автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Разработка способов стабилизации сопротивления рельсовой линии

'Министерство путей сообщения РФ Дальневосточный государственный университет путей

сообщения

На правах рукописи

Крамаренко Елена Романовна

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СТАБИЛИЗАЦИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ (для железных дорог Дальневосточного региона)

Специальность 05,22,08 - Эксплуатация железнодорожного транспорта (включая системы сигнализации, централизации и блокировки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доктор транспорта, профессор Кириленко А.Г

Хабаровск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. .......................................... б

1. ОБЩЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА 10

1.1. Методы стабилизации сопротивления рельсовой линии, опыт эксплуатации, конструкции, технология изготовления токопроводящих соединителей 10

1.2. Разработка методики анализа влияния дестабилизирующих факторов на сопротивление рельсовой

линии. ...............................................21

1.3. Анализ внешних факторов..............................26

1.3.1. Анализ климатических условий......... 28

1.3.2. Влияние динамических воздействий..........35

1.4. Анализ производственно-технологических факторов....................... ...............39

1.5. Исследование влияния конструктивных факторов. 47

1.6. Статистический анализ сопротивления стыков при различных условиях эксплуатации и различных способах повышения электропроводимости... 51

1.6.1. Результаты измерений сопротивлений стыков............................... 52

1.6.2. Определение оценок параметров распределения по выборкам измеренных сопротивлений стыков...............................57

1.6.3. Анализ результатов измерений......... 5 9

Выводы по главе......................................64

2. ВОПРОСЫ ТЕОРИИ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

С НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРОЙ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ. ........ 66

2.1. Основные факторы, влияющие на изменение структуры рельсовой линии....... . . ......... 66

2.2.Исследование чувствительности несимметричных рельсовых цепей к нормативному шунту при изменении сопротивления стыков и дроссельных перемычек.............................. 68

2.3.Исследование чувствительности к обрыву и шунту несимметричных рельсовых цепей при изменении сопротивления стыков, дроссельных перемычек и заземлений искусственных сооружений. ..........................................81

2.4. Методика расчета не симметричных рельсовых цепей с неоднородной структурой рельсовой

ваэ»аввва»йввв»в»яв»вв£8е»в**вв»йзв»зей 341

Выводы по х1 лз.в©« « » I * * « в > « ( ■ « I » « « > > ■ ■ « « • I 1 < » « I с « < 95

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ

ОДНОЭЛЕМЕНТНОГО СТЫКОВОГО СОЕДИНИТЕЛЯ ПРИ

МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ....................... 97

3.1. Методика исследования напряженно -деформированного состояния и расчет

на усталостную прочность одноэлементных стыковых соединителей. . . . . ............... . . . 98

3.2. Результаты оценки напряженно - деформированного состояния одноэлементных соединителей

по методу допускаемым напряжений............ 109

3.3. Результаты расчета одноэлементных стыковых соединителей на усталостную прочность...... 113

ВЫВОДЫ По ГЛЗ.В© ш«яяв1*«вв®*яв«яаяаввяввк«вав«в8я 11/

4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТЫКОВЫХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ И ДРОССЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЫЧЕК ИЗ СТАЛЬНОГО МНОГОЖИЛЬНОГО ПРОВОДА............... 118

4.1. Обоснование выбора электропроводного материала для стыковых соединителей и дроссельных перемычек....................... 118

4.2. Стендовые испытания стыковых соединителей.. 12 4

4.2.1. Методика измерения сопротивления стыковых соединителей.....................124

4.2.2. Проверка термической стойкости стальных стыковых соединителей от воздействия переменного тока......... 128

4.2.3. Электрическое сопротивление стальных стыковых соединителей............... 132

4.2.4. Результаты стендовых испытаний электропроводных стыков со стальными соединителями...............................134

4.3.Результаты исследования термической стойкости и электрических характеристик дроссельных перемычек и электротяговых соединителей..... 142

