автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Повышение качества токосъема при интенсивном аэродинамическом воздействии на контактные подвески и токоприемники электрического транспорта

\ ц «о«

министерство путей сообщения российской федерации омский институт инженеров железнодорожного транспорта

На правах рукописи

Кандидат технических наук, доцент МАСЛОВ Геннадий Петрович

УДК 621.336

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА ПРИ ИНТЕНСИВНОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА КОНТАКТНЫЕ ПОД ВЕСКИ И ТОКОПРИЕМНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

Специальность 05.22.09 — «Электрификация ;келезнодоро;киого транспорта»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ОМСК 1933

Работа выполнена в Омском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научный консультант —

доктор технических наук, профессор, академик АТ РФ МИХЕЕВ Виктор Петрович.

Официальные оппоненты —

доктор технических наук, профессор, чл.-корр. ПАНИ АВИЛОВ Валерий Дмитриевич; доктор технических наук, профессор ГУКОВ Анатолий Игнатьевич;

доктор технических наук, профессор, академик АТ РФ ДЕМЧЕНКО Анатолии Тимофеевич.

Ведущее предприятие —

АО «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конст-рукторскин и технологический институт электровозостроения» (АО ВЭлННИ).

Защита диссер1ацин состоится ^ СЛ/и&ЛъЯ^_1993 г.

в _ч мин па заседании специализированного Совета

(шифр Д 114.06.01) при Омском институте инженеров железнодорожного транспорта.

С диссертацией можно ознакомиться и бн0лно1еке института.

Автореферат разослан « » _1993 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института: 61404С, г. Омск, ир. Маркса, 35.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

В. К. ОКИШЕВ

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

суа»слэ

б $

кг

А -

-

Рк.т -

^с.З.^с.йг

С I

углы атаки встречного и бокового потоков воздуха соответственно;

аэродинамические коэффициенты вертикальной сила и лобового сопротивления элементов токосъемник устройсгэ соответственно; характерная площадь; массовая плотность воздуха; результирующая скорость воздушного потока; аэродинамическая вергиакльная сила токоприемника; аэродинамическая вертикальная сила подвижных рам токоприемника;

аэродинамическая вертикальная сила полоза токоприемника;

циркуляция вокруг контактного провода; подъем контактных проводов; горизонтальные отклонения контактных проводов; контактное накатив;

приведенная жесткость, масса, сила оухого и коэффициент вязкого трения контактной подвески соответственно;

приведенные масса полоза и жесткость каректок

токоприемника соответственно;

капитальные затраты;

текущие затраты;

длина пролета;

стрела провеса контактного провода.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем». Решение экономических и социальных задач современного общества неразрывно связано с совершенствованием работы всех видов транспорта и прежде всего - железнодорожного. Электрификация железных дорог является эффективным средством технического-перевооружения железнодорожного транспорта, позволяющим повисить скорости движения поездов.

Высокие скорости движения электрического подвижного состава реализованы у нас и за рубежом. Официальный мировой рекорд скорости, установлении« на дорогах Франции, равен 516,3 км/ч.

В нашей стране проводится работа по созданию нового высокоскоростного наземного транспорта на магнитном подвесе. Его разработка осуществлялась в соответствии с программой 0,54.07, в число исполнителей которой включен Омский институт инженеров железнодорожного транспорта (ОмИИТ)..

В настоящее время Государственной научно-технической программой предусмотрено создание высокоскоростного, экологически чистого транспорта, который будет обеспечивать пассажирские перевозки со скоростьп 350 км/ч.

С ростом скоростей движения всех видов электрического транспорта особое значение приобретает проблема обеспечения надежного и экономичного токосъема, так как изменение контактного нажатия за счет инерционных и аэродинамических сил в процессе механического взаимодействия токоприемников с контактными подвесками приводит к интенсивному износу контактирующих элементов (контактных проводов и контактных пластин полозов токоприемников), что требует значительных дополнительных затрат на эксплуатации токосъемных устройств. Наряду с этим при ветре происходит нарушение габаритов расположения проводов, что связано с безопасностью прохода токоприемника по контактной подвеске. Поэтому проблема токосъема, особенно при высоких скоро-„ , сгях движения, когда имеет место интенсивное воздействие потоков воздуха на токосъемные устройства, остается одной из важнейших и от ее решения зависит надежность и экономичность работы электрифицированных участков железных дорог.

Цель и задачи исследовании. Целью диссертационной работу является создание новых научно обоснованных технических реие-

ний, связанны, с обеспечением надежного и экономичного токосъема при высоких скоростях движения электрического транспорта путем оптимизации аэродинамического воздействия на токосъем-ные устройства (токоприемники и контактные подвески).

Основные задачи исследования:

- разработать математические модели обтекания воздупшш потоком электрического подвижного состава и определить поле скоростей потоков воздуха в рабочей зоне токоприемника; аэродинамических сил, воздействующих на токоприемники и контактные подвески; подъема контактных проводов под действием ветра и вследствие воздействия на них токоприемников;

- установить степень аэродинамического влияния на параметры токоприемников и контактных подвесок, а также качество токосъема и с учетом новых выявленных эффектов уточнить математическую модель взаимодействия токоприемников и контактных подвесок;

- предложить новые технические решения по обеспечению оптимального аэродинамического воздействия на токоприемники и контактные подвески, создать экспериментальный комплекс, позволяющий дать оценку техническим средствам, разработанным на основе этих решений, и новую аппаратур^, для проведения испытаний как на указанном комплексе, таи и в линейных условиях;

- определить экономический эффект от использования новых технических решений, а также от экспериментального комплекса для исследования токосъемних устройств.

Общая методика..исследований. Анализ физических процессов взаимодействия токосъемник устройств при аэродинамическом воздействии на них, их математическое описание, исследование полученных математических моделей, экспериментальные исследования на специально разработанном и сооруженном автоматизированном комплексе и в линейных условиях, определение адекватности теоретических предпосылок и выдвинутых принципов реальным закономерностям.

В теоретическом разделе работы при рассмотрения обтекания подвижного состава реиалась задача Неймана для уравнения Лапласа в конкретной области течения. При аэродинамическом расчете токоприемников использовался метод ерняного обтекания элементов

5 -

произвольной формы в несжимаемой идеальной среде. Расчет вертикальных перемещений проводов под действием ветра проводился по формуле Жуковского для случая обтекания цилиндра поступательно-циркуляционным потоком невязкой жидкости. При оценке возможности реализации высоких скоростей на путевой структуре ограниченной длины использовались современные методи тяговых расчетов, а для выбора оптимального плана испытаний принят метод полного факторного эксперимента.

В экспериментальном разделе работы использованы методи тензометрирования параметров, отражающих процесс взаимодействия токосъемных устройств и аэродинамического воздействия на них.

учная новизна полученных результатов заключается в следушем:

- разработаны новые математические модели для расчета аэродинамических сил токоприемников магистрального электрического подвижного состава, учитывающие реальную структуру воздушного потока в надкришевом пространстве и позволяющие привести аэродинамические силы элементов в точку контакта;

- установлена связь перемещений контактных проводов с циркуляционным обтеканием их потоками воздуха;

- выявлены новие эффекты аэродинамического влияния на параметры токоприемников, контактных подвесок и процесс их взаимодействия, заключавшиеся в приведении к точке контакта массы частей полоза и сил, получающихся за счет неодинакового сжатия упругих элементов кареток, а также в изменении приведенной массы, сил трения и жесткости контактной подвески при изменении пространственного положения проводов над осью пути;

- уточнена с учетом выявленной эффектов аэродинамического влияния на токосъемные устройства математическая модель взаимодействия токоприемников и контактных подвесок.

Достоверность полученных материалов подтверждается достающей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Нэвизна технически решений подтверждается авторскими свидетельствами.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволяют найти научно обоснованные решения при разработке но-

вых и модернизации существующих токосъемных устройств, отличающихся высокими аэродинамическими свойствами и обеспечивающих надежный и экономичный токосъем как при обычных (до 160 нм/ч), так и при повшенних (до 350 км/ч) скоростях движения. Это дает значительный экономический эффект от увеличения скоростей движения при снижении годовых приведенных затрат, связанных с уменьшением износа контактных элементов, увеличением срока их службы, уменьшением ущерба от повреждения токоприемников, контактных подвесок, задержек поездов.

Практическую значимость имеет созданный полигон, который дает возможность проводить комплексные исследования, направленные на повышение надежности работы токосъемных устройств всех видов электрического транспорта.

