автореферат диссертации по транспорту, 05.22.09, диссертация на тему:Рельсовые сети систем тягового электроснабжения

I и уп

мпс РФ б / т 2000

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Василий Лазаревич

УДК 621.33:625.142.4:625.143.42

РЕЛЬСОВЫЕ СЕТИ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

(05.22.09 - Электрификация железнодорожного транспорта)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999

. ' » ♦ * 2

Работа выполнена в Самарском институте инженеров железнодорожного

транспорта

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: ПУПЫНИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ доктор технических наук, профессор, академик PAT ТАРНИЖЕВСКИЙ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ доктор технических наук, профессор АРЖАННИКОВ БОРИС АЛЕКСЕЕВИЧ

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АЭН РФ, заслуженный работник транспорта РФ

Ведущая организация - Куйбышевская железная дорога.

Защита состоится "J-Ч " КЛ¡Wpj- 1999г. в — часов на заседании диссертационного совета Д114.05.07 в Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 101475, ГСП, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, аудитория %'2}{0

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_ _" CtTCffp^- 1999г.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

С.П. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Конец XX века поставил мировое сообщество, также как и Россию, перед решением многих проблем. Одна из наиважнейших - энергетическая. Проблема рационального использования электрической энергии и цветных металлов относится к числу наиболее острых и актуальных. Все виды электрифицированного рельсового транспорта (ЭРТ) - магистральные железные дороги, промышленный железнодорожный транспорт, трамвай, метрополитен, карьерный и рудничный транспорт относятся к категории приемников с большим потреблением электроэнергии и цветных металлов.

Указом Президента РФ № 472 от 07 мая 1995 г. приняты "Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010г.", определены стратегия и первоочередные меры по реализации политики энергосбережения. В целом Программа направлена на перевод экономики России с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития. Государственной Думой принят Федеральный закон РФ "Об энергосбережении". В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 02 ноября 1995г. № 1087 "О неотложных мерах по энергосбережению", Постановлением коллегии МПС РФ № 35 от 21 декабря 1994г.; Указанием МПС от 12 января 1995г. № Н-ЮОу; Указанием МПС от 09 декабря 1995г. № А-938у; Указанием МПС № А-478у от 30 апреля 1996г. "Об отраслевой программе по сбережению топливно-энергетических ресурсов" на первое место выдвигаются энергосберегающие мероприятия, в том числе и продолжение работ по стабилизации уровня сопротивления движению поездов с разработкой высокоэффективных конструкций токопроводящих рельсовых стыков в системах тягового электроснабжения. Все это говорит о серьезной заботе государства о рациональном использовании электрической энергии и цветных металлов.

В структуре электропотребления железнодорожного транспорта удельный вес электротяги - 77,4 %. В целом электропотребление железнодорожного

транспорта России в последние годы составляет 31 млрд. кВт-ч, в том числе электрическая тяга 24 млрд. кВт-ч. По другим видам электрифицированного рельсового транспорта эти показатели составляют: трамвай (г. Самара) -435325 кВт • ч • год/км ; промышленный железнодорожный транспорт (Магнитогорский металлургический комбинат) - 61,3 млн.кВт-ч/г., метрополитены -7,5 млн.кВт-ч/г.). К началу 1998г. общая протяженность э:ектрифииирован-ных линий составила 39,7 тыс. км, в том числе 20,6 км на переменном токе.

Широкое развитие получает электрическая тяга в рельсовом городском (метрополитены - 6 городов, 394,5 км; трамвай - 70 городов, 6,6 тыс. км), промышленном, карьерном и рудничном транспорте. Дальнейшее развитие электрифицированных участков намечено на магистральных железных дорогах МПС (1998г. - 400 км; 1999г. - 400 км; 2000г. - 450 км). Все это выдвигает проблему экономии электрической энергии, цветных металлов и материальных ресурсов в рельсовых сетях систем тягового электроснабжения в число важнейших для народного хозяйства. Исследования, представленные в настоящей диссертационной работе, проводились на магистральных железных дорогах, трамвае, промышленном транспорте и метрополитене, но в силу аналогии, материалы исследований применимы в карьерном и рудничном электрифицированном транспорте.

Именно в плане комплексного решения проблемы конструкции токопрово-дящего рельсового стыка, удовлетворяющего требованиям этих видов транспорта и проводились теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и составляют основное содержание диссертационной работы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является комплексная разработка эффективных конструкций токопроводящих рельсовых стыков, сохраняющих свои статистические характеристики в рамках нормативных значений в условиях интенсивного воздействия динамических усилий и окружающей среды.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

- провести анализ существующих методов повышения электропроводности

рельсовых стыков всех видов ЭРТ;

- обосновать и разработать математические модели для обобщенного анализа факторов, определяющих статистические характеристики токопрово-дящих рельсовых стыков;

- оценить применяемые способы сохранения монтажных усилий натяжения болтовых соединений стыков и разработать эффективные средства стабилизации нормативного нажатия накладок к рельсам;

- исследовать существующие, развить и предложить новые методы диагностики и контроля электрического переходного сопротивления рельсовых стыков; разработать аппаратуру диагностики состояния стыков и его элементов по электропроводности;

- исследовать и разработать эффективные конструкции рельсовых стыков

с упругими элементами, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым со стороны пути, системы тягового электроснабжения, системы регулирования движением поездов, подвижного состава и безопасности движения поездов;

- разработать новый метод расчета упругих элементов с наибольшей удельной потенциальной энергией деформации, сохраняющих стабильно свои упругие свойства при длительном напряженном состоянии и циклических воздействиях динамических усилий от подвижного состава;

- теоретически и экспериментально исследовать тепловые процессы в электрических соединениях рельсовой сети на предмет обеспечения термической устойчивости последних при различных режимах тяговой нагрузки;

- разработать методику по комплексной оценке эффективности конструкций рельсовых токопроводящих стыков с новыми элементами.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИИ. Для реализации поставленной цели использован комплексный метод исследований, который включает: математическую модель токораспределения и переходного сопротивления в электрических схемах рельсовых стыков, позволяющую провести анализ их изменения при действии факторов, определяемых конкретными условиями эксплуатации; :тенды для воспроизведения эксплуатационных факторов и регистрирующую

аппаратуру, работающую в реальном масштабе времени.

При проведении стендовых, полигонных и эксплуатационных исследований применялись: методы факторного анализа для планирования экспериментов; математический аппарат корреляционной теории; методы теории вероятностей, надежности и прогнозирования, математической статистики и анализа случайных процессов; численные методы решения нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждена результатами прямой экспериментальной проверки и длительной эксплуатацией конструкций рельсовых стыков с упругим элементом на действующих железных дорогах, промышленном транспорте, метрополитене и трамвае.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

- получены уравнения для расчета переходного электрического сопротивления токопроводящих рельсовых стыков для двух классов состояний;

- на основе решения нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности получены аналитические зависимости для расчета тепловых процессов, протекающих в электрических соединениях рельсовой сети; иссле дована термическая устойчивость соединений; доказано, что температурное поле стыковых соединителей имеет случайный характер;

- на основе теоретических и стендовых исследований определены причинь и условия перегорания стыковых электрических соединителей; разработан! технические мероприятия, уменьшающие вероятность превышения температ) ры электрических соединений рельсовой сети сверх допустимой в аварийны режимах работы системы тягового электроснабжения магистральных железны дорог;

- на базе теории конформных отображений и с использованием интеграла Кристоффеля-Шварца получена диаграмма токораспределения в контактном соединении стыка;

- разработан новый метод расчета упругих элементов, предназначенных

для стабилизации нажатия накладок к рельсам и имеющих более высокую удельную потенциальную энергию деформации, чем у аналогичных отечественных и зарубежных элементов подобных типоразмеров, при меньшей металлоемкости;

- на основе новых упругих элементов разработаны токопроводящие рельсовые стыки для всех видов ЭРТ, сохраняющих свои механические и электрические характеристики в течение длительного времени без периодического технического обслуживания; не требующие дополнительной установки электрических стыковых соединителей; показана возможность создания конструкций и предложены конструкции рельсовых стыков для участков путей без периодического обслуживания за весь срок службы рельсов;

- сформулированы критерии, разработаны новые методы диагностики и аппаратура контроля электропроводности рельсовых стыков, обеспечивающие раннее выявление опасности возникновения неудовлетворительного состояния стыка и принятие соответствующих мер технического обслуживания;

- созданы методики комплексной оценки экономической эффективности конструкций токопроводящих рельсовых стыков с новыми упругими элементами, учитывающие потери электрической энергии в зоне стыков и расход энергии на тягу поездов.

Новизна теоретических исследований подтверждается 3 авторскими свидетельствами по техническим решениям, полученным на их основе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили найти технические решения, уменьшающие потери электрической энергии в рельсовой сети и ее расход на тягу поездов, а применение эффективных средств стабилизации механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков - исключить использование дефицитных стыковых соединителей из цветных металлов в этой зоне, с одновременным существенным повышением эффективности работы систем регулирования движением поездов (СЦБ), пути, подвижного состава и безопасности движения поездов. Разработанные технические решения, уменьшают вероят-

ность превышения температуры электрических соединений в аварийных режимах работы системы тягового электроснабжения (СТЭ).

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты выполненных исследований нашли практическое внедрение и реализацию на магистральных железных дорогах МПС, в промышленном железнодорожном транспорте, трамвае и метрополитенах:

- тарельчатые пружины производятся промышленностью с 1982г. (заводы в г.г. - Нелидово, Воронеж) и поставляются на все железные дороги СНГ;

- опытная партия электроизмерительных клещей постоянного тока ИКП-1, для оценки состояния стыков изготовлена и успешно эксплуатируются в СТЭ. По результатам длительной эксплуатации разработана конструкция модернизированных клещей ИКП-1М, изготовлена опытная партия, а конструкторская документация затребована и отправлена ЦНТИ (№81-52) г. Самары в 12 различных организаций СНГ и Балтики;

- устройства шунтирования реактора УРД-1М освоено ЭМАСТ Куйбышевской и другими железными дорогами;

- универсальные приборы для измерения сопротивления стыков с 1987г. эксплуатируются на Московском метрополитене , на Куйбышевской и ЮжноУральской железных дорогах;

- рельсовые стыки с тарельчатыми пружинами на промышленном железнодорожном транспорте начали устанавливаться с 1980г., метрополитене

(г. Москва) - с 1990г., в трамвае (г. Самара) - с 1980г.;

- разработанные устройства демонстрировались на международных ("Железнодорожный транспорт") и всесоюзных (ВДНХ) выставках, а автор отмечен двумя серебряными медалями;

- теоретические положения и практические результаты работы включены

в учебные программы и пособия дисциплин специальности 100400 - "Электроснабжение железнодорожного транспорта" в вузах МПС.