4.4. Результаты проверки на механическую прочность соединителей и дроссельных перемычек, изготовленных из стального провода..... 147

4.5. Способы повышения надежности медных приварных соединителей..................... 150

4.6. Расчет себестоимости и технико-экономической эффективности элементов рельсовой линии, изготовленных из стальных материалов...... 152

Выводы по главе. .............................. . 157

!3J\Ü4tTI Е5Ч Е НИ Ечя«ввя1Ивв**кв9Н*«**ввв«вавв*ивв*11я«я*®« X 5

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ. ................... 165

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Анализ состояния элементов рельсовой

линии и сопротивления стыков на железных дорогах Дальневосточного региона.. 180 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментально - теоретическое

исследование работы рельсового соединителя при механических воздействиях.... 190 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конструкция стендов для испытания

электрических, термических и прочностных характеристик элементов рельсовой

линии..............................

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.Конструкции дроссельных и электротяговых перемычек.................

ВВЕДЕНИЕ

Системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) играют важную роль в перевозочном процессе, обеспечивая безопасность и ритмичность движения поездов и тем самым непосредственно влияя на сроки доставки грузов и их сохранность, безопасность пассажиров и работников, связанных с движением поездов.

К СЖАТ, обеспечивающих управление движением поездов, относятся системы: электрической централизации (ЭЦ); автоматической и полуавтоматической блокировки (АБ, ПАВ); автоматического управления движением поездов и автоматического управления тормозами (САУТ); автоматической переездной сигнализации (АПС); диспетчерской централизации (ДЦ).

К основным элементам СЖАТ относятся датчики контроля рельсовой линии (РЛ) - рельсовые цепи <РЦ) .

Рельсовые цепи работают в условиях значительного изменения сопротивления изоляции и рельсовых нитей и подвержены влиянию тягового тока. Все это создает большие трудности в обеспечении их бесперебойной и надежной работы.

Технико-экономический анализ технологии обслуживания средств СЦВ и оценки распределения эксплуатационных затрат по видам устройств, произведенных НИИЖА, показал, что при обслуживании устройств АБ и ЭЦ на РЦ приходится 23% эксплуатационных затрат. Из этого видно, что значительный экономический эффект можно получить за счет совершенствования существующих РЦ и разработки новых кон-

струкций, менее критичных к дестабилизирующим факторам. При этом эффективность внедрения новой техники необходимо оценивать не только экономическими показателями. Первостепенным является вопрос обеспечения безопасности движения поездов.

Значительный вклад в развитие теории и внедрения систем и средств автоматики и телемеханики в процессах интервального регулирования автоведения и движения поездов внесли известные ученые Л.А.Баранов, И.В.Беляков,

A.М.Брыле ев, В.П.Быков, М. Н.Василенко, И.Е.Дмитренко,

B.Н.Иванченко, Р.А.Косилов, , И.М. Кокурин, Н.Ф. Котляренко, Ю. А. Кравцов, В.М, Лисенков, Н.Ф. Пенкин, A.C. Переборов, В. В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Ю. В. Соболев, Б.М. Степенский, Д.В Шалягин, В.И Шелухин, О.И. Шелухин, А.П. Шишляков, A.A. Явна и многие другие.

Современная концепция развития СЖАТ предполагает широкое использование средств микропроцессорной техники, встроенной диагностики, обладающих новыми функциональными возможностями с достаточно высокой надежностью элементной базы. При этом важным звеном современных систем по прежнему остаются датчики контроля РЛ, обладающие сравнительно низкой надежностью,

Максимальное число отказов в РЦ происходит по причинам частичного или полного обрыва электрической цепи в местах соединения рельсовых звеньев, напольных приборов с рельсами и применения нетиповых соединителей. В таких случаях любая система ЖАТ, требующая контроля РЛ, снижает планируемую эффективность внедрения. В перспективе развития СЖАТ ожидается широкое применение РЦ тональной

частоты, которые также чувствительны к изменению параметров РЛ.