Реализаиия_£абдти. Теоретические методы определения аэродинамических характеристик токоприемников, представленные в виде комплекса алгоритмов и программ, внедрены при разработке и создании базового токоприемника магистрального электрического транспорта, а также контактных токоприемников высокоскоростного наземного транспорта в ВЭлЖИ,

В ОмИИТе разработаны по результатам теоретических и экспериментальных исследований рабочие чертежи, на основании которых сооружены:

- лабораторные стенды и установки;

- специализированный полигон, позволявший провести исследования токосъема и аэродинамического воздействия на токосъем-ные устройства всех видов электрического транспорта.

Созданную аппаратуру для линейных исследований аэродинамики токоприемников использовали при проведении испытаний ВНШЖТ и ОмИИТ - на Октябрьской, ОмИИТ - на Западно-Сибирской железных дорогах.

Комплекс аппаратуры внедрен в вагонах-лабораториях Западно-Сибирской и Октябрьской железных дорог для использования при контрольных объездах контактной сети.

Разработанные аэродинамические устройства токоприемников внедрены на электровозах ЧС200, которые эксплуатируются на Октябрьской железной дороге.

На полигоне проведены испытания токоприемников электровозов, изготовленных по заказам КНР, других государств.

Апробация работы. Диссертация и ее разделы докладывались на всесоюзных, республиканских, межвузовских и кафедральных научно-технических конференциях, семинарах, совещаниях и заседаниях (Алма-Ата, 1984; Гомель, 1989; Ереван, 1985; Киев,1978; Мэсква, 1985, 1988, 1993; Новосибирск, 1974, 1978; Новочеркасск, 1981, 1982, 1983, 1985, 1985, 1991, 1993; Омск, 1980, 1982,1984, 1966, 1987, 1988, 1989, 1990, 1991, 1993; Ташкент, 1991; Хабаровск, 1985).

Публикации. Основные научные и практические результаты работы изложены в 24 статьях и защищены 8 авторскими свидетельствами, опубликованными в межвузовских сборниках научных трудов, журналах "Электрическая и тепловозная тяга", "Вестник ВНЮТТа", бюллетенях ОСВД и об изобретениях, депонированных рукописях.

Ствдкт^а_и_дбъем_2абдти. Диссертация состоит иэ введения, шести глав, заключения, библиографического списка, приложения.

Во введении,исходя из задач транспорта,обоснована акуаль-ность проблемы к изложены особенности исследования токосъема.

В первой главе рассмотрен токосъем при высоких скоростях движения, представлен краткий обзор и систематизированы методы расчета аэродинамических сия, воздействующих на токоприемник и контактные подвески, показаны новые эффекты аэродинамического влияния на токосъемнае устройства и даны более совершенные методы расчета аэродинамических сил токоприемников и контактных подвесок, а такие контактного наяатия с учетом выявленных эффектов влияния потоков воздуха на эти устройства, предложены принципы оптимизации аэродинамических сил.

Во второй главе предложены новые технические решения, позволившие создать аэродинамические устройство, обеспечивающие ограничение воздействия потоков воздуха на токоприемники и контактные подвески до необходимых значений, приведен расчет параметров этих устройств.

В третьей главе проведен анализ и дана класс»$икация су-иествуюаго: методов исследования токосъема, а также обоснована еозшпность проведения зткх исследований при высоких скоростях двпаенкя ко специализированном полигоне с ограниченной длиной

8

путевой структуры.

В четвертой главе рассматривается автоматизированный комплекс для испытания токоприемников и контактных подвесок, вклю-чаюший в себя полигон и различные стенды. Излагается разработанная методика токосъемных и аэродинамических испытаний как в условиях полигона, так и на линии.

В пятой главе рассматривается оптимальное планирование испытаний на полигоне.

В шестой главе приведены данные об аэродинамических испытаниях токосъемных устройств к токосъема при высоких скоростях движения, а также ветре; показано целесообразность использования разработанных аэродинамических устройств в этих условиях. По результатам испытаний определены возможные перемеиения контактных проводов в пролете под действием потоков воздуха и в процессе их взаимодействия с токоприемниками, оптимальные значения аэродинамических сил токоприемников, при которых обеспечивается надежный и экономичный токосъем. Показана технико-экономическая эффективность новых технических решений.

В приложения включены алгоритмы и программы, конкретные примеры расчетов, описание полигона, акты о внедрении.

Основной текст диссертации изложен на 318 страницах; иллюстрации состоят из 122 рисунков на 80 страницах. Библиографический список включает 301 наименований, приложения содержат 135 страниц. Общий объем работы 533 страниц.

На защиту выносятся:

1. Новые теоретические положения по аэродинамике токосъемных устройств, использование которых позволяет определить воздействующие на токоприемники'и контактные подвески аэродинамические силы, установить степень влияния этих сил на параметры названных устройств и с учетом выявленных эффектов уточнить ма* Тематические модели взаимодействия токоприемников и контактных подвесок.

2. Новые технические решения, обеспечивающие повыаенио качества токосъема при интенсивном аэродинамическом воздействии на токоприемники и контактные подвески.

3. Новый экспериментальный подход изучения аэродинамического воздействия на токосъемные устройства и качество токоеъе-

9 '

ыа, заключающийся в использовании специализированного полигона, на котором натурный токоприемник переметается с высокой скоростью с помощью малогабаритного подвижного состава по полномасштабной контактной подвеске, «то дает возможность установить закономерности и получить числовые значения аэродинамических сил, контактного нажатия, перемещений контактных проводов под действием этих сил, других показателей.

ОСНОВНОЕ СОДЕБШИЕ РАБОТЫ

I. Токосъем при высокой скорости движения электрического подвижного состава, пути повышения его надежности и экономичности

При высокой скорости движения и ветре изменение контактного нажатия вызывается инерционными и аэродинамическими силами, воздействующими на токосъемные устройства. Обеспечить надежный и экономичный токосъем в этих условиях можно различными путями, одним из которых является разработка оригинальных токоприемников, отличающихся небольшой приведенной массой, высокими аэродинамическими свойствами. Другой путь - совершенствование контактных подвесок.

Влияние приведенных масс токоприемников'и контактных подвесок на токосъем достаточно полно показано в работах многих авторов, поэтому в диссертации рассмотрено только влияние аэродинамического воздействия на качество токосъема.

Научной основой для решения поставленных задач явились труды в области:

- исследования распределения скорости потоков воздуха вокруг подвижного состава д.т.н. 'И.И.Челнокова, к.т.н. В.Г.Болдырева, Г.И.Берникова, А.В.Дурова, Г.А.Романенко, A.B.Паленого, И.В.Скогорева, Е.И.Сюзюмовой, Н.А.Чуркова, зарубежных специалистов Г.Ауттруффе, Г.Глюка, П.Марти и др.;

- обтекания тел произвольной формы д.т.н. В.А.Алгазина, С.М.Белоцерковского, Д.Н.Горелова, к.т.н. М.И.Нитша, С.Г.Нужи-на, Я.М.Серебрийского, Д.А.Симонова и др.;

- влияния потоков воздуха на токоприемники и токосъем д.т.н. В.А.Вологина, В.П.Михеева, А.В.Плакса, Д.К.Томляновича, к.т.н. В.А.Ана, И.А.Беляева, Ю.А.Дрозда, А.Д.Кокоева, А.К.Кузнецова, O.A.Сидорова, зарубежных специалистов М.Зпберкрюба, И.Кумезавн,

ГО

Р.Шриса, Л.Помакова, З.Фидрыха и др.,

- ветроустойчивости контактных подвесок д.т.н. И.И.Власова, А.Т.Демченко, А.И.Гукова, К.Г.Марквардта, В.П.Шурыгина, к.т.н. Л.Ф.Белова, А.И.Вольского, Ю.И.Горошлова, В.Н.Ли, A.B. ^айфельда, А.П.Чучева и др.

Хотя аэродинамическое воздействие осуществляется одновременно на токоприемник и контактную подвоску, взаимодействующие друг с другом, сначала оценивалось это воздействие отдельно на какдое токосъемное устройство.

Основные теоретические положения аэродинамики токоприемников использованы при построении математических моделей для определения соответствуюгаих показателей (табл.1).