Рекомендации автора вошли в следующие официальные документы МПС РФ:

- инструкция по техническому содержанию железнодорожного пути МПС № ЦП/492. - М.: Транспорт, 1998;

- иравила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-197). - М.: Транспорт, 1994;

- иехнические указания по определению нагрузочной способности и техническому содержанию путевых дроссель-трансформаторов в условиях интенсивного движения и пропуска тяжеловесных поездов на электрифицированных участках постоянного тока (МПС, 1980);

- приказ МПС № 1Ц, 1994г. - О мерах по обеспечению безопасности на железнодорожном транспорте;

- техническая информация "О модернизации разрядного устройства с насыщающимся дросселем УРД-1", МПС № ЦЭТ-2 от 28.07.95г., отправлена на все железные дороги РФ;

- приказ МПС № 27/Ц от 05 июня 1986г. - О повышении надежности работы и улучшения содержания электрических рельсовых цепей;

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались: на 11-ти Международных научно-технических конференциях по актуальным проблемам развития железнодорожного транспорта и транспортных систем (Калуга - 1985г., Самара - 1994г., Хабаровск - 1997г., Екатеринбург- 1998г., Москва- 1996г., Самара- 1998г., Саратов - 1997г., Республика Беларусь, Гомель - 1998г., Республика Югославия, Врньачка Баньа — 1998г., Самара - 1999г, Челябинск - 1999г.); на пяти Всесоюзных научно-технических конференциях по повышению эффективности использования материальных ресурсов и технической диагностике устройств тягового электроснабжения и открытых горных разработок (Ярославль - 1983г., Челябинск — 1977г, Свердловск - 1974г., Москва - 1981г., Хабаровск - 1990г.); на двух Всероссийских научно-технических конференциях по фундаментальным и прикладным исследованиям по транспорту и повышению его эффективности (Хабаровск - 1993г., Екатеринбург - 1996г.); на трех Межвузовских научно-технических конференциях по проблемам совершенствования технологии пере-

возочного процесса и перспективам развития железнодорожного транспорта (Самара - 1993г., Ленинград - 1979г., Москва - 1998г.); на четырех Всероссийских научно-методических конференциях по реализации научных разработок в учебных программах (Москва - 1991, 1995гг., Самара - 1996, 1998гг.); на восьми Региональных научно-технических конференциях по проблемам железнодорожного транспорта (Самара - 1979-1983, 1985, 1987, 1990гг.); на заседании научно-технического совета МПС (Москва 1985г.); на Техническом совете департамента электрификации и электроснабжения МПС РФ (Москва - 1994г.); на технических советах отделения электрификации, пути и путевого хозяйства ВНИИЖТа (Москва - 1980, 1981, 1982гг.); на Межведомственном научно-техническом совете рельсовой комиссии (Новокузнецк - 1982г.); на Годичных научно-технических конференциях Поволжского межрегионального научного центра Академии транспорта РФ (Саратов - 1992 ч- 1999гг.); на заседаниях и совещаниях технико-экономических советов Куйбышевской железной дороги (Самара - 1982, 1985, 1990, 1996, 1997, 1998гг.); Южно-Уральской железной дороги (Челябинск — 1979г.); Управления железнодорожного транспорта Магнитогорского металлургического комбината (Магнитогорск - 1980-1983гг.); Московского метрополитена (Москва - 1990г.); Трамвайно-троллейбусного управления (Самара - 1980г.); Минчермета (Москва - 1982г.); МЖКХ РФ (Москва - 1980г.); на сетевых совещаниях по обмену передовым опытом работников служб электрификации и электроснабжения (Челябинск - 1996, 1999гг., Самара - 1997г.); на курсах повышения квалификации работников железнодорожного транспорта (Самара - 1982-1998гг.); на заседании департамента транспорта Администрации Самарской области (Самара - 1999г.); на заседаниях кафедр Электроснабжения железнодорожного транспорта МИИТа и ПГУПСа (Москва - 1999г., С.-Петербург - 1999г.).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы опубликованы в 68 печатных работах, включающих 60 статей научного характера, 3 авторских свидетельства на изобретения, 4 учебных пособия для вузов МПС, 1 зарубежную публикацию, а также изложены в 22 отчетах по научно-исследовательским работам, выпол-

ненным под руководством и при ведущем участии автора по основным планам научно-исследовательских работ МПС РФ (Приказы МПС: № 39Ц от 31.12.80г., № 39Ц от 26.12.81г., № 46Ц от 31.12.82г., № 48Ц от 25.12.85г., № 52Ц от 30.12.85г., № 27Ц от 05.06.86г., № 58Ц от 30.12.86г„ № 25Ц, 1987г.).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов и приложений. Рукопись содержит 273 страницы основного текста, 163 иллюстрации, 32 таблицы, список литературы из 145 наименований, приложения на 52 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи теоретических и экспериментальных исследований, намечаются пути их реализации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен анализ общих технических характеристик гистем тягового электроснабжения (СТЭ) различных видов электрифицированного рельсового транспорта (ЭРТ). Показано, что несмотря на конструктивное эазличие тяговых подстанций (ТП), контактной сети (КС), электрического подвижного состава (ЭПС), а также разные уровни напряжения в КС и потребляемой энергии для тяги поездов, все СТЭ в качестве обратного провода исполь-|уют ходовые рельсы. Тем самым экономятся цветные металлы, снижаются по-ери электрической энергии, уменьшается падение напряжения в тяговой сети. ?мссте с тем возникает проблема обеспечения электропроводности рельсовых тыков как элемента тяговой сети. По полученным аналитическим выражениям рассмотрено изменение сопротивления тяговой сети при изменении сопротив-ения токопроводящих рельсовых стыков. Дана оценка потерь мощности в ее лементах.

В системах тягового электроснабжения ЭРТ, имеющих продольную струк-уру, отсасывающие линии (фидеры) тяговых подстанций подключаются в од-ом пункте - в непосредственной близости от ТГ1 (одноточечный отсос). Эти

вопросы достаточно полно отражены в работах В.Н. Пупынина, А.В. Котельни-кова, Н.Г. Сергеева, Р.Н. Карякина, Б.И. Косарева, И.В. Стрижевского, Д.К. Томляновича, М.В. Тарнижевского, И.С. Оганезовой, В.Б. Голубицкой и др. авторов.

Проведен обзор развития методов обеспечения электропроводности рельсовых стыков с позиций требований, предъявляемых в первую очередь со стороны СТЭ. Показано, что с 1880г. по 1980г. для этой цели применились стыковые соединители. Первые опубликованные в России работы, посвященные этому вопросу, относятся к 1930г. В эти же годы начаты исследования по электропроводности стыков.

В работе дан критический анализ работы большого класса стыковых электрических соединителей и шунтирующих устройств, устанавливаемых в зоне стыка. Показано, что ни один из типов соединителей не удовлетворяет предъявляемым требованиям по механической прочности, электропроводности и токовым нагрузкам. Не решает проблему и введение между накладками и рельсами графитовой смазки, так как она обладает удельным сопротивлением t

о

12-10 раз большим, чем рельсовая сталь.

Для оценки работы эффективности стыковых соединителей, как параллель ной накладкам цепочки, автором впервые введено понятие коэффициент; Кш -(2Rpll +RH/2Rpll +RH +Rcc)x 100%, характеризующего их шунтирую

щие свойства (RH - сопротивление накладки). При нормативных значениях со противления RpH=152,4 мкОм и Rcc=230 мкОм шунтирующие свойства сс единителей не превышают значения 35 %. В реальных условиях Кш = 6 -ь 8%.

Другим важным показателем стыкового соединителя является эффектш ность использования площади сечения материала, из которого он изготовле! Для оценки этого фактора введен соответствующий коэффициент, равны Кис = (^пр^'ссдоп)" Ю0% (1пр - допустимое по нагреву значение тока провод

из которого изготовлен соединитель; 1ссдоп - допустимое значение тока сосд нителя после его приварки). Расчетами установлено, что при нормативном зн

чении сопротивления стыкового соединителя коэффициент использования площади сечения соединителя составляет Кнс = (30 + 40)%.

В эксплуатации значительным изменениям подвержен параметр - осевое усилие натяжения стыковых болтов, значения которого во времени могут отличаться в несколько раз, а часто и на порядок, что например, наблюдается в рельсовой сети трамвая. Сопротивление Крп в основном определяется величиной натяжения стыковых болтов и состоянием контактирующих поверхностей накладок и рельсов. С учетом продольной структуры всех систем тягового электроснабжения задача исследования электропроводности рельсовых стыков в тяговых сетях имеет общий характер.

Электрическое переходное сопротивление рельсового стыка Яр,, есть

функция многих параметров

ярн С1)

где С), - осевое усилие натяжения стыковых ботов; - фактическая площадь касания рельсов и накладок; р; - удельное сопротивление контактирующих поверхностей; ф;(х) - функция распределения микровыступов по поверхности. Ясно, что расчет Крн для различных видов ЭРТ абсолютно идентичен, разница

заключается лишь в численных значениях, входящих в (1) этих параметров. В работе дана математическая интерпретация этих составляющих Крн.

