контакта.

9. Учитывая зигзагообразное положение контактного провода относительно оси токоприёмника, ВТП должен осуществлять измерение износа при перемещении провода от минимального до максимального значения зигзага, что соответствует 1200 мм по техническому заданию. Реализация ВТП такой протяженности нецелесообразна в силу очень низкой чувствительности даже к наличию провода. Поэтому впервые предлагается использование матричного преобразователя, состоящего из нескольких установленных в линию ВТП. На некоторых участках применяется подвеска с двумя контактными проводами, поэтому размеры ВТП ограничены расстоянием между проводами.

Ю.Приведены результаты исследования ВТП по следующим направлениям: определение конструкции первичного преобразователя (геометрической формы и типа намотки), определение рабочей частоты преобразователя, функции преобразования положения (прохождения) провода относительно ВТП (нормальное (зазор) и касательное (трансверсальное) перемещения), влияние зазора на чувствительность, определение оптимальной конструкции ВТП и количество в его составе первичных преобразователей.

11.Получены новые рекомендации для проектирования ряда вихретоковых преобразователей.

^.Экспериментально показано, что для контроля износа контактного провода целесообразно использовать вихретоковый преобразователь овальной формы с восьмеркообразной намоткой, что подтвердило результаты теоретических исследований.

13.На основании проведенных исследований была разработана вихретоковая система контроля износа и зигзага контактного провода.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Запускалов В.Г., Маслов А.И., Арбузов Е.В., Петренко Е.О., Муш-каров A.C. Мобильный комплекс для контроля динамических параметров контактного провода электрифицированной железнодорожной магистрали. / Контроль. Диагностика, № 7, 2002. — С. 16-18.

2. Петренко Е.О. Электромагнитное поле накладного параметрического вихретокового преобразователя произвольной формы в свободном пространстве. / Контроль. Диагностика. № 10,2012. С. 72-75.

3. Арбузов Е.В., Петренко Е.О., Определение критериев подобия и построение электромагнитного поля вихретоковых преобразователей. / Известия высших учебных заведений. Машиностроение. Специальный выпуск «Фундаментальные проблемы создания и поддержки высокотехнологичных производств». 2012.25 лег НУК PK. - С. 30-36.

Авторские свидетельства, патенты

4. Арбузов Е.В., Егиазарян A.B., Запускалов В.Г., Петренко Е.О., Редькин В.И., Семисалов В.И., Старшова Е.И. Устройство для контроля износа и зигзага контактного провода электрической сети железнодорожного транспорта. / Патент Российской Федерации № 2155678, 10.09.2000 Бюл. № 25.

В трудах Международных и Всероссийских конференций, зачитываемых ВАК при защите диссертаций

(Постановление Правительства РФ №475 от 20 июня 2011 г., п. 10)

5. Арбузов Е.В., Петренко Е.О., Старшова Е.И. Датчик контроля износа и зигзага контактного провода. / Тезисы 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ. 1998. С. 39.

6. Арбузов Е.В., Петренко Е.О., Старшова Е.И. Вихретоковый датчик для контроля износа контактного провода. / Тезисы 15-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» в рамках Всемирного электротехнического конгресса ВЭЛК-99. Москва, РОНКТД. 1999. С. 211.

7. Арбузов Е.В., Мушкаров A.C., Петренко Е.О., Семисалов В.И., Старшова Е.И., Запускалов В.Г. Информационно-измерительная система для контроля износа и зигзага контактного провода. / Тезисы 15-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» в рамках Всемирного электротехнического конгресса ВЭЛК-99. Москва, РОНКТД. 1999. С. 193.

8. Петренко Е.О., Сидоров Д.П. Система сбора и предварительной обработки информации измерительного пантографа. / Тезисы 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических изме-

рений». Москва, МГТУ. 1999. С. 105.

9. Петренко Е.О., Старшова Е.И. Исследование взаимодействия накладного вихретокового преобразователя с объектом для измерения износа контактного провода. / Тезисы 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ. 1999. С. 106.

10. Арбузов Е.В., Мушкаров A.C., Петренко Е.О. Расчет индуктивности, активного сопротивления и вносимых параметров накладного вихретокового датчика сложной формы. / Тезисы 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ. 2000, С. 261.