Вблизи головной части магистрального электрического подвижного состава, где расположен первый по ходу токоприемник, течение потоков воздуха обычно принимается безвихревом. Рассматривая его в рабочей зоне токоприемника невязким и несжимаемым (в связи с удаленностью этой зоны от крыши и скоростями меньше 0,5 М), можно определить структуру воздушного потока (поле скоростей) в ней путем расчета обтекания головной части подвижного состава. Для одиночного локомотива использован метод, основанный на решении задачи Неймана для уравнения Лапласа с граничными условиями, представленными производными по-тенииалов течения по X .у , Z (прямоугольная система координат), первая из которых равна скорости встречного потока, а другие - нулю. Установлено, что воздушный поток воздействует на передний по ходу токоприемник с наибольшими углами атаки (3-4)° в зоне полоза поднятого токоприемника.

В рабочей зоне второго и последующего по ходу токоприемников имеет место вихревое обтекание. Исходя из схемы вихревого обтекания по полученным ниркуляпиям определяются аэродинамические силы йРц и коэффициенты для элементов токоприемников:

Таблица I Теория аэродинамики токоприемников

Структура воздушного потока

Аэродинамические коэффициенты элементов токоприемников и воздействующие на них силы

Аэродинамические характеристики токоприемников

Влияние аэродинамических устройств на аэродинамические характеристики токоприемников

Целевая функция

Компенсирующие устройства, удовлетворявшие целевой функции

ОС,уз

Суз, Сдэ

РйА^УЬрЛ,')

I

%.опгМ, «аМ

э(к,с)

где П - числ) участков, на которые делится поверхность элемента токоприемника и на границах которых располагаются дискретные вихри, моделиругазде профиль. Углы атаки этих токоприемников составляют (0-1)°,

Аэродинамические характеристики токоприемников представляются как зависимости аэродинамических сил от скорости воздействующего воздуха. Аэродинамические силы всей конструкции можно получить путем приведения аэродинамических сил отдельных элементов в точку контакта.

Для подвижных рам получим

'В '» 'Зхрв. рх21" Р9.рх22.

+ 'их

где 21, 22, II, 12 - номера верхних и нижних первых и вторых по ходу элементов подвижных рам токоприемников; /д , 1\\ , '8х • Ам ~ коэффициенты приведения аэродинамических сил верхних и нижних элементов рам токоприемников.

Аэродинамическая вертикальная сила токоприемника

Р&.Т* Рв.р

Расчеты показали, что вследствие воздействия потоков воздуха на токоприемники магистрального подвижного состава создаются аэродинамические подъемные силы, значение которых достигает 80-100 Н при скорости воздушного потока 50 м/с. При атом около 80 % этих сил приходится на доли полоза.

Основные теоретические положения аэродинамики контактной сети использованы при построении математических моделей для Определения ее параметров, изменяющихся при перемещении проводов за счет аэродинамического воздействия (табл.2).

Структура воздушного потока и аэродинамические коэффициенты элементов контактной сети могут быть определены изложенными выше методами.

Таблица 2

Теория аэродинамики контактной сети

Вертикальные перемещения и горизонтальные отклонения проводов контактной сети осуществляются за счет напора воздуха и циркуляционного обтекания. ГЬследнее не учитывается в известных математических моделях расчета ветроустойчивости.

Аэродинамическая сила, действующая на единицу длины провода (например, контактного), от циркуляционного обтекания может быть рассчитана по следующему выражению

^йук ' 9 ^д Гк.

В результате расчета для случая циркуляционного обтекания получены данные, приведенные в табл.3.

Таблица 3

Вертикальные перемещения в фиксаторном узле контактного провода Мб-100 при его циркуляционном обтекании

Скорость набегаюшего потока ,м/с

10 20 25

30

Азродинамическая подъемная сила

Р&х к„,._Н______

2,67 4,76 7,44 Ю471

Подъем контактного провода . м

0,05 0,09 0,15 0а2Г

Параметрами контактных подвесок, которые зависят от аэродинамического воздействия, являются жесткость, приведенная масса и силы трения.

Результаты расчета на примере подвески М-120+2МС-100 показали, что жесткость в опорных узлах зависит от типа фиксатора и направления ветра по отношению к неиу. Так, при изменении ветра от 0 до 30 м/с у прямого фиксатора жесткость возрастает с 3400 до 4010 Н/м (здесь и ниже направление ветра принято от контактного провода к фиксатору), у обратного она снижается с 3050 до 2390 Н/м.

Приведенная масса контактной подвески для этого диапазона скоростей увеличивается с 19,5 до 23,0 кг в опорной точке с прямым и уменьшается с 17,4 до 13,о кг с обратным фиксатором.

Силы сухого трения мень-пс 10 Н, поэтому они не оказывают большого, влияния па пронесс токосъема. Силы вязкого трения зя-

15

висят от скорости перемещения контактных проводов. Например, при скорости ветра 30 м/с они превышают в опорном узле 120 Н. В середине пролета все названные показатели изменяются незначительно .

В соответствии с изложенным уточнена математическая модель взаимодействия токоприемника и контактной подвески (табл.4\

Приведенные параметры контактных подвесок определяются с учетом перемещения проводов под действием потоков воздуха.

Приведенные параметры верхних узлов токоприемников связаны также с отклонением контактных проводов, вызываемым воздушными потоками. Движение токоприемников по контактным проводам, смешенным относительно пути, приводит к перемещению точки контакта по полозу. В результате каретки-, у которых нет жестких синхронизирующих связей, сжимаются поочередно. В связи с этим меняются условия взаимодействия контактного провода и полоза токоприемника при перемещении пропода от середины полоза к краю и обратно. Следовательно, имеется эффект приведения к точке контакта массы частей полоза и сил, получающихся за счет сжатия упругих элементов кареток. В пролете 70 м приведенная масса полоза меняется от 1,Ь до и,4 дпм'с^/м при возрастании скорости ветра от 0 до 35 м/с.

Опрокидывающий момент полозов, имеющий место вследствие их поворота под действием потока воздуха, вызывает перераспределение контактного нажатия по пластинам (токосъемным элементам) . Полученные кривые контактного нажатия (токоприемник I0PP, подвеска М-120+2М5-100, L =70 м ,f = 0,11 м, Ь = 0,07 м) показывают, что при отдельных сочетаниях параметров возможны продолжительные отрывы одной пластины при нормальном суммарном нажатии.

Аэродинамические вертикальные силы токоприемника определяются изложенным выше методом.

Предложено взаимодействие токоприемников и контактных подвесок оценивать по контактному нажатию с учетом эффектов приведения. Контактное нажатие для каждого из токос^омных элементов может быть определено как

* roc.B.»(A>1-*Ml)+ t.B.afe -О'

__ ___ — iT

Таблица 4 Совершенствование теории токосъема

жс д, тс в ^.В» гсЗ

Ж*

у -~к.пр т п. пр

I

м

оп

Ра.Г

(О-

ЯкзЧ = /»с.йз&ч - йу^+*с.В.э(^з'Г

где э - приведенная масса элемента контактной подвески,

взаимодействующего с элементом полоза токоприемника;

//3 - высота элемента полоза, отсчитываемая от верхней

поверхности лыжи опушенного токоприемника;

ам - монтаккае'усшреишз;

_ - монтажная скорость;

/"сДЭ - кооффициент вязкого трения элемента контактной подвески, взаимодействующего с элементом полоза токоприемника;

[л^Вз " сила СУ*-ОГО трения элемента контактной подвески, взаимодействующего с элементом полоза токоприемника;

- высота подвеса контактных проводов в любой точке пролета при отсутствии токоприемника;

ЖсВС э ~ жесткость связи между элементами контактной подвески, находящимися над каждым элементом полоза токоприемника;

Р&Э ~ аэродинамическая вертикальная сила элемента полоза токоприемника.

Анализ контактного нажатия (для указанных выше условий) показывает, что при аэродинамическом воздействии на токосъемные устройства оно изменяется в широком диапазоне. Поэтому необходимо определять оптимальное значение аэродинамической сит с использованием целевой функции.

Качество токосъема оценивалось по критериям, в качестве которых приняты коэффициенты экономичности к3 (денежный или весовой) и надежности Кн

Результаты расчета показали, что при максимальных скоростях движения 120 км/ч (данные ВНИШТа по износу) аэродинамическая подъемная сила токоприемника не должна превышать 25-30 Н. При большей скорости движения ее значение рекомендуется ограничить

18

до 70-80 Н.

Выводы по первой главе

¡.Особенностями взаимодействия токоприемников и контактных подвесок при высоких скоростях движения электрического подвижного состава являются значительные вертикальные перемощения взаимодействующих масс и воздействие потоков воздуха на токо-съемные усттойства, вследствие чего контактное накатив изменяется, вызывая опасные перемещения контактных проводов и интенсивный износ контактирующих элементов токосъемных устройств, что ухудшает надежность и экономичность токосъема.