Аналитические выражения для электрического переходного сопротивления стыка получены с учетом: профилограмм, материала, образующего контакт, его удельного электрического сопротивления, прочности и твердости; соприкасающихся поверхностей, образующих контакт, включая их размер, форму, характер обработки, состояние; условия образования контакта (влияние приложенного давления и его характер - статическое, динамическое, однократное, многократное, со скольжением, без скольжения). В рельсовых токопроводящих стыках действуют все виды перечисленных факторов. Для оценки электрического сопротивления стыка в зависимости от удельного сопротивления (р), ко-

личества пятен контактирования (п) и площади контактного пятна (Б) в работе получена формула: Крн =р • п. В результате расчета показано, что

нормативное значение сопротивления стыка может быть достигнуто уже при Б=1 мм2 и п=3.

Исследования фактической площади касания Аф на рельсовом стыке Р 65 с использованием токопроводящей бумаги при токе в рельсах 1,-1000 А, натяжении стыковых болтов СЬ=75 кН показали, что среднее значение Аф может быть принято равным: Аф=Аф„1+Аф„2=871+537=1408 мм2, что существенно больше необходимого, хотя составляет всего 2,44 % номинальной площади контактирования накладок и рельсов. В результате обработки экспериментальных данных для двух классов состояния поверхностей контактирования накладок и рельсов получены следующие уравнения для определения электрического сопротивления стыка:

1 КЛАСС. Рельсовый стык смонтирован согласно технических условий (с поверхностей контактирования накладок и рель<;ов драчовым напильником

удалены примеси) - ЯрН =293/<3з'4 '^рн5- 2 КЛАСС. Рельсовый стык смонтирован с накладками со следами продуктов после заводского изготовления Ярн=4402/д?'42-8^5.

Для 1-го класса состояний сопротивление стыка, равное сопротивлению 1 м целого рельса (25,4 мкОм), достигается при усилии натяжения стыковых болтов (Зз=10 кН. Для 2-го класса состояний нормативное среднее значение (152,4 мкОм) наступает при ()3=60 кН. Из этого следует, что даже при наличии на поверхностях контактирования накладок и рельсов нетокопроводящих примесей, сопротивление стыка натяжением стыковых болтов может быть доведено до нормативного значения. Показано, что расчетные и экспериментальные значения имеют хорошую сходимость.

Вследствие того, что взаимодействие пути и подвижного состава в зоне стыков носит ударный характер, происходит ускоренное падение монтажного натяжения стыковых болтов. Исследования изменения натяжения стыковых

болтов с пружинными разрезными шайбами показали, что если остаточные деформации в болтовом соединении стыка достигают ЛЬ =0,25 мм, то монтажное натяжение болта с Ом=70 кН падает до 34 кН, а при Л1] = 1 мм О,=0. Это является основной причиной начала резкого возрастания переходного сопротивления 11р,„ так как в образовавшиеся зазоры между накладками и рельсами начинают проникать нетокопроводящие примеси, продукты коррозии, уменьшая фактическую площадь касания . Этот процесс может быть остановлен только при повторном натяжении стыковых болтов. Исследования, проведенные на нескольких электрифицированных железных дорогах показали, что срок между периодическими натяжениями стыковых болтов не может быть больше 15 дней.

Исследованиями установлено, что нормативное значение переходного сопротивления стыка достигается при удельном давлении накладок к рельсам, равном (17+20) МПа, а этому соответствует осевое натяжение стыковых болтов (38+45) кН. В работе показано, что значение контактного сопротивления соединений рельсовых стыков определяется не только микроструктурой соприкасающихся поверхностей, но и конфигурацией соединения, которая обусловливает характер токораспределения в зоне стыка. Для аналитической формы решения задачи токораспределения в соединении "рельс-накладки" в работе принят метод конформных отображений с использованием интеграла Крис гоф-феля-Шварца

Ф)=СГ /(^-а1)а>-,.(^-а2)а2-1....Й-ап)а"-1.^ + С2, (2)

Ч

где С| и Сг - постоянные (С]

Значения сопротивления токопроводящих стыков на переменном токе приведены в табл. 1. Как и на постоянном токе величина натяжения стыковых болтов, при котором достигается нормативное сопротивление стыка, равно 0,-40 кН, и при этом приварка соединителя не приводит к уменьшению сопротивления стыка.

Основной результат, приведенных в рассматриваемой главе исследований, заключается в следующем выводе: что без принятия дополнительных мер со-

хранение электрического сопротивления стыка в рамках нормы в течение длительного времени не представляется возможным. Проблему не решают стыковые соединители, а более частая подтяжка стыковых болтов требует значительных трудовых затрат.

Таблица 1

Значения электрического сопротивления элементов рельсового стыка при переменном токе

1Р,А Сопротивление стыка мкОм

без стыкового соединителя со стыковым соединителем

2сс 2МС1^мС2 гст

100 168 397 133/159 167

200 175 387 123/159 178

300 193 354 107/141 192

400 217 319 92/123 215

500 241 332 100/120 235

600 260 316 87/113 257

Примечание: хмс\, хж1 - соответственно переходные сопротивления "медь-обойма-рельс" двух мест сварки соединителя к рельсам.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена исследованию термической устойчивости электрических соединений, устанавливаемых в зоне токопроводящих рельсовых стыков, междупутных и в местах установки дроссель-трансформаторов. Для изучения тепловых процессов в указанных соединениях прежде всего сформулированы основные этапы исследований, которые включают: постановку нестационарной краевой задачи теплопроводности для проводов при наличии внутренних теплоисточников и конвективного теплообмена с окружающей средой; получение точного и приближенного решений поставленной краевой задачи для описания распределения температуры по длине проводника и динамике ее изменения во времени; выполнение прикладного анализа полученных решений; формулировку выводов относительно наиболее существенных закономерностей тепловых процессов в проводниках; определение численных оценок для основных технических характеристик.

Постановке нестационарной краевой задачи нагрева соединителей тяговыми токами предшествовал анализ особенностей тепловыделения в проводе. По результатам такого анализа получено математическое описание процесса тепловыделения, учитывающее степень уменьшения площади сечения соединителя.

На основе многочисленных осциллограмм токов, записанных на ленту самописцев, шунты которых были установлены в перемычки дроссель-трансформаторов, кривая тока для тепловых исследований принята изменяющейся по следующему математическому выражению:

1(т)=Н(т)-10ехр{-в(т-у)2|, (3)

где Н(т)= 1, если т>0; Н(т)=0, если т<0 - ступенчатая (ограничивающая) функция Хевисайда; в, у - параметры, определяемые опытным путем.

Получено дифференциальное уравнение краевой задачи, которое в критериальной форме имеет вид:

^_^+В;ё(хд)=еоН0.5Й.ехР{-в(^Г}, (4)

от ох

где б(х,о)=0; 0(±со,т) = О; ^(±оо,т) = 0; т= -безразмерное время (кри-

Зх тР1/

2

терий Фурье); В; = - критерий Био; = — безразмерная мощность

Д^ А. • 6М

2 ^

тепловыделения (критерий Померанцева); в = 2вШ^ , у =-- безразмер-

^ шРЬ2

ные параметры теплоисточника; X - коэффициент теплопроводности; ш - плотность материала провода; Р - удельная теплоемкость материала провода; Д -диаметр провода; а - коэффициент конвективной теплоотдачи; Ь — длина; 9П -превышение температуры.

С учетом ограничивающих свойств функции Хевисайда получено точное решение краевой задачи

б(х,т) = }—!• expj- в(х - т' - yf - B¡t - • , (5) 04 • "V7C * X { 4т J

где x — пространственная координата вдоль провода.

Это решение описывает динамику превышения температуры в любой точке

рельсовой сети.

Процесс перегорания стыковых соединителей в медной часги (Rtc) и в пе-

2

реходе "рельс-сварка-обойма" (RMC) определяется значениями Icc, Icc-t, 1мс и

о

1МС • t. Параметры теоретических распределений этих величин, полученные в результате обработки экспериментальных данных, приведены в табл. 2.

Стендовыми тепловыми испытаниями установлено, что после приварки к рельсу сопротивление всех типов приварных соединителей возрастает от 2,4 до 4 раз за счет увеличения переходного сопротивления "рельс-сварка-обойма" (Rmc). Это происходит вследствие деформации обоймы соединителя в процессе приварки. Сопротивление соединителя зависит от тока и составляет при 1сс= =400 A Rcc=125 мкОм; при 1сс=1200 А оно увеличивается до Rcc=270 мкОм.

Температурное поле соединителей крайне неравномерно и в большей степени превышение температуры происходит в месте сварки обоймы с рельсом и в торце соединителя. На основе этих данных в работе впервые показано, что в процессе нагрева соединителей токами рельсы не являются охладителями при R<.c более 120 мкОм.

В работе приведены результаты стендовых тепловых испытаний стыковых медных приварных соединителей при их нагреве в трех режимах: установившемся режиме; длительном нагреве с последующим возникновением тока короткого замыкания; режиме короткого замыкания. В результате анализа осциллограмм теплового нагрева соединителей получено полное подтверждение теоретических предпосылок: если Rtc больше 120 мкОм, то во всех режимах перегорание соединителей происходит в переходе "рельс-сварка-обойма". Результатами этих исследований подтверждено, что механизм перегорания соединителей в этом переходе объясняется одновременным действием электродинамиче-

ских и термических сил. В первоначальный момент при пусковом токе или токе короткого замыкания электродинамические силы больше термических.

Таблица 2

Параметры теоретических распределений

1сс(А)/1СС-4А2-с-Ю6)

№ Характеристика гп Границы для гп при ст Границы для о при

п/п участка р=0,9 р=0,9

1. Двухпутный

участок (горло- 431 389 < ш < 473 133 111 < о < 168

вина станции) 76 63 < ш < 90 42 35 < ст < 53

2. Двухпутный

участок (середи- 224 211 <ш <237 41 34 < а < 52

на фидерной зо- 24 19 < ш < 28 14 12 < о < 18

ны

3. Однопутный

участок, кон-

сольное питание 535 491 <ш <580 137 114<<J<173

(горловина 153 114 < т < 192 122 102 < а > 154

станции)

Начинается процесс отталкивания контактов, площади соприкосновения уменьшаются, что вызывает увеличение сопротивления области стягивания (Ямс) и, как следствие, взрывной рост количества тепла, выделяемого в этом месте.