11. Мушкаров A.C., Арбузов Е.В., Петренко Е.О. Оптимизация параметров вихретокового преобразователя сложной формы. / Тезисы 7-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ. 2001. С. 373.

12. Старшова Е.И., Арбузов Е.В., Петренко Е.О. Анализ возможности построения вихретокового датчика для диагностирования контактного провода. / Тезисы 7-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ. 2001. С. 381-382.

13. Мушкаров A.C., Петренко Е.О. Машинная математическая модель электромагнитного поля вихретокового преобразователя сложной формы. / Тезисы 2-й Всероссийской научной internet-конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках». Тамбов, ТГУ. 2001. С. 31-33.

14. Запускалов В.Г., Мушкаров A.C., Петренко Е.О. Исследование электромагнитного поля вихретокового преобразователя сложной формы с применением математической модели. / Тезисы 3-й Международной научной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». Москва, РОНКТД. 2002. С. 109-110.

15. Мушкаров A.C., Петренко Е.О Создание математической машинно-ориентированной модели электромагнитного поля накладного вихретокового преобразователя. / Тезисы 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ. 2002. С. 401-402.

16. Арбузов Е.В., Петренко Е.О. Компьютерное моделирование электромагнитного поля вихретокового преобразователя произвольной формы. / Материалы Международной конференции «Вычислительная математика, дифференциальные уравнения, информационные технологии». Улан-Удэ, ВСГТУ. 2009. С. 39-44.

17. Арбузов Е.В., Петренко Е.О. Компьютерный синтез накладного вихретокового преобразователя. / Сборник трудов 9-й Международной конференции «Эффективные методы автоматизации подготовки и планирования производства». Москва, МГТУ. 2012. С. 7-11.

I

I

1 ' 1,1 г

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

• -' I. ,

Петренко Елизавета Олеговна

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИЗНОСА ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО ПРОВОДА

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ; Материалов и изделий1

, - Л Гц '-т

Диссертация на соискание'уЧеной степени' • - ' ' *

кандидата технических наук .

СО

<м

СО со

Ю т£ ; 1 1'' Научный руководитель:

д.т.н. Артемьев Б.В.

СО

О °

СМ 00

о

Москва 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4 Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА

КОНТАКТНОГО ПРОВОДА 9

1.1. Описание объекта контроля 9

1.2. Современное состояние проблемы контроля износа контактного провода 14

1.3. Анализ возможности использования МВТ для контроля

износа контактного провода 25

Выводы и постановка задачи 30 Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НАКЛАДНЫХ

ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ВТП 32 2.1. Математическая модель топологии электромагнитного

поля ВТП 32

2.2 Исследование топологии электромагнитного поля ВТП 37

2.3 Выбор рациональной конструкции ВТП 46

2.4 Расчет основных параметров ВТП 58

2.5 Исследование зависимости чувствительности от конструктивных параметров ВТП 69 Выводы к главе 2 79

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВТП ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА

КОНТАКТНОГО ПРОВОДА 81

3.1. Анализ методик проведения экспериментов 81

3.2. Экспериментальные исследования ВТП 90 3.3 Исследование матрицы преобразователей 103 Выводы к главе 3 107

Глава 4. РАЗРАБОТКА ВИХРЕТОКОВОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ

ИЗНОСА И ЗИГЗАГА КОНТАКТНОГО ПРОВОДА 109

4.1. Вихретоковая система контроля износа контактного провода 109

4.2. Функциональная и структурная схемы системы контроля 111

4.3. Программно - математическое обеспечение системы 116

4.4. Метрологический анализ 123 Выводы к главе 4 167 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 169 БИБЛИОГРАФИЯ 172 ПРИЛОЖЕНИЯ 183

ВВЕДЕНИЕ

Железные дороги в России являются основным видом пассажирских и грузовых перевозок. В связи с этим возрастает важность бесперебойной и безопасной работы объектов путей сообщения. Для обеспечения безопасности работы железнодорожного транспорта производится постоянный мониторинг состояния железнодорожных сооружений. Необходимо осуществлять контроль и диагностику состояния железнодорожного полотна, мостовых сооружений, контактной сети. Для этого в России и за рубежом существуют передвижные лаборатории диагностики состояния объектов путей сообщения.

Безопасность и регулярность движения на электрических железных дорогах в большой степени зависит от состояния системы тягового энергоснабжения подвижного состава.