2.Для улучшения процесса взаимодействия токосъемных уст -ройств целесообразна разработка новых методов теоретических и экспериментальных исследований, по результатам которых могли бы быть созданы более ветроустойчивые контактные подвески и аэродинамически более совершенные токоприемники,'позволяющие обеспечить надежный и экономичный токосъем.

3.Использование предложенных математических моделей при аналитических исследованиях позволило установить,

- что максимальный воздушный поток воздействует на передний по ходу токоприемник с наибольшими углами атаки, равными в зоне полоза поднятого токоприемника (3-4)°;

- на' второй и последующие по ходу токоприемники это воздействие снижается вследствие уменьшения угла атаки до (0-1)°;

- совершенствование формы лобовой части кузова подвижного состава способствует уменьшение угла атаки полоза первого по ходу токоприемника;

- наибольшую роль в создании аэродинамической подъемной силы токоприемника играет полоз (его доля составляет 80 %);

- наибольшую аэродинамическую силу и лобовое сопротивление имеют токоприемники с коробчатым сечением полоза;

- подъем контактных проводов вследствие циркуляции при скорости набегавшего потока 30 м/с может достигать 0,2 н;

- удовлетворительное качество токосъема при скорости движения до 200 км/ч имеет место, когда аэродинамическая подъемная сила не превышает 70-80 Н.

4.Оптимальные аэродинамические показатели токосъемных устройств рекомендуется определять с помотьп целевой функции, предложенной Автором.

2. Аэродинамические устройстве, обеспечивающие повышение качества токосъема при интенсивном воздействии потоков воздуха на токоприемники и контактные подвески

Для обеспечения надежного и экономичного токосъема токоприемники должны обладать высокими аэродинамическими свойствами, о контактные подвески - обеспечивать сохранность зафиксированного положения во время ветра. Достичь этого можно путем использования различных аэродинамических устройств, обеспечивающих оптимальную аэродинамическую силу токоприемника для конкретных условий, аэродинамически более совершенных форм элементов токо-съемных устройств, ветроустойчивых схем расположения проводов контактных подвесок. В работе приводится классификация этих способов.

Показано, что основным нелостатком известных способов ограничения аэродинамического воздействия на токоприемники является отсутствие универсальности, так как решается задача только для встречных потоков воздуха.

По контактной подвеске основные работы направлены главным образом на повышение ее ветроустойчивости. В то же время качество токосъема при воздействии на контактную подвеску ветра не оценивалось. В связи с этим предложены новые технические решения, направленные на повышение качества токосъема при интенсивном аэродинамическом воздействии на токосъемные устройства.

Одним из способов повышения надежности работы токоприемника является ограничение его аэродинамической подъемной силы путем использования предложенных экранов, имеющих возможность повороте и устанавливающихся в рабочее положение под действием встречного воздушного потока.

Другим техническим решением, повышающим надежность токосъема при высоких скоростях движения за счет снижения аэродинамической подъемной силы токоприемника,-является предложенное изменение конструкции полоза. В известном полозе токоприемника, содержащем связанный с каретками короб, на котором установлены контактные элементы, короб выполнен в виде решетки, образующей^ сквозные каналы прямоугольного сечения, оси которых параллельны оси пути. Это дает возможность гасить вихревые колебания потока, улучтмть теплоотвод.

20

Независимо от направления воздушного потока работают устройства с винтом и поворотные антикрылья.

В первом случае под полозом устанавливается аэродинамичео-кий элемент, выполненный в виде вертикальной турбины радиального типа. На валу турбины "закреплен тяговый винт. Воздушный поток приводит во вращение турбину и сочлененный с ней тяговый винт, в результате вращения которого создается полезная опускающая сила.

Разработан также аэродинамический элемент в виде антикрыла, создающего опускающую аэродинамическую силу и сочлененного с устройством, следящим за направлением потока. Воздушный поток, одновременно воздействуя на полоз и антикрыло, создает у полоза подъемную силу, а у антикрыла - опуснающую. Эти аэродинамические силы компенсируют друг друга.

Предложено выполнять полоз токоприемника трапецеидальной или овальной формы, а у элементов подвижных рам иметь эллиптическое сечение, что использовано при создании отечественного базового и скоростного штангового токоприемников.

Рекомендовано для различи!« токоприемников применять обтекатели.

Для предотвращения возможности смешения контактных проводов в фиксаторном узле магистральной контактной подвески при ветре предложено использовать в этом узле упругие элементы, которые снижают жесткость фиксаторного уэла и, как следствие, -износ контактных проводов и контактных пластин полозов токоприемников.

Приведен расчет параметров предложенных аэродинамических устройств.

Выводы по второй главе

Предложены новые устройства

- для токоприемников магистрального электрического подвижного состава в виде регулируемых или поворотных зкранов, крыльев, винтов, обеспечивающих ограничение аэродинамической подъемной силы токоприемников до оптимальных значений независимо от направления воздупных потоков;

- токоприемников скоростного электромагнитного транспорта в виде обтекателей, отводящих воздушный поток от полозе токоприемника и снижающих его аэродинамическое лобовое сопротивление;

гг

-контактных подвесок в фиксаторном узле - упругий элемент в виде спирали из троса, сникающий жесткость фкксаторного узла и ограничивающий перемещение контактных проводов под действием ветра.

Эти устройства целесообразно использовать как на участках высокоскоростного движения, так и на эксплуатируемых с обычными скоростями в ветровых районах.

3. Новый метод экспериментальной оценки оптимальных характеристик и параметров токос-ьемных устройств электрического транспорта

Существующие методы исследования токосъема представлены в табл.5. Основным их недостатком является отсутствие возможности получения всего комплекса показателей токосъема при сравнительных испытаниях различных типов токосъемных устройств.

Испытывая различные типы контактных подвесок и токоприемников, необходимо иметь одинаковые условия по метеоданным. Эта задача может быть решена путем создания на специализированном полигоне определенных экспериментальных участков, обеспечивающих исследование комплекса вопросов за один-проход токоприемника. Наличие такого полигона позволяет широко использовать вычислительную технику. Это в свои очередь обеспечивает автоматизацию процесса исследования и повышает достоверность результатов.

На .юлигоне, путевая структура которого представляет собой обычный железнодорожный путь небольшой длины, высокие скорости могут быть реализованы с помошью малогабаритных подвижных единиц, несущих натурный токоприемник, перемещающийся по полномасштабной контактной подвеске.

Наибольшей опасностью при движении подвижной единицы является возможность ее схода с путевой структуры. Сход может произойти по причине возникновения значительных динамических сил при вертикальных перемещениях подвижных единиц во время движения по пути с переменной жесткостью, резонансных явлений, имеющих место при совпадении собственной частоты и частоты вынужденных толчков (возмущений) со стороны пути. Опасность схода с рельсов подвижной единицы создают возникающие при движении колебания виляния, которые могут носить устойчивый характер.

Результаты расчета позволили установить, что двухосная те-22

Таблица 5

Классификация методов исследования

методы исследования взаимодействия тошриемншв с контактными подвесками и токопрвзодами

лабораторные иеслш&и'

кия натурных ОбмзвдТУ

ЛиНЕИНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

НАТУРНЫХ ОБРАЗЦОВП

ымншме пны и г МИНИН

На специальных

АНАЛОГОВЫХ ЧСТРОЙСГВАХ

модель ЗАП.-СЙ5.Ж.Д.

модель сев-хдвхд.

Натурный

ТСКОЛРИЕМНИК"

имигисовлнндч

шнгаитндд ПОДВЕСКА

Натурная контакт ная подвеска-

имитированный ТОКОПРИЕМНИК.

X

Стенд вниижта

стенд

нан каз.сср

Стенд РИИЖТА

Стенд Юл НИИ

, стенд.

" (Германия)

ШНТГО6ЕЖ1АЯ

маи.ина

миитд__

СТЕНА (Япония)

Саш- Петербург Малая йишера

йауми-Келасуй,

Омск-

нлзы8аебсш

Реда-Эльде

(ГЕРМАНИЯ)

_ на участках* л 61:

спщобориловда

на УЧАСТКАХ хаи

спшокгодоадпшм

.НА КОМПЛЕКСАХ

испытания

ТпГ

МДИКСТ (РОССИЯ)

[кино- ипьлб-

фр? реи ( г? руаиио)

УЧАСТОК В.