Получены аналитические выражения для длительных и кратковременных токов в соединителях, учитывающие различные условия рассеивания тепла с поверхности провода, а также циклы "нагрев-охлаждение", соответствующие графику движения поездов. Полученные формулы позволяют оценить величину тока, который создает в проводе заданное превышение температуры. Расчеты

параметров 1СС(А) и I2 - ■ с) показали, что для перегорания соединителя в переходе "рельс-сварка-обойма" величина 1мс1 в 15 раз меньше величины

Icc • t для перегорания медной части соединителя при одном и том же значении сопротивления в этих частях соединителя. Например, при Rcc=200 мкОм, 12с • t = 420 • 106 А2 - с; 12с • t = 28 ■ 106 А2 • с. Многолетние обследования состояния стыковых соединителей на наиболее грузонапряженных участках железных дорог, промышленного транспорта и трамвая подтвердили правильность высказанных выше теоретических предпосылок и, в частности, тот факт, что после перегорания стыковых соединителей на рельсах всегда остается кратер со следами оплавления. На рельсовых путях трамвая перегорание соединителей в большинстве случаев происходит в медной части, так как электродинамические силы незначительны.

Проведены исследования тепловых характеристик обмоток дроссель-трансформаторов и всех типов дроссельных и междроссельных перемычек. Разработан метод и технические решения, уменьшающие вероятность превышения температуры электрических соединений рельсовой сети в аварийных режимах работы системы тягового электроснабжения магистральных железных

2

дорог. Показано, что параметры цепи короткого замыкания I кз • t, tK3 можно существенно снизить, если параллельно сглаживающему реактору тяговой подстанции постоянного тока включить устройство, состоящее из переключающего элемента, резистора и диодов. Такое разрядное устройство разработано (в соавторстве), освоено промышленностью и применяется на всех тяговых подстанциях постоянного тока железных дорог СНГ (а.с. № 541694).

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке типоразмеров тарельчатых пружин как средства стабилизации электрических и механических характеристик рельсовых стыков, комплексно удовлетворяющих требованиям, предъявляемым со стороны систем тягового электроснабжения и регулирования движением поездов, пути, подвижного состава и безопасности движения поездов.

Тарельчатая пружина представляет собой коническую оболочку, которая при приложении нагрузки (Р) получает значительные перемещения (/). Зависимость между Р и перемещением пружины/в любой точке характеристики оп-

ределяется следующим выражением

где Е - модуль нормальной упругости; ц - коэффициент Пуассона; h - высота ненагруженной пружины; а - коэффициент.

Из этой формулы видно, что нагрузочная характеристика пружины не является прямолинейной и поэтому работу упругой деформации приходится выражать интегралом JP • d/. В результате теоретических расчетов, приведенных в работе, оказалось, что характеристика тарельчатой пружины (зависимость силы от деформации) зависит от отношения h/S. При h/S=0,7 можно получить прямолинейную характеристику; при h/S=l - дегрессивную характеристику; при h/S= 4l - частично горизонтальную характеристику; при h/S>V2 - имеется два значения осевого перемещения пружины, при которых Р принимает наибольшее и наименьшее значения. В общем случае при h/S<V2 - характеристика прогрессивная, всегда положительная.

При нагружении пружины (рис. 1, а) возникают напряжения растяжения 0ц и сщ, причем напряжение стц является лимитирующим, вследствие этого происходит неэффективное использование удельной потенциальной энергии деформации пружины, а также напряжения сжатия <Т[ и ajy.

Исходной величиной для определения размеров тарельчатых пружин является наибольшая допустимая рабочая нагрузка Ру при 0,8 • h. Показано, что ни одна тарельчатая пружина из отечественных и зарубежных стандартов не может быть применена в конструкции токопроводящего рельсового стыка, так как внутренний диаметр тарельчатой пружины должен соответствовать наружному диаметру стыкового болта, иметь силу не менее 60 кН, работать в условиях статического и циклического нагружения. Циклическое нагружение происходит в момент прохода подвижного состава в зоне стыка и создает наибольшее динамическое сжатие в момент удара колеса о принимающий конец рельса. Статическая нагрузка имеет место, когда пружина нагружена натяжением сты-

Рис. 1. Изменение напряжений (а) и удельной потенциальной энергий упругой деформации (б) при нагружении тарельчатых пружин: 1-ГОСТ 3057-79;

2 - фирма Христиан Бауэр (Германия);

3 - СамИИТ (а.с. №1263936)

кового болта.

Автором разработана новая методика расчета тарельчатых пружин, у которых при допустимом прогибе/ганб оц = ащ = [а], a О] находится из следующего соотношения:

^- = 2^1-1 = 2^-1 = 2^—1=1,72. (7)

gu InD/d In 1,8 0,5877

Тогда стj = ojj • 1,72. Отсюда следует, что при величине рабочей деформации /наиб, в трех кромках пружины из четырех устанавливаются допускаемые напряжения растяжения (оц и ощ)и сжатия - aj.

Наибольшую удельную потенциальную энергию деформации тарельчатой пружины можно получить лишь в случае равенства ац =ащ, что и учитывается в методике. На рис. 1, б приведены значения этих величин для отечественных и зарубежных тарельчатых пружин и пружин, рассчитанных по новой методике, в зависимости от величины деформации. Пружина, рассчитанная по новой методике, при/Ha„s. имеет величину а в 2,06 + 2,33 раза выше, что позволяет для создания одной и той же нагрузки значительно уменьшить металлоемкость тарельчатой пружины. В табл. 3 приведены параметры тарельчатых пружин, рассчитанных по различным методикам.

Основным параметром тарельчатой пружины является наибольшая нагрузка, которую она может выдержать при наибольшей деформации. В табл. 3 все тарельчатые пружины рассчитаны примерно на одну нагрузку, но для ее создания имеют различную металлоемкость. Пружина, разработанная автором имеет в 2 раза меньшую металлоемкость.

Методика расчета тарельчатых пружин, предложенная в работе сводится к нескольким простым вычислениям. Если необходимо рассчитать параметры тарельчатой пружины на допустимую нагрузку Р, то известными величинами являются: [/], D, d и [ст] = [ctji (ctjii )], а необходимо вычислить толщину стенки пружины S и высоту внутреннего конуса h. Также могут быть определены параметры пружины S, h, D и d.

Таблица 3

Расчетные параметры тарельчатых пружин

№ п/п О, мм (1, мм 5, мм Ь, мм 1Л. мм кН кгс МПа кг/мм2 МПа кг/мм3 "III. МПа кг/мм" Масса пружины, г Методика расчета

1. 100 50 6 2,5 2 58 5925 -2656 -271 1695 173 1391 142 272 ГОСТ 3057-79

2. 125 64 6,48 3,24 2,6 61,6 6290 -2450 -250 1421 145 1284 131 460 "Христиан Бауэр"

3. 77 43 5,25 2,42 1,75 62,9 6420 -3606 -360 2087 213 2087 213 131 СамИИТ А.С. 1263936

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследований механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков при приложении внешней нагрузки в процессе прохода подвижного состава в зоне стыка. Разработка рельсовых токопроводящих стыков всех видов электрифицированного транспорта представляет специфическую проблему, в которой практически не удается в достаточной степени использовать отработанные традиционные способы электрических соединений, принятые в электроустановках с большими токами нагрузки, потому что рельсовые стыки подвержены динамическим воздействиям, а на участках постоянного тока еще и сильной электрической коррозии.

Одним из основных условий обеспечения нормальной работы токопроводящих рельсовых стыков является длительное сохранение механических и электрических характеристик в рамках нормативных значений. Для каждого контакта рельсового стыка переходное сопротивление в конечном итоге определяется величиной нажатия накладок к рельсам. Как электрическая система эта цепь не является стационарной, а носит динамический характер (кратковременный - при проходе подвижного состава и более длительный - при промерзании, оттаивании, загрязнении, износе, расстройстве и старении элементов стыка).

Величина силы удара колеса о принимающий конец рельса создает допол нительное натяжение в стыковых болтах, что и является причиной остаточных

деформаций в болтовом соединении стыка, то есть возникновения зазора между накладками и рельсами, которые заполняются продуктами коррозии. Для получения зависимости между силой давления колеса Р на рельс и приращением усилия в болте Д0„, в работе получено уравнение совместимости деформаций элементов рельсового стыка.

Взаимодействие пути и подвижного состава в зоне стыка в работе оценено по изменению натяжения стыковых болтов с помощью тензометрической аппаратуры. Приведены расчеты по определению корреляционной зависимости между дополнительной динамической нагрузкой А Рди„., возникающей в стержне стыкового болта при ударе колеса о принимающий конец рельса. Обработка осциллограмм ДРдин. показала, что между первоначальным (предварительным) натяжением стыковых болтов и АРДИН. нет функциональной зависимости. Получены средние значения динамических усилий при скорости движения поез-1 л

дов 60 км/ч ЛРдин.60 = — X ДРдин ¡60 =12,2 кН и 48 км/ч ДРДИц.48 =10,2 кН. п;=]

Среднее значение стандартных отклонений динамических усилий

^дин.60 = -^ХАРдин.бО/п — ЛРдин.60 =5,66 кН; 8дин48 =4,12 кН.

Количественной мерой между этими величинами служит коэффициент корреляции

1 п _

- • I ДРдин.60 • ДРдин.48 - ЛРдин.60 ' ЛРдин.48

гдин.60 • гдин.48 =-~---~-= °>85 •

Ьдин.60 ' Гдин.48

Полученное значение коэффициента говорит о значительной взаимосвязи между динамическими усилиями, полученными при У=60 км/ч и У=48 км/ч. Приведены уравнения регрессии для оценки динамических усилий при различных скоростях движения подвижного состава.