Контактная сеть магистральных и пригородных электрических железных дорог представляет собой комплекс разнообразных устройств: контактные подвески, состоящие из несущего троса и контактных проводов; усиливающие и многие другие провода, необходимые для обеспечения нормальной работы тяговой сети; поддерживающие конструкции и опоры. Устройства контактной сети конструируются таким образом, что они не ограничивают скорость, установленную графиком движения поездов, и обеспечивают бесперебойный токосъем при экстремальных температурах воздуха, в период наибольших гололедных образований на проводах и при максимальной скорости ветра.

Контактная сеть в отличие от всех других устройств системы тягового

электроснабжения не имеет резерва. При повреждениях линии

электропередачи, питающего провода, трансформатора на тяговой подстанции

всегда предусматривают возможность замены вышедшего из строя элемента

резервным. Если же повреждена контактная сеть, движение электропоездов по

этому пути прекращается на время необходимое для ремонта. Поэтому к

контактной сети предъявляют высокие требования, как по совершенству ее

конструкции, так и по контролю и содержанию в условиях эксплуатации. В

4

связи с этим работа по созданию систем контроля, обеспечивающих комплексную диагностику контактной сети электрических железных дорог, представляется весьма актуальной.

Наиболее важным и критическим является контроль состояния контактного провода, так как контактный провод является основным элементом контактной сети. Кроме этого контроль контактного провода затруднен по причине условий его эксплуатации: большая высота подвески контактного провода (5,5 - 6м от поверхности земли), высоковольтные токи, протекающие по нему (напряжение 27,5 кВ, сила тока до 3000 А), загрязнения поверхности (сажа, пыль), сложные климатические условия (возможны перепады давлений, температур, высокая влажность, снег, дождь и т.п.). Из-за всего этого и возникает необходимость создания бесконтактной, автоматизированной системы контроля износа и зигзага контактного провода.

Существующие системы контроля износа контактного провода электрифицированных железных дорог используют или контактные методы (в основном ручной контроль, измерения проводятся при отключенной контактной сети) или средства бесконтактные, не позволяющие проводить контроль при любых погодных условиях.

Обзор методов неразрушающего контроля показывает, что нет альтернативы вихретоковому методу неразрушающего контроля, инвариантному к загазованности и запыленности среды, туману, световым засветкам, большим перепадам температуры (-60 - ~|~60)°С, загрязнению зоны контроля неэлектропроводящими веществами, в том числе брызгами воды и масел.

Вихретоковый метод неразрушающего контроля, являясь

многопараметровым, основан на анализе взаимодействия внешнего

электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов,

наводимых возбуждающей катушкой индуктивности, -запитанной током

переменной частоты, в электропроводящем объекте контроля. Плотность

вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных

5

параметров объекта, а также от геометрических параметров измерительного преобразователя и взаимного расположения измерительного преобразователя и объекта.

Целью работы является создание системы автоматизированного мониторинга и диагностики состояния контактного провода электрифицированных железных дорог.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведено описание объекта контроля, обзор и анализ содержания опубликованных работ по современному состоянию проблем контроля износа контактного провода электрифицированных железных дорог, анализ возможности использования метода вихревых токов для целей контроля. Формулируются цели и задачи настоящих исследований.

Вторая глава посвящена математическому моделированию топологии электромагнитного поля накладных параметрических вихретоковых преобразователей. Рассматривается создание математической модели топологии электромагнитного поля вихретокового преобразователя. Проведено компьютерное моделирование топологии электромагнитного поля. Получены данные, позволяющие осуществлять выбор рациональной конструкции ВТП

ТТ ТТ СГ «латттатти ГТ ОПТТПТ Т/АТТТЧЛА ТТГТ ТЮТТГЧОП Ту- <"\ТТНГО Т/*ТТТ/ЛГГ\ ГГ1ЛАЛ атто Т/Т Г* Г* ттатт/лпотто

¿V 1Л р^Ш^'ГШЛ ОС1,д(Л1\\Л"1 1 1 СА1\ 1.11\Л "О 1СЛ. X. АЧ^ЛЧ^ДЧЛЭСЛ.ПС!.

математическая модель для расчета параметров ВТП для контроля электроконтактных проводов.