егнгрии

УЧМГГСК ь

I Участскво

| _франции

| Участок в

Полигоны

I Пчамо (США) |-| ЭМАНГЕ11С((Ц|Щ1СЯ'{-|ЗМСЛА»Д(ГСР№1Ш;(-

|МиалЗАш(й,тония)Ь

СТДНЦИИ

г. Бена . [Австрия!

|,г 1рен06ыли

| ¡горднциц)

I ЬиТои |;францио)

|г Аасьург Н^рмднио)

|,г л4рьи,

Кднглид)

Ы>6ИРГИИ

(Польша)

лежка подвижной единицы массой, приходящейся на колесную пару, /7?к=2500 иг может безопасно проехать стыковую неровность при скорости более 360 км/ч.

Исследование колебаний виляния при движении подвижной единицы показали, что экипаж массой 4000 кг с базой 3 м имеет ограничение по скорости 288 км/ч, а с базой 4м- 370 км/ч. Для подвижных единиц с большей массой ограничения более жесткие.

Для сокращения длины путевой структуры нужно иметь короткий участок не только разгона, но и торможения. Полная остановка подвижной единицы на коротком участке может быть обеспечена применением комбинированных тормозов. В результате решения тормозной задачи найден действительный тормозной путь в зависимости от начальной скорости торможения. Выбранные системы торможения (электромагнитная, реостатная, фрикционная, аэродинамическая) обеспечивают полную остановку подвижной единииы массой 7000 кг при начальной скорости 360 км/ч на расстоянии 700 м.

В работе сформулированы следующие принципы построения полигона:

- выполнение путевой структуры в виде железнодорожного полотна;

- использование малогабаритного подвижного состава с различными видами тяги (электрическая, реактивная, двигатель внутреннего сгорания);

- применение комбинированного Способа торможения;

- автоматизированное управление движением;

- наличие различных экспериментальных участков на всем протяжении путевой структуры;

- многоплановость использования;

- масса подвижной единицы, приходящаяся на колесную пару, нр менее 2э00 кг, длина путевого звена - 25 м;

- длина участка разгона не более 1000 м.

С учетом изложенного сформулированы технические требования к полигону.

Выводы по третьей главе I.Супгствутеие методы исследования взаимодействия токоприемников с контактными подвесками и токопгородами имеют недостатки, сни*аг!лиг точность результатов, я исполь^опачке г.ля проведения

24

испытаний эксплуатируемых участков магистральных железных дорог требует значительных финансовых затрат.

2Лредложенный метод исследования токосъема на специализированном полигоне с использованием малогабаритного подвижного состава и путевой структуры ограниченной длины, где можно реализовать высокие скорости движения, позволяет получить результаты с высокой достоверностью, широко варьировать условия проведения эксперимента (приводящих даже к аварийным ситуациям), снизить эксплуатационные затраты.

3.Проведенные расчеты позволили установить, что безопасными условиями достижения высоких скоростей движения на полигоне являются:

- уменьшение вертикальных колебаний кузова подвижных еди-нии, что достигается выбором рессор, длины р^льсоеого звена и других показателей;

- предотвращение колебаний виляния подвижных единиц путем рационального выбора базы, радиуса инерции и т.д.;

- повышение устойчивости движения подвижных единиц за счет использования аэродинамически более совершенных форм кузова или аэродинамических устройств, создающих прижимающие силы;

- использование комплекса тормозных устройств.

4.Удовлетворение техническим требованиям, сформулированным исходя из предложенных принципов построения полигона, обеспечивает наиболее полное решение поставленных задач исследования и уменьшение капитальных вложений на сооружение полигона и его эксплуатацию.

4. Автоматизированный экспериментальный комплекс, его техническое обеспечение и методика исследования токосъемных устройств

Результаты теоретических исследований, изложенные здесь в обобщенном виде, выработанные технические требования явились основанием для разработки технического проекта и рабочих чертежей Омского специализированного полигона. В настоящее время он принят в эксплуатацию, проведены различные испытания и получены экспериментальные данные, использованные в настоящей работе.

Полигон вместе с различными лабораторными стендами и установками представляет со^ой экспериментальный комплекс (табл.б),

25

Таблица 6

Структура автоматизированного экспериментального комплекса

О'»

Г7

II

II М

лЗтёмоШПй^оЗамЯыа

кнги&с 5гел1>мне>тс.'7&<ых

исследований , ргххас,ъекньа: уоптис™

Специвлщироёв/о'йм по.пи гам

?! .11

II

из

ш

р

И

'о

.5; |

о.

I?

ё &

Р I5

У}_

Т

ч»

ч

1

>•1

«

III

? I

м

\СтёмдЫ и ус/г>яна£хи I

\тт\ \*'си\ (узе ( \умт\ [угу] \усл\

1311

Ш

позволяющий проводить всесторонние исследования токосъеиных устройств различных видов электрического транспорта.

Центральный пост управления (ЦПУ) предназначен для обеспечения управления движением подвижных единиц и системой электроснабжения, сбора и обработки информации о результатах исследований.

Путевая структура представляет собой обособленный участок железной дороги и контактную подвеску. В плане путь - прямая / длиной 2290 м, шпалы деревянные, рельсы Р65. Балласт щебеночный и песочно-гравийннй. Уклони и подъемы отсутствуют.

В зависимости от способа токосъема (боковой или верхний) используется соответствующая контактная подвеска. Для бакового токосъема она смонтирована на горизонтальных консолях одиночным контактным проводом М1-150. Анкерный участок 400 м. Длина пролета б м. В качестае?олор используются железобетонные приставки.

Контактная .подвеска, обеспечивающая верхний токосъем, в отличие от магистральной, расположена на" высота 3,2 м. Она подразделяется на ряд экспериментальных участков: для исследования работы в обычных или экстремальных условиях важнейших ее узлов (секционных изоляторов, воздушных стрелок, сопряжений), изучения ветрового воздействия, диагностирования токосъемных устройств и др.

Система электроснабжения обеспечивает подачу в контактную сеть постоянного напряжения 650 и 3000 В, переменного напряжения промышленной частоты 380 и 1000 В, напряжения 380 В с изменяемой частотой в диапазоне 0-80 Гц. Питание осуществляется от опорной тяговой подстанции.

Разработаны и изготовлены три подвижные единицы токосъемных устройств (ПЕТУ): с электродвигателем вращения, с реактивным двигателем и двигателем внутреннего сгорания. Управление подвижными единицами осуществляется машинистом, дистанционно, а также в автоматизированном режиме.

Система торможения комбинированная, путевая структура заканчивается системой финишеров (балластный, фрикционный, упругий, упорный брус).

Полигон укомплектован всеми основными типами токоприемников, эксплуатируемых на отечественны* железных дорога*. Он удо-

27

стоен Диплома I степени и золотой медали ВДНХ.

Рассмотренный комплекс представляет собой экспериментальную базу, являющуюся основой для создания автоматизированной системы научных исследований то ко съемных устройств (МЖ ТУ),

Необходимым условием проведения испытаний является наличие технических средств (приборы и оборудование, средства передачи информации, вычислительные машины), а также программное обеспечение.

При проведении исследований использовались как стандартные приборы и оборудование, так и специальные, созданные в ОмИИТе. К последним относятся регистраторы аэродинамических сил, скорости воздушных потоков, перемещения контактных проводов,нажатия полозов токоприемников на контактный провод и др.

Предложенная методика аэродинамических испытаний может быть использована как в условиях полигона, так и на линии. С помотью регистратора аэродинамических сил осуществляется запись суммарной аэродинамической вертикальной силы и силы статического нажатия рамы в заданном диапазоне скоростей движения. Разница между полученной суммой сил и силой нажатия рамы, записанной при стоянке, позволяет получить аэродинамическую вертикальную силу токоприемника.

Аэродинамические испытания малогабаритных токоприемников проводились на участке полигона с эстакадой, где создавались условия, близкие к условиям в подэкипажной части ВСНТ.

Выводы по четвертой главе,

1.Разработанный экспериментальный комплекс, составляющими которого являются полигон, включающий в себя пост управления, путевую структуру (путь и контактную сеть)с расположенными на . ней испытательными участками, подвижные единицы, другие объекты, и различные лабораторные стенды и установки, позволяет проводить исследования токосъемах устройств (токоприемников и контактных подвесок) различных видов электрического транспорта и средств их диагностики.

2. Предложенный экспериментальный подход изучения аэродинамического воздействия на токосъемные устройства и качество токосъема, основанный на методе тенэометрирования этих проиессов, пояЕоляет создать аппаратуру и провести исследования в полигон-

28

ных и линейных условиях, что дает возможность установить закономерности и получить числовые значения аэродинамических сил, действующих на токоприемники и контактные подвески, контактного нажатия и перемещений проводов под действием этих сил.