Анализ результатов стендовых испытаний рельсовых стыков при нагруже-нии от универсальной гидравлической машины с пульсатором показали, что

после 2 млн. циклов нагружения, в типовых стыках с шайбами 10x10 мм наименьшее значение усилия натяжения остается в средних болтах, например у второго болта оно снижается в 4,5 раза от первоначального. В болтах с тарельчатыми пружинами - в 1,5 раза. После обработки экспериментальных данных получено, что в типовом стыке с шайбами 10x10 мм зависимость снижения усилия в болтах от величины остаточной деформации Ь хорошо аппроксимирует аналитическое выражение вида:

<33 = 0,6 • • оэкв • ехр[- 2,48 • Ь] ■-110 • Ь - 500. (8)

Если величина Ь=0,957 мм, то натяжение стыкового болта будет иметь нулевое значение. На рис. 2 приведены процессы изменения натяжения стыкового болта, полученные на ленте самопишущего прибора, при проходе в зоне стыка электровоза ВЛ10*. В типовых стыках с шайбами 10х 10 мм монтажное натяжение (75 кН) снижается сразу же при вхождении первого колеса электровоза. Остаточное натяжение составляет 51 кН. В результате обработки результатов измерений получено, что при монтажном натяжении 75 кН оно уменьшается на 32 % (51 кН); при 50 кН - на 14 % (43 кН); при 30 кН - на 3 %, то есть при большем монтажном натяжении происходит и большее его снижение. После пропуска нескольких поездов уровень натяжения выравнивается независимо от величины монтажного (предварительного) натяжения. При использовании тарельчатых пружин монтажное натяжение болтов снижается незначительно.

Электрическое сопротивление стыков имеет случайный характер. Для выбора путей совершенствования стыков с позиций получения наибольшей электропроводности в работе получены статистические характеристики электрического сопротивления. Для определения закона распределения выборки исследованы гипотезы о принадлежности ее нормальному распределению, распределению Релея и логарифмически-нормальному распределению. Для этой цели применен метод максимума функции наибольшего правдоподобия.

Значение функции правдоподобия для нормального распределения равно

а)

Оз,кН 72

60 48

0з = 75«Н ВЛ КЙ6195

\

\

2 1 4 Ь .6 7, 8

V Л Я И

0,4 0,8 1,2 1,6 1,сск.

Д(2з = 25кН

56 11 Оз = 50жН ВЛ 10г№14б

1 б

32 ч 2. 3 4 1 5 л1 ,8

V И 1) У Г

1

в)

30 18

- пч = 30 *Н пи т'и.сю

1 v3

к 3 4 6. 7 8

\ /А) г~ Л V л* —1 \г~>

АО, = 2кН

0з,жН 76

64

52

1 = 75 кН чс 2 № 505

\ ? 3 4 ,5 6

\ гл Ъ

\/

, = 17 кН

д) 0з,кН

76 64

0з = 75*Н ВЛ 107

1 2 з 4 7

э 6 [8

Л О з = 2 кН

Рис. 2. Процесс изменения натяжения в стыковом болту при проходе электровоза в зоне стыка: а, б, в, г - болт с типовыми шайбами 10x10 мм; д - то же с тарельчатыми пружинами; 1 ...8 - момент удара колеса о принимающий конец рельса.

L(x,,x2)...xn,e) =-!—^ ■ exp--L- • S(xi - m)2 l = 9,046• 10~10; (9)

l ¡=1 J

(зя-а^

для логарифмически-нормального распределения

L(x,,х2 ,...xn ,9) =---expl - Дг- • £(lnх{ - Ina)2 L

I n 2aln

^Чя-nxi 1 ,n J

i=l

= 3,4-10~39; (10)

для распределения Реллея

ПХ1 [ 1 п 1 Ь(хьх2,...хп,0) = ^-ехр - —-Хх2 =0,4-10-41, (11)

ор [ о р ¡=1 ]

где 0 - параметры распределения (ш или ст^); х;(хе {1,2,...п}) - независимая выборка объема п.

Сопоставление полученных значений функций правдоподобия позволяет утверждать, что исходная выборка принадлежит нормальному закону. Для проверки соответствия значений сопротивлений, распределенных по нормальному

9

закону, использован критерий согласия % . По теории доверительных интервалов определены границы сопротивления токопроводящих рельсовых стыков с

— 2 тарельчатыми пружинами 1,49<х < 1,58 и 0,064< а <1. Для всей выборки при

— 2

464 значениях х=1,54, а о =0,08 и обе эти величины лежат в полученных доверительных границах.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследований по совершенствованию методов диагностики и контроля электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков как на электрифицированных участках постоянного, так и переменного тока. Зависимость переходного сопротивления стыков от факторов, которые определяются конкретными условиями эксплуатации, делает результаты электрических измерений в токопроводящих стыках единствен-

ным достоверным источником информации об их электропроводном состоянии.

На основе стендовых исследований, физического и математического моделирования, электрических и эксплуатационных измерений показано, что диагностику токопроводящего рельсового стыка можно рассматривать как обобщенный систематизированный метод, включающий: классификацию признаков состояния рельсового стыка на основе анализа взаимодействия пути и подвижного состава в зоне стыка (необходимо установить определенные величины, подлежащие исследованиям, и в конечном итоге их допускаемые отклонения); разработку методов определения этих признаков, то есть методов программирования диагностических исследований, обработки полученных результатов и оценки состояния токопроводящего рельсового стыка; разработку и выбор контрольно-измерительной аппаратуры; прогнозирование изменений, происходящих в токопроводящем рельсовом стыке под действием подвижного состава и продольных деформаций рельсов при изменении их температуры, а также износа элементов, составляющих стык, зависящего от длительности эксплуатации.

Основной характеристикой стыка является время выхода электрического сопротивления R(t) за нормативный уровень и степень разброса значения R(t) за каждый интервал времени A t. Показано, что оценка электропроводного состояния стыка связана со значительными трудностями в связи с тем, что в зоне стыка имеется несколько параллельных цепочек, состояние которых необходимо оценить. Определены состояния токопроводящего рельсового стыка согласно требованиям, которые предъявляются со стороны систем, использующих рельсы в качестве токопровода. К ним относятся: полное удовлетворение нормам по электропроводности Ai; ограниченное удовлетворение нормам Ат и полное неудовлетворение нормам А«. Определены возможные случаи перехода стыка из состояния Ai в состояние А(). Обратимый процесс без достижения состояния А«; обратимый процесс старения с достижением состояния Ао", необратимый процесс старения; скачкообразный процесс без достижения А0; скачкообразный процесс с достижением состояния А0; скачкообразный необратимый процесс. Наилучшим способом выбора модели распределения для рельсового

токопроводящего стыка является описание физических явлений, вызывающих состояние А0, а затем использование этих явлений в качестве логической основы для вывода распределения. Разработана методика определения показателей надежности, определяющих состояние токопроводящего рельсового стыка. Приведены теоретические исследования моделей надежности стыков как динамической системы, в которой уровень надежности зависит от времени. Показатели надежности токопроводящих рельсовых стыков, определенные статисти-ко-корреляционным методом, показали, что при выборке N=260 стыков уравнение линейной регрессии имеет вид: т = 7,15 + 0,12 • , при 25 < (3 < 45, где х -мес.; <3 - кН, что говорит о том, что для поддержания сопротивления стыка в рамках нормы стыковые болты с тарельчатыми пружинами необходимо подтягивать через 1 год. При условии 45 < С) < 75 это время увеличивается до 6 - 7 лет при любой грузонапряженности.

Для объективной оценки состояния стыка необходимо знать состояние каждого его элемента в отдельности, характеризуемого его электрическим сопро тивлением, или протекающим по нему током. Автором разработаны методы I устройства на основе эффекта Холла (датчиков), которые позволяют измерить сопротивление стыка, сопротивления переходов "рельс-накладки" и соедините лей, шунтирующих стык; тока, протекающего по всем параллельным цепочкам составляющим стык. Показано, что поскольку одним из признаков, которьи может быть использован для создания диагностической аппаратуры, являете ток, то для этой цели разработаны электроизмерительные клещи постоянног тока ИКП-1М, опытная партия которых изготовлена промышленностью, а те> ническая документация затребована и выслана в 12 различных организаци СНГ и страны Балтики.

Для измерения величины сопротивления элементов в зоне стыка авторо впервые разработано устройство, в котором использовано свойство датчш Холла, заключающееся в том, что если в момент измерения падение напряж ния на рельсовом токопроводящем стыке Дисг равно выходному напряжени датчика их, то справедливо выражение ЯС1 = К • 1у, где К - коэффициент пр

порционалыюсти, 1у - ток управления датчика. Показано, что эта зависимость имеет прямолинейный характер. Это устройство позволяет измерять все электрические параметры элементов стыков, в том числе соединенных параллельно.

Разработан метод и автоматическое устройство определения неудовлетворительного состояния стыка по нескольким признакам распознавания (мощность инфракрасного излучения стыков и квадратичное значение тока в рельсах). Показано, что если 1у датчика пропорционален рабочему току 1р и если датчик нар

ходится в магнитном поле 1р, то напряжение на выходе датчика пропорцио-

2

нально 1р. Для этой цели используются два датчика Холла. Приведены градуи-

ровочные характеристики устройства.

Разработан универсальный прибор, который может быть использован для измерения сопротивления стыка в метрах целого рельса как на электрифицированных участках постоянного, так и переменного тока, а также на участках с автономной тягой. На Куйбышевской, Южно-Уральской железных дорогах и в Московском метрополитене успешно эксплуатируются 5 комплектов устройства. В диссертации научно обоснованы все методы измерения сопротивления и тока без разрыва главной цепи.

В ШЕСТОЙ ГЛАВЕ сформулированы требования к конструкции рельсового стыка, основными из которых являются уменьшение потерь и расхода электрической энергии при отсутствии в зоне стыка электрических соединителей; разработаны конструкции токопроводящих рельсовых стыков, комплексно удовлетворяющих условиям нормальной работы рельсовой сети тягового электроснабжения, пути, системы регулирования движением поездов, подвижного состава, а также обеспечивающих повышенную безопасность движения поездов. Принцип комплексного решения проблемы рельсового стыка преследует цель в наибольшей степени повысить эффективность работы указанных выше систем с позиций наименьших материальных затрат и эксплуатационных расходов.