В третьей главе проведены экспериментальная проверка теоретических выводов, экспериментальные исследования конструкций ВТП для измерения износа контактного провода. Получены данные для разработки матричного вихретокового преобразователя.

В четвертой главе рассмотрена разработанная с участием автора

вихретоковая система контроля износа и зигзага контактного провода.

6

Приводятся функциональная и структурная схемы системы, а также её программно-математическое обеспечение.

В заключении по диссертации формируются основные выводы и результаты работы.

Результаты исследований содержатся в семнадцати печатных работах, в том числе в патенте на изобретение Российской Федерации № 2155678. На защиту выносятся:

1. Методика формирования математической модели накладного параметрического вихретокового преобразователя произвольной формы, способы визуализации топологии электромагнитного поля ВТП сложной формы для контроля контактных проводов.

2. Расчетные выражения для вычисления параметров ВТП произвольной формы и выбора его рациональной конфигурации и методики экспериментального исследования чувствительности преобразователей.

3. Выбор конструкции матричного вихретокового преобразователя для контроля износа и зигзага контактного провода.

4. Устройство для контроля износа и зигзага контактного провода электрифицированных железных дорог.

Достоверность положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, оригинальность разработок обоснована вероятностно-статистическим анализом экспериментальных данных, полученных в работе, патентом на

ТЛ A^MiiTOT.TTIO ПГТП A^OTTTIûTI »Ла'МГТТТ ТОТАП ПО^ЛТТ Т ттт та тт/-»ттАлт/-атттт»т «лп^лтт т

n jvupv 1 vill-iv, ClllpWWtVHJ'lV'l'l pVO^ Jl£> L Ci 1 VJ-D pUUUIDl. WFLUDnDlU 1ШЛиЖСШ1Л ^CiVJVJ 1

были обсуждены на 5-й Всероссийской научно-технической конференции

«Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ, 1998; 15-ой

Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и

диагностика» в рамках Всемирного электротехнического конгресса ВЭЛК-99,

Москва, РОНКТД, 1999; 6-й Всероссийской научно-технической конференции

«Состояние и проблемы технических измерений». Москва, МГТУ, 1999; 7-й

Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы

технических измерений». Москва, МГТУ, 2000; 7-й Международной научно-

7

технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ, 2001; 2-й Всероссийской научной кйегпе^конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках», Тамбов, ТГУ, 2001; 3-й Международной научной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике». Москва, РОНКТД, 2002; 8-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ. 2002; Международной конференции «Вычислительная математика,

дифференциальные уравнения, информационные технологии». Улан-Удэ, ВСГТУ, 2009; 9-й Международной конференции «Эффективные методы автоматизации подготовки и планирования производства», Москва, МГТУ, 2012.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства» Московского ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственного технического университета имени Н.Э. Баумана. Работа велась в рамках НИР и ОКР кафедры.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА

КОНТАКТНОГО ПРОВОДА

1.1. Описание объекта контроля

Контактные провода являются одним из основных элементов контактной сети. От правильного выбора их материалов, сечения и конструкции зависят технико-экономические показатели, стоимость сооружения и эксплуатации контактной сети.

Материал для контактных проводов должен обладать высокой механической прочностью, износостойкостью (твердостью),

электропроводностью, термостойкостью, теплопроводностью. Высокая механическая прочность проводов позволяет давать им большие натяжения. Это повышает ветроустойчивость контактных подвесок, улучшает качество токосъема, особенно при высоких скоростях движения поездов, обеспечивает устойчивую работу цепной подвески в течение всего периода ее эксплуатации. Высокая электропроводность проводов способствует снижению потерь электрической энергии в контактных подвесках. Термостойкий материал сохраняет при высоких температурах нагрева прочность и твердость.

В России выпускают бесстыковые медные низколегированные и бронзовые контактные провода. Их изготавливают методом непрерывного литья и прокатки катанки.

Для электрифицированных железных дорог используют контактные провода фасонного и фасонного овального профиля с двумя продольными желобками для захвата головки провода зажимами [7].

Контактные провода изготовляют следующих марок: МФ - медный фасонный, МФО - медный фасонный овальный, БрФ - бронзовый фасонный, БрФО - бронзовый фасонный овальный. К марке провода добавляют его номинальную площадь сечения. Тогда обозначение провода, например, медного фасонного сечением 100 мм2 будет МФ100.