Ь. Оптимальное планирование испытаний на полигоне

Планирование испытаний осуществлялось для получения достоверных результатов при минимальных затратах на эксперимент.Это связано с определением количества поездок для конкретного режима. Следовательно, планирование исследований включает в себя решение следующих задач:

- выбор способа организации эксперимента;

- выбор плана испытаний (участки испытаний, режимы движения, метеоусловия и т.п.).

Организация испытаний. Испытания заключались в проведении ряда опытов, каждый из которых характеризоь'.',:я скоростью движения, скоростью и направлением ветра.

Модель наблюдений. Предварительно ожидаемые значения аэродинамических сил известны не были. Процесс изменения аэродинамических сил случайный. Распределение максимумэв подчинено нормальному закону.

Метод обработки данных. Оцениваются математические ожидания и среднее квадратическое отклонение значений аэродинамических сил. Дисперсия оиенки математического ожидания в режиме дЮ

где С - постоянный множитель; Т] - длительность испытаний в режиме я^' ; - дисперсия раэмахов в режиме

Показатели плана испытаний: скорость движения 1/г с уровнем лф , скорость ветра Уц с уровнем

Предложенная методика использована при планировании аэродинамических испытаний на полигоне (выполненных по заданию ВЭлНИИ) токоприемников электровоза 36 , изготовленного для КНР, электровоза для аргентинских железных дорог и отечественных. !Ьеэдки осуществлены с максимальной скоростью 180 км/ч. ь линейных условиях ррялизована скорость 232 км/ч.

29

В работе рассмотрены показатели оптимальных планов токо-съемных испытаний.

Выводы по пятой главе

1.Рассмотренные основные принципы планирования экспериментов могут быть использованы при проведении различных видов испытаний как на полигоне, так и на линии, при отом задача планирования состоит в том, чтобы обеспечить выбор способа организации эксперимента, скоростей движения, числа эаеодов и количества экспериментальных участков.

2.Принятые методы оптимального планирования токосъемных и аэродинамических испытаний позволяют достичь высокой точности результатов.

6. Обеспечение работы токосъемных устройств при интенсивном аэродинамическом воздействии, экономический эффект от использования новых технических решений

В результате продувки элементов в аэродинамической трубе получены аэродинамические коэффициенты для различных профилей (табл.7), что позволяет, используя предложенный метод, определить аэродинамические характеристики токоприемников eme на стадии проектирования.

Аэродинамические испытания на полигоне названных выше и других токоприемников показали, что при скорости обдува 50 м/с подъемная сила достигает 90-100 Н (в зависимости от профиля полоза). Согласно ТУ 16-89 скорость воздействующего на токоприемник потока воздухе нужно принимать с учетом ветра 25 м/с.Следовательно, в реальных условиях моиут оказаться, что подъемная сила достигает значительно больших значений, нежели указанные здесь. Поэтому ее целесообразно ограничить.

Зависимость аэродинамической подъемной силы токоприемника от скорости воздушного потока может быть определена как

В.Т

Для рассмотренных случаев определены численные значения А и Я .т.е. = 0,033 Ид .

Получены аэродинамические коэффициенты изношенных проводов контактной подвески в вертикальном потоке воздуха (табл.8).

Таблица 7

Аэродинамические коэффициенты элементов токоприемников

Элемент токоприемника Профиль элемента Коэффициент лобовсго сопротивления Коэффициент вертикальной силы Примечание

1-1 1,35 0,07

1-1 Г~ I 1,60 0,04

( 1 1 1 1,64 0,24

1-1 п 1,70 -0,17

п п п п 1,52 0,31

О О 0,90 0,20

Полоз О О о о 1,10 1,65 0,30 0,02

с? о / ч / \ 1,60 1,20 -0,10 0,05

Верхние связи о 0,89 0,31

о 0,90 0,40

Нижние связи О 1—1 0,80 0,60 1,30 0,25 0,20 0,50

Штанга <о 1—ю 0,40„ 0,50 0,10 0,13

О 0,95 0,42

Диагональная О 0,80 0,07

Горизонтальна? связь • о 1,30 0,01

1,60 1,00 Типа П-1 Плунжерного типа

Каретка -

Таблица 8

Аэродинамические коэффициенты одиночного контактного провода М5-100 в вертикальном воздушном потоке

Количество проводов

Скорость

воздушного

потока^мус_

29,3

33,3

38,9

Степень износа,%

0,0 3,4 6,2 11,2 0,0 3,4 6,2 11,2 0,0 3,4

б,г. 11,2

__?2С____ПБЬ-Зт-_г_ЕЕаа.

90 Г 21

1,32 1,44 1,55 1,72 1,25 1,30 1,40 1,51 1,16 1,22 1,30 1,34

0,86 0,94 1,01 1,04 0,88 0,99 1,10 1,12 0,84 0,89 0,91 0,93

Эти коэффициенты необходимо использовать при определении ветровой нагрузки на контактную подвеску, расположенную на насыпях, где углы атаки меняются с изменением высоты насыпи (табл.9). В связи с изменением этих углов при расчетах ветроустойчивости контактной подвески целесообразно применять не постоянные аэродинамические коэффициенты, а в зависимости от угла атаки воздушного потока (высоты насыпи).

Таблица 9

Углы атаки бокового ветра в зоне расположения

контактного провода

Высота подвеса Углы атаки воздушного высотой потока, т..З.Л. град, на насыпях

контактного о.о 1 1,3 ] 2,5 | 5,0 ]

6,80 13 14 ■ 14 15 17

6,20 14 15 16 17 19

5,55 15 16 17 18 23

I

Г

I

Исследование воздействия потоков воздуха на процесс токосъема выполнялось на полигоне, на Октябрьской и Западно-Сибирской железных дорогах.

Стабильное контактное нажатие (по продолжительности до 80 % от времени хода) в пролетах с любой стрелой провеса контактных проводов наблюдается, если аэродинамическая подъемная сила токоприемника составляет 20-25 Н. Это имеет место при скорости движения 120 км/ч.

Появление встречного ветра вызывает увеличение аэродинамической подъемной силы, за счет которой контактное нажатие может возрасти п два разв и более. В этом случае снижается надежность работы контактной сети вследствие ударов полозов в опорном узле из-за возможных больших отжатий проводов при проходе токоприемников и увеличивается износ контактирующих элементов. Поэтому, когда подвижной состав обращается со скоростями до 120 км/ч, целесообразно оборудовать токоприемник устройствами, которые ограничивали бы аэродинамическую подъемную силу до 30-35 Н при любой скорости встречного потока воздуха. При этом контактное нажатие, не должно оказываться меньше статического.

При больших скоростях движения электроподвижного состава (особенно более 200 км/ч) удовлетворительное качество токосъема обеспечивается, если аэродинамическая подъемная сила токоприемника составляет не менее 70 Н (статическое нажатие подвижных рам 100 Н). Дальнейшее ее увеличение приводит к опасным вертикальным перемещениям контактных проводов в фиксаторном узле (свыше 0,25 м).

Полученные результаты показывают, что распределение вероятностей непрерывной случайной величины "изменение контактного нажатия в пролете" есть нормальное, которое описывается плотностью

• где <Т - среднее квадратическое отклонение нормального распределения; CL - математическое ожидание непрерывной случайной величины.

аз

Аэродинамическая подъемная сила токоприемника должна быть принята с таким расчетом, чтобы отжагие контактных проводов при взаимодействии токссъемных устройств не превышало 0,35 м (на такой подъем рассчитаны сочлененные фиксаторы). При ограничении аэродинамической подъемной силы до 70-80 Н обеспечивается (по условию подъема контактных проводов с максимально возможными скоростями) безопасный проход любого токоприемника под фиксаторами типовой рессорной компенсированной или полукомпенсированной подвески.

Значение контактного нажатия зависит также от воздействия на контактную подвеску потоков воздуха при ветре. Оно оценивалось средним квадратическим отклонением (стандартом). Отмечена следующая закономерность.

При изменении отклонения провода от 0,23 до 0,32 м, что имеет место при скорости ветра, действующего на контактную подвеску, от 10 до 20 м/с, среднее квадратическое отклонение контактного нажатия меняется в сторону увеличения, что говорит о возрастании нестабильности нажатия. В то же время при отклонении проводов от 0 до 0,23 м, что соответствует скорости ветра, действующего на контактную подвеску, от 0 до 10 м/с, распределение контактного нажатия более равномерно. Это свидетельствует о выравнивании жесткости по пролету вследствие выдува проводов в середине пролета. При ветре 25 м/с их отжатие не возрастает, что связано с увеличением натяжения.