Разработаны требования не только к конструкциям стыков, но и их упругим элементам - тарельчатым пружинам, которые предназначены для демпфирова-

ния динамических усилий, возникающих в стыковых болтах при проходе в зоне стыка колес подвижного состава, без последующего ослабления нажатия. Произведен выбор типоразмеров тарельчатых пружин для рельсовых стыков всех видов ЭРТ. Разработаны конструкции токопроводящих рельсовых стыков, основные из которых представлены на рис. 3. Токопроводящий рельсовый стык (рис. 3, а) предназначен для малодеятельных и станционных путей при типах накладок, у которых /р=75 мм. Стыковое соединение (рис. 3, б и в) применяется на перегонах железных дорог, метрополитенах, трамвае и промышленном транспорте. Рельсовый стык (рис. 3, г) предназначен для уравнительных пролетов бесстыкового пути и трамвая с замощенными рельсами. Стык по рис. 3, д и е применяется с трамвайными рельсами.

В СЕДЬМОЙ ГЛАВЕ приведены результаты полигонных испытаний и длительной эксплуатации конструкций токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами на магистральных железных дорогах, промышленном транспорте, метрополитене и трамвае. Выполнен комплекс исследование по вопросу возможности применения тарельчатых пружин с целью длительного сохранения электрических и механических характеристик токопроводящег< рельсового стыка в пределах требований нормативных документов. Полигон ные испытания конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинам! проведены на экспериментальном кольце ВНИИЖТа (ст. Щербинка). Поел пропуска по участку 219 млн.т.км/км в стыках с тарельчатыми пружинами на тяжение 75 кН снизилось до 49,5 кН, а в типовых стыках до 21,6 кН. Этим дс казаны технические преимущества конструкций рельсовых стыков с тарельчг тыми пружинами и возможность их применения на действующих участках.

Широкие эксплуатационные испытания конструкций стыков с тарельчать ми пружинами проведены на шести железных дорогах, на Магнитогорском м( таплургическом комбинате, Московском метрополитене и Самарском трамва> Наибольшие по объему и всесторонние исследования работы конструкци рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами проведены на Куйбышевскс железной дороге в период с 1980 по 1988гг. Среднее значение электрического

Рис. 3. Конструкции токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами для различных видов ЭРТ: 1 - рельс, 2 - накладка, 3 - стыковой болт, 4 - гайка, 5 - тарельчатая пружина, 6 - центрирующая втулка.

сопротивления стыков по всем железным дорогам не превышает 2 метров целого рельса (норма 6 м.ц.р.) при любой грузонапряженности и без использования дефицитных медных и других типов соединителей и графитовой смазки. Положительные результаты получены по всем видам ЭРТ. В настоящее время тарельчатые пружины серийно изготавливаются двумя заводами (Воронеж, Нелидово) и поставляются на все железные дороги России и других стран. Указанием МПС РФ № с-1441 от 16.02.99г. запрещена приварка любых типов стыковых электрических соединителей. Общий полигон пути с конструкциями рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами только на Куйбышевской, Львовской и Приднепровской железных дорогах-составляет более 4 тыс. км.

В ВОСЬМОЙ ГЛАВЕ приводятся теоретические основы методов расчета и разработанные на их основе методики по определению основных показателей технико-экономической эффективности применения конструкций токопрово-дящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами по отдельным видам ЭРТ. Показано, что в результате более 20-ти летней эксплуатации рассматриваемых конструкций стыков практически во всех климатических зонах железных дорог России и других стран эти стыки по своим характеристикам превосходят все другие типы стыков.

Экономическая эффективность разработанных конструкций стыков определяется следующими обстоятельствами: уменьшаются потери электрической энергии в рельсовой сети и величины токов утечки вследствие высокой электропроводности стыков; снижаются расходы электрической энергии на тягу поездов за счет уменьшения просадки рельсов в зоне стыков, что ведет к снижению основного сопротивления движению поездов; экономятся цветные металлы и материальные ресурсы за счет отказа от установки в зоне стыка любых типов соединителей и использования графитовой смазки; уменьшаются затраты на исправление пути в зоне стыков и исключаются затраты на приварку и восстановление соединителей; значительно повышается надежность функционирования системы регулирования движением поездов; резко сокращается количество случаев задержки поездов у закрытых сигналов светофоров из-за наруше-

ний передачи сигналов СЦБ в зонах стыков, что ведет к дополнительному снижению расходов электрической энергии на последующий разгон поездов; исключаются изломы рельсов, которые происходят из-за приварки стыковых соединителей; уменьшается количество дефектов рельсов в зоне стыка, т.е. образование седловин; уменьшается повреждение рельсов контактно-усталостными дефектами.

Это объясняется тем, что в кривых участках пути концы рельсов остаются прямыми, в то время как середина изгибается по кривой. В результате этого образуются углы в стыках, вызывающие при проходе колес подвижного состава дополнительные динамические усилия и рождающие указанные повреждения; увеличивается межремонтный пробег подвижного состава, особенно трамвайных вагонов; резко или полностью сокращается количество технического персонала, занятого приваркой или установкой соединителей; повышается безопасность движения поездов.

Получено уравнение для определения потерь мощности в рельсовых стыках на участках постоянного тока:

>2

т т1

,2

Ррс = —

кр

г тк

ак - Ъ + —-Я, ,

4а

3

г

(5Ь2ак-Ь-2ак-Ь)], (12)

зЬак - Ьн—^--сЬак -Ь

V кз у

где

а* =

Ярк = (1 + 0,04-Ист)-Яр;

Иг

(13)

10 - ток нагрузки тяговой подстанции; ак - характеристика утечки; Ь - длина утечки; щк - волновое сопротивление рельсовой сети; - сопротивление заземления отсасывающего фидера тяговой подстанции.

Для определения потерь мощности в стыках на электрифицированных участках переменного тока получено уравнение:

РРК5 "'О "

4а3к-Ь2

К 1-ь

=фК

2

-Р' *

+ 2ркх

-г

. дк • (5Ьак • Ь - а • Ь • сЬак • Ь)

ак-Ь 2К-(1-К)

а3-Ь2

• А • (зЬа • Ь - а • Ь • сЬ • а - Ь)

(14)

7 Кра

где

0,05-.¡0,144

1,53 - 5,2 • + • л/^)

;здесь о - прово-

димость земли; г - радиус рельса; в - ширина колеи;

0 + О,О4-Яст)-Кра _ ..........(1 + 0,04-Яст)-Я

-Ра

+ 0,05- ДО,144 -[1,53-5,2-

ра

^рк

Яг

Ак='

Т 2К

ак + —

; 2рк=ЗюМ;

вИа,. • Ь н—— • сЬа„ • Ь Я3 к

м =

1 - 21п

10

71

1,78-Ь-л/10т1ЮСТ 2

10"

Эти уравнения являются универсальными, так как могут быть использованы для всех видов ЭРТ. В табл. 4 показано, что при использовании конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами расходы на потери энергии в стыках уменьшаются на 17 % при постоянном токе и - на 5,48 % на переменном. В денежном выражении в ценах 1998г. это составляет соответственнс 197,4 руб/ км • год и 183,7 руб/ км • год.

Показано, что стоимость восстановления стыковых соединителей на все> видах ЭРТ значительно превышает стоимость сэкономленной электрическо! энергии после их восстановления. Приведены расчеты этих показателей дл! трамвая - расходы на потери электрической энергии и расход на восстановле ние соединителей несопоставимы даже при Нсг=60 м.ц.р., из чего следует одно

значный вывод - о значительном нерациональном расходе цветных металлов в рельсовых сетях трамвая.

Таблица 4

Расходы на потери электрической энергии в элементах тяговой сети, руб/км • год

Род тока Стыки со стыковыми соединителями Стыки с тарельчатыми пружинами

ЕСг Ерс Екс Ее Етс Ерс Екс Ее

Постоянный 38600 100 6682 17 31918 83 1000 2,6 37942 100 6024 16 31918 84 342 0,9

Переменный 11028 100 5345,6 48 5700 52 926 8,45 10540 100 4706 45 5700 55 313,7 2,97

Примечание: Е7С, Ерс, Екс и Ес - соответственно расходы на потери энергии в: тяговой сети, рельсовой сети, контактной сети, стыках. В знаменателе в %.

Снижение затрат от уменьшения основного сопротивления движению поезда на участках пути в зоне рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами в диссертации рассчитаны по методике, разработанной коллективом ученых под руководством С.И. Осипова и приведены в табл. 5.

Таблица 5

Экономия электрической энергии на тягу поездов

Грузонапряженность, т - км / км • 106 20 40 60 75 100 120 140

Экономия электрической энергии, кВт • ч 187,5 375 562,5 705,3 875 1125 1213.5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе получила дальнейшее теоретическое развитие и практическое решение проблема создания высокоэффективных и технически реализуемых конструкций токопроводящих рельсовых стыков с упругими эле-

ментами, удовлетворяющих нормативным требованиям систем тягового электроснабжения, регулирования движением поездов, пути, подвижного состава и безопасности движения поездов.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, стендовые, полигонные и эксплуатационные испытания позволили получить следующие основные результаты:

1. На основе статистического анализа многолетних эксплуатационных наблюдений, теоретических расчетов и стендовых испытаний показано, что характерной особенностью тяговых рельсовых сетей является невозможность комплексного решения проблемы токопроводящего рельсового стыка на основе различных типов соединителей, устанавливаемых в этой зоне.

1.1. Разработан общий алгоритм и методика теплового расчета электрических соединителей рельсовых сетей на основе решения нестационарного дифференциального уравнения теплопроводности, позволившие рассчитать превышения температуры соединителей в различных режимах и циклах тяговой нагрузки. Практическая реализация методики тепловых расчетов позволяет отказаться от стендовых испытаний и уменьшить расходы, связанные с получением характеристик нагревания соединителей на многоамперных агрегатах. Разработаны технические мероприятия, уменьшающие вероятность превышения температуры электрических соединителей рельсовой сети в аварийных режимах работы системы тягового электроснабжения магистральных железных дорог.