Номинальное Размера проЬодо , мм

сечение прохода, мм А Н С /?

65 10,10+0,20 9,30+0,05 0,5 5,5

85 11,76+0,22 10,80+0,10 1,5 6,0

100 12,81+0,25 11,80+0,11 1,8 6,5

120 13,90+0,50 12,90+0,12 2,4 7,0

150 15,50+0,20 14,50+0,15 5,2 7,8

Рис. 1.1. Провод медный фасонный по ГОСТ 2584-86

На железных дорогах России применяют контактные провода сечением

85, 100 и 150 мм2. Номинальные сечения, размеры, допустимые отклонения

должны соответствовать ГОСТ 2584-86 [5] (рис. 1.1).

Отклонение фактического сечения провода от номинального должно быть

в пределах +2...-1%. Для медных контактных проводов марки МФ допускаемая

температура нагрева проводов принята равной 95 °С, а допустимое

механическое напряжение 117,7 МПа. Коэффициент температурного линейного

удлинения медных контактных проводов а равен 15,5-10"6 1/°С при температуре

10

-100...0°С и 16,7" 10"6 1/°С при температуре 0...+100°С , а модуль упругости Е=130 ГПа. Твердость равна 95-120 НВ [6].

Состояние рабочей поверхности контактного провода, характеризующее качество токосъема, оценивается в классах согласно приложению 1 [59] (состояние нормальное - 1-й класс, ухудшенное - 2-й и 3-й классы, плохое - 4, 5 и 6-й классы).

Срок службы медных контактных проводов должен быть не менее 6 лет.

При движении вагона контактный провод электрической железной дороги находится в контакте с токоприемником (пантографом). При этом провод постепенно изнашивается, и, если своевременно не произведена замена, в конце концов, происходит разрыв или потеря контакта, и возникает авария. Для контактного провода устанавливается предел износа, как показатель необходимости замены. При достижении предельного износа провод своевременно заменяют, и, тем самым, обеспечивается безопасность движения состава электрической железной дороги.

Величина износа провода зависит от величины снимаемого тока, от давления пантографа на провод, от материала контактных пластин пантографа и материала провода, от состояния трущихся поверхностей и от ряда других условий.

В большой степени износ провода определяется величинами тока, снимаемого пантографом с контактного провода. В соответствии с этим на двухпутных участках величина износа провода на подъёмах значительно (в несколько раз) превосходит величину износа провода на спусках. Заметное повышение износа провода наблюдается также в местах разгона электропоездов.

На однопутных участках при двустороннем движении пантографов по проводу средний износ его получается несколько большим, чем на двухпутных участках при одностороннем движении пантографов.

Более интенсивный износ контактного провода наблюдается в местах снижения и подъёма контактного провода на подходах к искусственным сооружениям.

Значительно ухудшаются условия работы контактного провода в случае появления искрения между проводом и пантографом. Искрение вызывает усиленный износ контактных пластин и провода.

На линиях с чисто электрической тягой износ провода несколько меньше.

Большое влияние на увеличение износа контактного провода оказывает гололёд, образующийся в зимнее время на контактном проводе. Так, на дорогах Севера и Востока на головных станциях, а также на крупных промежуточных станциях с большой маневровой работой, выполняемой тепловозами, наблюдаются резко повышенные износы провода на воздушных стрелках в горловинах станций вследствие интенсивного гололёдообразования, наблюдаемого в этих местах в зимнее время. Токосъем в таких местах сопровождается зимой сильным искрением, что приводит к большому износу проводов и вызывает необходимость частой их смены.

В весьма большой степени интенсивность и характер износа контактного провода определяются материалом, применяемым для изготовления контактных пластин пантографа, а также применяемыми материалами и методом смазки контактного провода и пластин пантографа.

При медных контактных пластинах широкое распространение получило применение жирной графитовой смазки. Такая смазка, состоящая из смеси солидола с графитом (2/3 солидола и 1/3 графита), закладывается в углубления между контактными пластинами. Основной недостаток такого вида смазки состоит в большой неравномерности нанесения её на провод.

Поверхность смазки покрывается тонкой коркой, состоящей из частиц меди, тонких песчинок и т. п. Поступление