Наличие на полигоне экспериментального участка высокоскоростного электромагнитного транспорта позволило провести исследование структуры воздушных потоков в подэкипажной части этого вида подвижного состава. Максимальная скорость потока находится в средней части канала.

Исследование малогабаритных токоприемников в аэродинамической трубе позволило установить, что их аэродинамическая подъемная сила при скорости обдува 50 м/с не превышает 20 Н.

Результаты исследования показали, что использование предложенных аэродинамических устройств в условиях скодостного движения или при ветре позволяет ограничить аэродииамические воздействия на токосьемнне устройства до оптимальных значений. Раз-

34

работанные конструкции этих устройств реализованы при создании новых токоприемников, предназначенных для эксплуатации при высоких скоростях движения электроподвижного состава.

Экономический эффект от внедрения новых технических решений может быть получен за счет сокращения "окон" на ремонт контактной сети (при пропуске поездов с гарантированным опусканием токоприемников), снижения повреждений токосъемних устройств при воздействии на них потоков воздуха, а также уменьшения износа контактирующих элементов.

Выполнен расчет экономического эффекта от использования полигона в ценах, действовавпих до 2 апреля 1991 года, с учетом роста расходов в связи с переходом на рыночные отношения.

Полученные экспериментальные данные подтверждают результаты теоретических исследований. Это дало основание рекомендовать предложенные математические модели для расчета аэродинамических сил токоприемников, контактного нажатия с учетом выявленных эффектов аэродинамического влияния на токосъемные устройства, вертикальных перемещений контактных проводов под действием ветра и вследствие воздействия на них токоприемников, использовать их при создании отечественного базового токоприемника.

Выводы по шестой главе

1.Полученные результаты аэродинамических испытаний путем продувки в трубах позволили установить:

- направление воздушных потоков в рабочей зоне токоприемников и контактных проводов, что дало возможность уточнить значения аэродинамических сил токоприемников и аэродинамических сил, действующих на провода цепной подвески;

- аэродинамические коэффициенты элементов токоприемников

и контактных проводов в зависимости от степени износа последних и направления воздушных потоков по отношению к ним, которые можно использовать при расчете аэродинамических сил, действующих на токосъемные устройства.

2.Выполненные экспериментальные исследования на стендах,полигоне и в линейных условиях показали,

. - что при ветре 30 м/с вертикальные перемещения двух контактных проводов составляют 0,05 м при температуре воздуха 283 К; повышение температуры на 10° увеличивает перАмеясиив в

35

среднем на 5

- перемещение основного стержня прямого фиксатора контактной подвески М-120+2Щ-Ю0 наступает при скорости ветра 25 м/с; одновременно происходит перемещение дополнительно .стержня, в результате чего при указанной скорости увеличивается зигзаг на 25 %, что может служить причиной потери ветроустойчивости контактной подвески в опорной точке;

- увеличение аэродинамической подъемной силы токоприемника приводит к увеличению контактного нажатия и его стабилизации;

- отжатие контактных проводов зависит как от контактного нажатия, так и от числа поднятых токоприемников и их расположения относительно фиксатора;

- вертикальный подъем' контактных проводов двумя токоприемниками при скорости движения 120 км/ч не превышает 11*10"^ м, а увеличение числа поднятых токоприемников до четырех приводит

к росту подъема проводов до 0,27 м ( =10 м/с, Рр = 100 Н);

- удовлетворительное качество токосъема при скорости . движения 200 км/ч имеет место, когда аэродинамическая подъемная сила токоприемника равна 7U-80 Н, в этом случае подъем контактных проводов не превышает 0,35 м;

- стабильность контактного нажатия изменяется в зависимости от скорости воздействующего на подвеску ветра;

- качественный токосъем в условиях интенсивного аэродинамического воздействия на токосъемные устройства может быть достигнут при ограничении аэродинамических сил до оптимальных значений путем использования соответствующих технических решений.

З.Определенные во время обработки результатов экспериментов числовые значения аэродинамических сил имеют расхождения с полученными аналитическим путем на 8 %, что дает основание рекомендовать разработанные математические модели для расчета аэродинамических характеристик токоприемников, используя методы приведения к точке контакта аэродинамических сил юс отдельных элементов.

4.Проведенные на полигоне экспериментальные исследования показали,

- что поле скоростей потоков воздуха в подэкипажном пространстве подвижного состава на магнитном подвесе зависит от гео-

35

метрических размеров воздушного канала и наличия в нем различного оборудования, при этом максимальный поток имеет место в средней части канала;

- соотношение между площадью сечения воздушного канала в подэкипажном пространстве и миделевого сечения токоприемника оказывает существенное влияние на значение аэродинамических сил, которые воздействуют на токоприемник, изменяя контактное нажатие на 20 Н при уменьшении ширины канала с 0,6 до 0,4 м и скорости 50 м/с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа позволила резппь общенаучные проблемы, осуществить практическую реализацию результатов исследований. В итоге получена возможность найти новые технические решения для улучшения аэродинамических свойств токоприемников, использовать их при создании более совершенных конструкций, обеспечивающих качественный токосъем при интенсивном воздействии потоков воздуха на токосъемные устройства.

Экспериментальный комплекс позволил с наименьшими затратами провести испытания различных токосъемних устройств, в результате чего получены числовые значения контактного нажатия, аэродинамических сил, других показателей.

Основные научные результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований дают основание сделать следующие выводы.

1. Предложенные математические модели позволяют определить аэродинамические силы, воздействующие на токосъемные устройства, используя методы, основанный на общих положениях теории дискретных вихрей, и перемещения контактных:проводов под действием ветра вследствие циркуляционного обтекания, которые в вертикальном направлении при скорости набегающего потока 25 м/с составляют 0,15 м.

2. Выявленные новые эффекты аэродинамического влияния на токосъемные устройства, заключающиеся в приведении к точке контакта массы частей полоза и сил контактного нажатия, имеющем место при неодинаковом сжатии пружин упругих элементов кареток, а также в изменении приведенной ыассв, сил трения и жесткости кон-

тактной подвески при отклонении проводов от оси пути, позволяют уточнить математическую модель взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, что дает возможность получить расчетное контактное нажатие, близкое к реальному.

3. Повышение качества токосъема обеспечиваемся при ограничении аэродинамической подъемной силы токоприемника магистрального электрического подвижного состава до 70-80 Н, что достигается путем применения компенсирующих устройств в виде регулируемых экрана, крыла или винта, а также использования обтекателей и аэродинамически более совершенных форм полоза (трапецеидальной) и рамных элементов (эллипсообразной).

4. Удовлетворительный токосъем при прохождении токоприемника под фиксатором обеспечивается применением в опорном узле упругих элементов, снижающих жесткость этого узла на 40 % и ограничивавших перемещение контактных проводов под действием ветра.

Ь. Степень воздействия потоков воздуха на малогабаритные токоприемники скоростного транспорта на электромагнитном подвесе, расположенные в канале, создаваемом нижней частью экипажа и эстакадой, зависит от геометрических размеров этого канала, поля скоростей воздушных потоков, в котором максимальная скорость имеет место в средней части канала, а вблизи стенок снижается на 20 %, соизмеримости взаимодействующих контактных поверхностей; эффективным средством зашиты токоприемника от аэродинамического воздействия является обтекатель.

Практическая реализация научно обоснованных предложений позволила разработанные основные теоретические положения использовать на стадии проектирования отечественного базового токоприемника в практике работы ВЭлНИИ и ОмИИТа, сформулированные положения и принцип построения полигона - при разработке рабочей документации на исследовательский полигон, а новые технические решения внедрить во ВНИИЖГе, ВЭлИИИ, ОмИИТе, ня Западно-Сибирской, Октябрьской железных дорогах.

Использование предложенных технических решени^ позволяет снизить на 2,5 % эксплуатационные затраты на I км пути электрифицированной железной дороги при пробеге электровозов БО'Ю'3 км.

Использование экспериментального комплекса для исследования 3 8

токосъема позюляет уменьшить расходы, связанные с проведением испытаний, на 38 % по сравнению с расходами при проведении их на рассмотренном в работе отделении железной дороги.

работах.

1. Влияние аэродинамической характеристики токоприемника на качество токосъема при высоких скоростях движения / И.А.Беляев, В.А.Бологим, Г.Н.Маслов, А.К.Кузнецов // Вестник ВНИИЖГа. 1978. 'F>5. С.4-6.