1.2. Впервые теоретически обоснован и экспериментально подтвержден процесс перегорания стыковых соединителей. Показано, что пережигающее воздействие в переходе "рельс-обойма" соединителя возникает за счет суммарного действия электродинамических и термических сил.

2. Впервые экспериментально исследован и изучен процесс изменения натяжения стыковых болтов при прохождении в зоне стыка подвижного состава, получены значения дополнительных динамических усилий и остаточное натяжение болтов при различных скоростях движения и первоначальных натяжениях стыковых болтов.

3. Предложенные автором и эксплуатируемые около 20-ти лет на железных дорогах, промышленном транспорте, метрополитене и трамвае конструкции то-копроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами обеспечивают нормальное функционирование в рамках нормативных документов систем тягового электроснабжения и регулирования движением поездов, пути.

4. Теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями подтверждена возможность удержания тарельчатыми пружинами силы нажатия накладок к рельсам на уровне, когда электрическое сопротивление стыков не превысит нормативного значения за весь срок службы рельсов. Это подтверждено шести летней эксплуатацией электрифицированного участка на Куйбышевской железной дороге. На основании обобщения результатов исследований рекомендованы конструкции токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами по всем видам ЭРТ, по конструктивному профилю накладок и по условиям эксплуатации.

5. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований автора, положительного длительного срока эксплуатации электропроводящих стыков с тарельчатыми пружинами МПС РФ разработан ряд нормативных документов по вопросам их применения.

6. Разработаны и внедрены в эксплуатацию устройства (электроизмерительные клещи постоянного тока ИКП-1М, универсальный прибор для измерения сопротивления стыков, автоматическое устройство) для диагностики и контроля электрических характеристик стыков.

7. Результаты длительной эксплуатации токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами позволили установить, что эксплуатационные затраты в зоне стыков уменьшаются более чем в 3 раза; на железных дорогах экономится 10 кг/км меди на вновь электрифицированных участках и 3 кг/км на восстановление электрических соединителей на эксплуатируемых участках (22 тонны на одной из железных дорог); существенно или полностью сокращается количество бригад по приварке соединителей; уменьшаются потери электрической энергии в зоне стыков и ее расход на тягу и последующий разгон поезда

после остановки у закрытых сигналов светофора; решается важный социальный вопрос. Экономическая эффективность применения конструкций токопроводящих рельсовых стыков за счет уменьшения затрат на их обслуживание и отсутствие стыковых соединителей составляет 1900 руб/км в год. По Куйбышевской железной дороге это составит 5 млн. руб. в год. Годовые расходы на потери энергии за счет уменьшения электрического сопротивления стыков снижаются на 658 руб/км и 612 руб/км в год соответственно на электрифицированных участках постоянного и переменного тока. Расходы на тягу поездов за счет уменьшения -основного сопротивления движению поезда при средней грузонапряженности 80 млн. т • км/км снижаются на 240 руб/км в год.

Таким образом, в диссертации решена важная и актуальная для народного хозяйства проблема разработки и создания высокоэффективных упругих элементов и конструкций токопроводящих стыков тяговых рельсовых сетей для различных видов электрифицированного транспорта, способствующих экономии электрической энергии, цветных металлов, капитальных и эксплуатационных расходов, трудовых затрат и повышению безопасности движения поездов.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ:

1. Герасимов В.Л., Григорьев В.Л., Неверов А.К. Повышена надежность зажимов электрических соединений// Электрическая и тепловозная тяга. - 1972 - № 5. - с. 18.

2. Григорьев В.Л., Герасимов В.П., Акатова В.П. Электроизмерительные клещи постоянного тока// Электрическая и тепловозная тяга. — 1973. - № 10. - с 7.

3. Григорьев В.Л. Тарельчатые пружины повышают надежность цепи автоблокировки// Путь и путевое хозяйство. - 1974. - № 2. - с. 16 - 17.

4. Григорьев В.Л. Исследование работы электротяговых соединителей на участках с повышенными тяговыми нагрузками// Материалы XVIII науч.-тех! конф. ХабИИЖТа и предприятий Дальнего Востока/ ХабИИЖТ. - 1974. - Выг 7.-с. 27-28.

5. Григорьев В.Л. Исследование тепловых характеристик электротяговых рельсовых соединителей// Тр. ВНИИЖТ. - 1975. - Вып. 531: Совершенствование устройств подвижного состава и электроснабжения железных дорог. - с. 4 -55.

6. Григорьев В.JI., Пузанков A.A. Стыки с тарельчатыми пружинами// Путь и путевое хозяйство. - 1976. - № 9. - с. 20 - 21.

7. Григорьев В.Л. Технико-экономическое обоснование площади сечения стыкового рельсового соединителя// Вестник ВНИИЖТ. - 1978. - № 5. - с. 43 -45.

8. Григорьев В.Л., Пузанков А.А.Снизить износ рельсов// Путь и путевое хозяйство. - 1978. - № 8. - с. 15.

9. Григорьев В.Л. Выбор межпоездного интервала с учетом наибольшего использования нагрузочной способности контактной подвески и стыковых соединителей// Межвуз. сб. науч. тр./УрЭМИИТ. - 1978. - Вып. 58. - с. 60 - 67.

10. Григорьев В.Л., Карпов В.Г., Киреев И.В. Результаты эксплуатационных испытаний стыков с тарельчатыми пружинами на участке Энергетик-Смышляевка// Тезисы докл. VII науч.-техн. конф. "Повышение эффективности функционирования организационных систем и технических средств на предприятиях Куйбышевской железной дороги"/ КИИТ, 1982. - с. 43 - 44.

11. Григорьев В.Л., Карпов В.Г., Пакулин А.Г. Стыковой соединитель для электрифицированных железных дорог// Тезисы докл. VIII науч.-техн. конф. "Совершенствование эксплуатационной деятельности и повышение эффективности и качества грузовых и пассажирских перевозок на Куйбышевской железной дороге'7 КИИТ, 1983. - с. 35 - 36.

12. A.C. 1011409 СССР, В 60 М 1/30. Рельсовый стыковой соединитель/ В.Л. Григорьев, А.Г. Пакулин, В.Г. Карпов; КИИТ/ СССР/. - № 2956128/27-11; За-явл. 14.07.80// Изобрет. - 1983. - № 14.

13. A.C. 541694 СССР М. Кл2 В 60 М 3/04. Устройство для электроснабжения электрифицированных железных дорог/ И.В. Павлов, A.B. Фарафонов, В.Л. Григорьев, И.С. Крюков; ВНИИЖТ/ СССР/. - № 2167382/11; Заявл. 26.05.75.// Изобрет. - 1977. 1.

14. Григорьев В.Л., Карпов В.Г., Пакулин А.Г. Снижение расхода меди и уменьшение потерь энергии в рельсовой сети системы электроснабжения// Тезисы докл. на Всесоюзной науч.-техн. конф. "Повышение эффективности использования материальных ресурсов на железнодорожном транспорта"/ Ярославль, 1983.-с. 55 -56.

15. Афанасьев В.Ф., Яхов М.С., Григорьев В.Л., Карпов В.Г., Пакулин А.Г. Тарельчатые пружины для стыков// Пути и путевое хозяйство. - 1984. - № 4. -с. 25-26.

16. Григорьев В.Л., Афанасьев В.Ф., Яхов М.С., Карпов В.Г., Пакулин А.Г. Повышение электропроводности рельсовых стыков// Автоматика, телемеханика и связь. - 1984. -№6. -с. 2-3.

17. Григорьев В.Л. Каким должен быть стыковой соединитель// Автоматика, телемеханика и связь. - 1986. - № 5. - с. 41 - 42.

18. Григорьев В.Л. Причины неудовлетворительной работы стыковых соединителей на участках постоянного тока// Тезисы докладов IX науч.-техн. конф. "Совершенствование работы железных дорог rio выполнению заданий грузовых и пассажирских перевозок и внедрение научно-технического прогресса на Куйбышевской железной дороге"/ КИИТ, 1986. - с. 64-65.

19. А.С. 1263936 СССР, Р 16 П/32. Тарельчатая пружина/ В.Л. Григорьев, А.Г. Пакулин, В.Г. Карпов; КИИТ/ СССР/. - № 3814467/25-28; Заявл. 20.11.84// Изобрет.- 1986.-№38.

20. Григорьев В.Л., Карпов В.Г., Пакулин А.Г. Повышается надежность скреплений// Путь и путевое хозяйство. - 1988. - № 7. - с. 9.

21. Григорьев В.Л., Лабунский Л.С., Жуков В.Г. Устройство для измерения сопротивления рельсовых стыков//Тезисы докл. X науч.-техн. конф. "Обеспечение нужд народного хозяйства региона в перевозках Куйбышевской железной дороги на основе внедрения научно-технического прогресса"/ КИИТ, 1988. - с. 53 - 54.

22. Григорьев В.Л. Повышение надежности рельсовых стыков// Межвуз. сб. науч. тр./ ВЗИИТ. - 1988. - Вып. 142.: Проблемы безопасности движения на железнодорожном транспорте. - с. 71 - 75.

23. Григорьев В.Л., Лабунский Л.С., Жуков В.Г. Устройство для измерения сопротивления электрических соединений тяговой системы электроснабжения// Тезисы докл. X науч.-техн. конф. "Обеспечение нужд народного хозяйства региона в перевозках Куйбышевской железной дороги на основе научно-технического прогресса"/ КИИТ, 1988.-е. 54 - 55.

24. Григорьев В.Л., Вербовик А.М. Работа рельсовых цепей с тарельчатыми пружинами// Автоматика, телемеханика и связь. - 1988. - № 9. - с. 34 - 35.