В настоящее время, по ряду объективных причин, возникла острая необходимость поиска альтернативных материалов для изготовления рельсовых соединителей и дроссельных перемычек, взамен дорогостоящей меди, что требует проведения исследования по обоснованию их конструкций, параметров, а также влияния на основные режимы работы РЦ и пропуск обратного тягового тока.

Наряду с существующими фундаментальными исследованиями работы РЦ возникает ряд проблем их эксплуатации, связанных с региональными и климатическими условиями. К этим проблемам добавляются экономические, демографические и социальные проблемы Дальневосточного региона.

Целью диссертационной работы является исследование дестабилизирующих факторов, существенно влияющих на сопротивление РЛ, для создания научно-обоснованных технических и технологических решений по улучшению работы РЦ в климатических условиях Дальневосточного региона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести статистический анализ сопротивлений токо-проводящих стыков на участках железных дорог при различных способах их электропроводности;

- исследовать влияние дестабилизирующих факторов на работу элементов РЛ на участках железных дорог Дальневосточного региона с учетом климатических особенностей;

- разработать математические модели для оценки влияния неоднородной РЛ на основные режимы работы РЦ;

- выполнить экспериментально-теоретическое исследование одноэлементных стыковых соединителей при механических воздействиях;

- определить значения электрических, механических параметров и термической стойкости конструкций соединителей, изготовленных из стальных материалов;

разработать конструкции дроссельных перемычек, стыковых и электротяговых соединителей из стальных материалов ;

- обосновать рекомендации по повышению надежности работы типовых стыковых соединителей;

- разработать стенды и приспособления для ускоренных испытаний соединителей на усталостную прочность и измерения их основных параметров в условиях, .близко приближенных к реальным.

Реализация результатов теоретических исследований и практических разработок выполнялась в соответствии с общим планом научных исследований Дальневосточного государственного университета путей сообщения: в рамках научно-исследовательских тем по заказу Управления технической политики МПС РФ на 1996-1998 гг.; раздела программы " Дальний Восток России"; по заказу Дальневосточной железной дороги.

Работа выполнена на кафедре "Автоматика и телемеханика" Дальневосточного государственного университета путей сообщения, сотрудники которой оказали ценные консультации и техническую помощь. Автор выражает благодарность за оказанную методическую помощь профессорам Э.Г. Меламеду, П.П.Супруну, Ю.Р.Чашкину, доцентам М.И. Харит о но в у, А.И. Годя еву.

Глава 1. ОБЩЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ РЕЛЬСОВОЙ ЛИНИИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА

1.1. Методы стабилизации сопротивления рельсовой линии, опыт эксплуатации, конструкции, технология изготовления

токопроводящих соединителей

Как показывает опыт эксплуатации, надежность работы РЦ существенно зависит от каждого элемента РЛ: токопро-водящих и изолирующих стыков, состояния балласта, электротяговых соединителей и дроссельных перемычек. Анализ отказов работы РЦ показывает, что одной из основных причин повреждений является полное или частичное нарушение электрического контакта в напольных устройствах и элементах РЛ. Наиболее часто происходит нарушение электрического контакта в токопроводящих стыках. Поэтому вопросы обеспечения нормативных параметров токопроводящих стыков требуют особого внимания от обслуживающего персонала и разработчиков новых конструкций.

Исследованиями и разработками конструкций элементов РЦ занимались и продолжают заниматься многие ученые в нашей стране и за рубежом [28,60,67,77,83,102]. Из библиографических источников [17] известно, что в РЦ систем автоматики железных дорог США применялись короткие медные штепсельные соединители, забиваемые у стыкового зазора в отверстия, высверленные в головках рельсов. Благодаря короткой длине и хорошему контакту медной головки штепселя с поверхностью отверстия указанные со-

единители обеспечили хорошую проводимость [17], Другой интересной разновидностью конструкции соединителя в США является короткий соединитель, привариваемый к головкам рельсов особой плавкой металлической смесью,

Аналогичные соединители были разработаны для повышения электропроводности стыков в Научно - исследовательском институте МПС» До 194 9 г, были наиболее распространены стальные штепсельные и медные соединители, привариваемые электросваркой. Начиная с 194 9 г., основными типами становятся стальные и медные соединители, привариваемые термосваркой. Медные штепсельные соединители головочного типа дальнейшего распространения не по луч или [14].