2. Михеев В.П., Маслов Г.П., Кузнецов А.К. Аппаратура для проверки нажатия токоприемника // Электрическая и тепловозная тяга. 1978. >14. С.II.

3. Совместная работа токоприемников / В.П.Михеев, Л.С.Пан-филь, Г.П.Маслов, А.К.Кузнецов // Электрическая и тепловозная тяга. 1979. М. С. 32-33.

4. Влияние структуры воздушных потоков на аэродинамические характеристики токоприемников магистрального электрического подвижного -состава / Маслов Г.П., Дрозд Ю.А.; Омский ин-т инж.ж.-д. трансп.- Омск, 1987.- 15 е.- Деп. в ЦНШТЭИ МПС 03.04.87,

* 3947-жд 87.

5. Михеев В.П., Маслов Г.П. Автоматизированный комплекс-полигон контактной сети, токоприемников и аппаратуры их диагностики // Бюллетень ОСВД. 1990. »3. С.11-15.

6. Маслов Г.П. Насчет аэродинамических свойств штангового токоприемника, предназначенного для работы при высоких скоростях движения // Науч.тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.- Омск,1969,-Т.93.- С.51-57.

7. Маслов Г.П. Приближенный расчет аэродинамических свойств симметричного токоприемника при его проектировании // Науч.тр./ Омский ин-т инж. ж.-д.трансп.- Омск,1970.- Т.113.- С.ЬО-53.

8. Маслов Т.П., Михеев В.П., Гришина H.H. Определение эксплуатационных расходов, связанных с аэродинамическим лобовым сопротивлением токоприемников при высоких скоростях движения // Электроснабжение электрических железных дорог: Науч.тр./Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.- Омск,1971.- T.I24.- Вып.1,- C.79-Ü2.

9. Анализ условий работы автоматических устройств для про-

39

верки статического нажатия / В.Т.йарков, В.П.Млхеев, В.В Свешников, Г.П.Маслов // Энергоснабжение электрических железных дорог: Науч.тр./ Омский ин-т игек. ж.-д.трансп.- 0мск,1971.- T.I26. - ВыпЛ.- С.20-26.

10. О регистрации скорости, направления воздушного потока, перемещений полозов V. подвижных рам при испытаниях токоприемников и контактных подвесок в линейных условиях / В.П.Михеев,Г,П. Маслов, А.С.Брюханов, А.К.Кузнецов // Энергоснабжение электрических железных дорог: Науч.тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.-0мск,1974.- T.I62.- С.11-20.

11. О специализированном скоростном полигоне для исследования токосъемных устройств / В.П.Михеев, Г.П.Маслов, А.В.Климович, Ю.П.Швец // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в уолрвиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т инж.к.-д.трансп.-0мск,1978.- С.29-34.

12. Особенности комплекта подвижных единиц скоростного полигона для испытания токосъемных устройств / В.П.Михеев, Г.П. Ыаслов, А.В.Климович, Г.Ф.Леонтьев 1/ Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т ш.ж.-д.трансп,- Омск, 1978,-С.34-35.

13. Оптимальные варианты опорноподдеркиваютих конструкций и профилей такопроБодов жесткой контактной сети высокоскоростного наземного транспорта / С.И.Саулин, В.П.Михеев, Г.П.Маслов, А.В.Климович // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./Омский ин-т иня.к.-д.трансп.- Омск,1978,- С.51-55.

14. Кузнецов А.К., Маслов Г.II. Методика определения отжа-тий контактных проводов несколькими токоприемниками скоростного подвижного состава fj Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб, науч.тр./ Омский ин-т ига. ж.-д.трансп,- Омск,1978.- С.20-24.

15. Маслов Г.П., Климович A.B., Михеев В.П. Исследование аэродинамических свойств подвижных единиц для испытания токосъемных устройств при высокоскоростном движении // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч..тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.

трансп.- Омск,1979,- С.65-68.

16. Маслов Г.П., Кузнецов Л.К. Исследование влияния аэродинамических свойств токоприемников на их взаимодействие с контактной подвеской // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т инп.ж.-д.трансп.- Омск,1979.- G.7-II.

17. Отраднов O.A., Маслов Г,П. Об управляющей и измерительной системах скоростного полигона для проведения токосъем-ных испытаний // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.- Омск,1979.- С.61-65.

18. Маслов Г.П. Исследование аэродинамического воздействия на подвижные единицытокосъемных устройств специализированного скоростного полигона // Швыгаение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб. науч.тр./ Омский ин-т инл. ж.-д.трансп.- Омск,1980.- С.43-48.

19. Маслов Г. П. Определение параметров аэродинамических тормозов подвижных единиц для испытания токосъемных устройств при высокоскоростном движении // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат. сб.науч.тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.- Омск,1980.- С.48-52.

20. Маслов Г.П., Кузнецов Л.К. Теоретический метод оценки аэродинамических свойств токоприемников // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т пня.ж.-д.трансп.- Омск, 1981.- 0.17-20.

21. Особенности полигона для испытания токосъемных устройств магистральных железных дорог / Г.П.А!аслов, В.Н.Ли, Г.Г. Шарафутдинов, Л.С.Папфиль // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях двияения и а условиях БАМа: Межвуз.темат. сб.науч.тр./ Омский ин-т иня.ж.-д.трансп.- Омск,1981,- С.26-30.

22. Омский полигон высокоскоростного транспорта / Г.П.Маслов, А.В.Климович, Г.Г.Шарафутдинов, В.М.Павлов, Ю.П.Швец // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т иня. ж.-д.трансп.- Омск,1983.- С.ЬЗ-56.

23. Маслов Г.П., Дрозд D.A. Исследование поля скоростей

воздушного потока в рабочей зоне токоприемника скоростного электрического транспорта // Обеспечение надежности работы токоприемников и контактной сети : Межвуз.темат.сб.науч.тр./ Омский ин-т инж.ж.-д.трансп.- 0мск,1984.- С.73-76.

24. Ли В.Н., Маслов Г.П. Расчет взаимодействия токоприемников и контактных подвесок при аэродинамическом воздействии на токосъемные устройства // Вопросы эффективности и повышения надежности работы электровозов BJI80P в тяговом и рекуперативном режимах / "1'р.Хабаровского ин-та иня. ж.-д.трансп.- Хабаровск, 1984.- Вып.4У.- С.60-65.

25. A.c. 5II237 СССР, MKM3ß 60i 3/12. Регистратор аэродинамической характеристики токоприемника / В.П.Михеев, Г.II.,Час-лов, А.К.Кузнецов, А.А.Горохов, А.С.Брюханов (СССР) // БИЛ976. #15. С.50.

26. A.c. 672076 СССР, Ш130 601 3/38. Токоприемник для токосъема с токопроводящего рельса / Г.П.Маслов, В.М.Павлов, A.B. Климович, В.П.Михеев (СССР) // БИ. 1979. №2Ь. С.77.

27. A.c. 6706263 СССР, МКИэО 60t 5/24. Токоприемник электроподвижного состава / И.А.Беляев, В.А.Вологин, Г.П.Маслов,

A.К.Кузнецов, В.И.Павлов, В.А.Харченко (СССР) // БИ. 1979. №40, С. 55.

28. A.c. 1020274 СССР, Ш3В&01 5/24. Токоприемник электроподвижного состава / Т.П.Маслов, В.П.Михеев, В.М.Павлов, А.К. Кузнецов, А.А.Горохов (СССР) // Открытия.Изобретения. 1983. №20. С.46.

29. A.c. II3698I СССР, 60Af 1/00. Имитатор ветрового воздействия для системы испытаний контактной подвески / В.П.Михеев, В.Н.Ли, Г.П.Маслов (СССР) // Открытия. Изобретения. 1985. «4. С.49.

30. A.c. I4III73 СССР, MKH3ß60L 3/12, 5/00. Регистратор аэродинамической характеристики токоприемника / Г.П.Маслов,

B.П.Михеев, Ю.А.Дрозд (СССР) // Открытия.Изобретения. 1988. ¥27.

C.65.

31. A.c. 1472303 СССР, MKH3ß 601 5/24. Токоп^емник транспортного средства / Ю.А.Дрозд, О.А.Сидоров, В.П.Михеев, Г.П.

Маслов (СССР) // Открытия.Изобретения. 1980. W4. С.74.

32. A.c. I622I9I СССР, МКИ30 60.Ш/20. Фиксатор контактной сети / Г.П.Маслов, В.П.Михеев (СССР) // Открытия.Изобретения. 19У1. №3. С.26.