С ростом протяженности железных дорог и расширением их географического расположения, увеличением весовых норм и скоростей подвижного состава возникли новые задачи по совершенствованию методов стабилизации сопротивления токопроводящих стыков, снижению затрат на их изготовление и текущее содержание.

Исследованиями ученых Уральского отделения ВНИИЖТа Кириловым М.М., Оводковым Л.В., Косаревым В.А была заложена основа для активного изучения вопросов обеспечения устойчивой электропроводности стыков [81,87]. В результате исследований по совершенствованию существующих медных соединителей [60,63,98,99] определены требования к стыковым соединителям, дан анализ причин, влияющих на сопротивление стыка с приварными медными соединителями, предложен модернизированный стыковой соединитель фартучного типа. В работе [87] было установлено, что нарушение контакта между медным тросом и стальной манжетой

происходит главным, образом в процессе приварки соединителя к рельсу, поэтому предложено отдалить место приварки соединителя от торца обоймы за счет фартука. Данная конструкция соединителя, несмотря на ряд недостатков, продолжает оставаться наиболее распространенной на сети железных дорог МПС РФ,

Лабораторией Уральского отделения ВНИИЖТа был разработан втулочный соединитель из алюминиевого сплава [61,62,82], который состоит из двух втулок, соединенных между собой S- образной токопроводящей лентой. В зоне стыка устанавливаются два соединителя последовательно в цепь "рельс - накладка - рельс". Основными причинами, препятствующими широкому внедрению этих соединителей, явились трудоемкость их монтажа в эксплуатационных условиях и подверженность механическим повреждениям под воздействием подвижного состава [28, 100].

На электрифицированных железных дорогах ФРГ, как на перегонах, так и на станциях используются стальные соединители из оцинкованного троса с площадью сечения 35 мм2 и длиной 180 мм. Соединители привариваются к рельсу серебряным припоем [28]. На железных дорогах Швеции для стабилизации сопротивления рельсовых нитей также применяются приварные соединители [130].

Существующие соединители (медные приварные, штепсельные) подвержены механическим повреждениям (обрыву, нарушению контакта), приводящим к отказам РЦ, Характерные отказы соединителей описаны в [28,128]. Недостаток тросовых (медных и стальных) соединителей, независимо от места их установки, проявляется в том, что известные способы заделки троса в манжеты несовершенны, а следо-

вательно, ненадежны, Штепсельные конструкции соединителей, будучи многоэлементными, сложны, обладают большим сопротивлением и требуют сверления отверстий в шейке стыкуемых рельсов. Для них характерны нестабильное переходное сопротивление контакта "токопровод - штепсель - рельс" [100] и обрыв в месте сварки проволоки, поэтому их применяют как дублирующие или как аварийный вариант при повреждении приварных соединителей в зимнее время,

В последние годы проводятся работы, направленные на обеспечение надежного электрического контакта в стыках без применения приварных соединителей. Попытки улучшить

М вв !->1

электрическим контакт "накладка - рельс" оыли предприняты путем использования графитовой мази [1]. Роль графитовой смазки, по мнению авторов, заключалась в обеспечении устойчивого электрического перехода между рельсами и накладками в зоне рельсового стыка за счет ликвидации воздушных зазоров, сглаживания неровностей металла, сохранения в чистоте соприкасающихся поверхностей. Практика применения графитовой мази показала, что ее высококачественное нанесение добиваются только в стационарных условиях. При текущем содержании таких стыков необходимо постоянно контролировать степень натяжения болтов, не допуская ослабле