25. Григорьев В.Л., Пакулин А.Г. Результаты длительной эксплуатации стыков с тарельчатыми пружинами на Куйбышевской железной дороге// Тезисы докл. X науч.-техн. конф. "Обеспечение нужд народного хозяйства региона в перевозках Куйбышевской железной дороги на основе научно-технического прогресса"/ КИИТ, 1988. - с. 60 - 61.

26. Григорьев В.Л. Определение участков эффективного применения стыковых соединителей с использованием ЭВМ// Межвуз. сб. науч. тр./ УрЭМИИТ. -1988. - Вып. 80. - с. 128 - 134.

27. Григорьев В.Л., Пакулин А.Г., Катина Л.А. Экономическая эффективность применения тарельчатых пружин в рельсовых стыках// Тезисы докл. X науч.-техн. конф. "Обеспечение нужд народного хозяйства региона в перевозках Куйбышевской железной дороги на основе научно-техническогс прогресса"/ КИИТ, 1988. - с. 62 - 63.

28. Григорьев В.Л., Полиэктов П.А. Тензометрические исследования работы скреплений железнодорожного пути// Тезисы докл. X науч.-техн. конф. "Обес печение нужд народного хозяйства региона в перевозках Куйбышевской желез ной дороги на основе научно-технического прогресса"/ КИИТ, 1988. - с. 55 -56.

29. Григорьев В.Л., Брятова Л.И. Повышение электропроводности рельсовой сети системы электроснабжения// Тезисы докл. XXXVI науч.-техн. конф, ХабИИЖТ, 1989.-с. 230-231.

30. Григорьев В.Л. Рельсовая сеть в системе электроснабжения электрических железных дорог: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. - М.: ВЗИИТ, 1988. -68 с.

31. Григорьев В.Л. Рельсовые стыки с тарельчатыми пружинами: Учеб. по-

собие для вузов ж.-д. трансп. - Куйбышев.: СамИИТ, 1990. - 72 с.

32. Григорьев B.JI., Брятова Л.И. К вопросу повышения надежности БВ тяговых подстанций// Тезисы докл. XI науч.-техн. конф. "Повышение надежности технических средств и совершенствование технологии эксплуатационной работы на Куйбышевской железной дороге"/ КИИТ, - 1990. - с. 66 - 67.

33. Григорьев B.J1. Стабилизация электрического сопротивления рельсового стыка и потери энергии в этой зоне// Межвуз. сб. науч. тр./ КИИТ. - 1990. -Вып. 3: Улучшение электрических и механических характеристик рельсового стыка. - с. 29 - 45.

34. Чернов Г.И., Григорьев B.JL, Носов А.Н. Современное состояние вопроса и методы стабилизации механических и электрических характеристик рельсового стыка// Межвуз. сб. науч. тр./ КИИТ. - 1990. - Вып. 3: Улучшение электрических и механических характеристик рельсового стыка. - с. 4 - 6.

35. Григорьев В.Л., Брятова Л.И., Саванов С.Л. Тарельчатые шайбы в метро// Путь и путевое хозяйство. - 1991. - с. 17.

36. Григорьев В.Л. Надежность рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами// Межвуз. сб. науч. тр./ СамИИТ. - 1991. - Вып. 4: Надежность пути и сооружений. - с. 70 - 73.

37. Григорьев В.Л. Комплексная оценка использования тарельчатых пружин в железнодорожном пути и расширение области их применения// Межвуз. сб. науч. тр./ ПРНЦ AT РФ. - Саратов.: 1993. - Вып. 1: Эффективность транспорта, -с. 61-63.

38. Григорьев В.Л., Павлович Е.С. Снижение приведенных расходов в рельсовой сети системы электроснабжения// ПРНЦ AT РФ. - Саратов.: 1994. - Вып. 2: Эксплуатация транспорта в новых экономических условиях. - с. 22 - 30.

39. Григорьев В.Л., Лабунский Л.С., Сергашова H.A. Расчет и выбор типоразмеров тарельчатых пружин// Межвуз. сб. науч. тр./ СамИИТ. - 1995. - Вып. 11: Повышение надежности и эффективности пути и сооружений. - с. 15-20.

40. Григорьев В.Л. Диагностика рельсовых стыков тяговой сети системы электроснабжения: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. - Самара.: СамИИТ, 1995.-60 с.

41. Григорьев В.Л., Бажанов В.Л. Тепловой контроль контактной подвески: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. - Самара.: СамИИТ, 1994. - 80 с.

42. Григорьев В.Л. Расчет и выбор параметров элементов разрядных устройств тяговых подстанций// Межвуз. сб. науч. тр./ ПРНЦ AT РФ. - 1995. -Вып. 3: Эффективность эксплуатации транспорта. - с. 93 -99.

43.1 ригорьев В.Л., Тимошина Ю.В. Экономия электрической энергии и цветных металлов в рельсовой сети системы тягового электроснабжения// Материалы 2-ой Международной науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта"/ МГУГ1С, 1996.

44. Григорьев В.Л., Тимошина Ю.В. Экономия расходов на тягу поездов при использовании тарельчатых пружин в рельсовых стыках// Материалы межвуз. науч.-техн. конф. с международным участием "Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований"/СамИИТ, 1996.-с. 75.

45. Григорьев B.JT., Чистяков С.Н. Повышение электропроводности рельсовых стыков трамвайного пути// Материалы межвуз. науч.-техн. конф. с международным участием "Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований"/ СамИИТ, 1996. -с. 65-67.

46. Григорьев В.Л., Чистяков С.Н. Расчет тарельчатых пружин для рельсовых стыков трамвайного пути// Межвуз. сб. науч. тр./ СамИИТ. - 1997. - Вып. 12: Взаимодействие института и предприятий транспорта в области подготовки специалистов и научных исследований. - с. 145 - 148.

47. Григорьев В.Л., Санникова Л.А. Снижение потерь и расхода энергии в системе электроснабжения промышленного транспорта// Тезисы докл. науч.-техн. конф. "Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока"/ ДВГУПС, 1997. - с. 154 - 155.

48. Григорьев В.Л., Санникова Л.А. Выбор перспективного направления по повышению электропроводности рельсовых стыков системы тягового электроснабжения// Тезисы докл. 3-ей межвуз. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта"/ РГОТУПС, 1998. -с. 69-71.

49. Григорьев В.Л., Папин А.Н., Яковлев В.Н., Лабунский Л.С. Методы и устройства диагностики электрических соединений// Тезисы докл. 3-ей межвуз. науч.-метод. конф. "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта"/ РГОТУПС, 1998.-е. 61 - 62.

50. Григорьев В.Л. Расчет зависимостей нагрузки тарельчатой пружины при отклонениях ее геометрических размеров// Материалы межвуз. науч.-техн. конф. "Опыт взаимодействия вузов и железных дорог в научно-техническом прогрессе и подготовке специалистов"/ СамИИТ, 1998. - С. 74 - 76.

51. Григорьев В.Л. Повышение безопасности движения поездов на железных дорогах электрифицированного транспорта// Тр. 1-ой международной науч.-техн. конф. "Безопасность транспортных систем"/ - Самара.: 1998. - с. 29 -30.

52. Григорьев В.Л. Токопроводящие рельсовые стыки для электрифицированных железных дорог Югославии// Зборник радова пета мебународна научна конференщуа железничких стручнака: Yugoslavia, Vrhjacka Banja, October 28 -30, 1998.-е. 89-90.

53. Григорьев В.Л., Лабунский Л.С. Оптимизация конструкций рельсовых стыков электрифицированного транспорта// Тезисы докл. международной науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы развития транспортных систем", Республика Беларусь, Гомель, БелГУТ.

54. Григорьев В.Л. Разрядное устройство УРД-1/ Информационная карта о научно-техническом достижении № 7-80: ЦНИИТЭИ МПС. - 1980. -4с.

55. Григорьев В.Л. Рельсовый стыковой соединитель/ Информационная карта о научно-техническом достижении № 55-88: Объединение по руководству науч.-техн. инф. и пропагандой в РСФСР при государственном комитете СССР по науке и технике. - Куйбышев.: ЦНТИ, 1988. - 2 с.

56. Лабунский Л.С., Григорьев В.Л. Прибор для измерения сопротивления

окопроводящих рельсовых стыков/ Информационная карта о научно-ехническом достижении № 521-88: Объединение по руководству науч.-техн. :нф. и пропагандой в РСФСР при государственном комитете СССР по науке и ехнике. - Куйбышев.: ЦНТИ, 1988. - 2 с.

57. Пакулин А.Г., Григорьев В.Л. Динамометрический ключ для путейских абот/ Информационная карта о научно-техническом достижении № 36-89: )бъединение по руководству науч.-техн. инф. и пропагандой в РСФСР при го-ударственном комитете СССР по науке и технике. - Куйбышев.: ЦНТИ, 1989. 2 с.

58.Григорьев В.Л. Рельсовый стык с тарельчатыми пружинами/ Информационная карта о научно-техническом достижении № 220-90: Объединение по ¡уководству науч.-техн. инф. и пропагандой в РСФСР при государственном омитете СССР по науке и технике. - Куйбышев.: ЦНТИ, 1990. - 2 с.

59. Григорьев В.Л. Электроизмерительные клещи постоянного тока ИКП-М/ Информационная карта о научно-техническом достижении № 30-81 НТД: )бъединение по руководству науч.-техн. инф. и пропагандой в РСФСР. - Куйбышев.: 1981.-2 с.

60. Григорьев В.Л. Область применения тарельчатых пружин в рельсовых тыках и методика их расчета// Межвуз. сб. науч. тр./ ДВГУПС. - 1999. "Во-|росы повышения эффективности и надежности систем электроснабжения". - с. 5-28.

61. Григорьев В.Л. Теория расчета тарельчатых пружин с учетом остаточ-:ых и равных напряжениях растяжения// Материалы международной науч,-ехн. конф. "Проблемы транспортного строительства и транспорта", Саратов, ТТУ, 1997.-т. 4.-с. 47-53.

62. Григорьев В.Л. Выбор конфигурации рельсовых стыков на основе тео-'ии конформных отображений// Материалы международной науч.-техн. конф. Проблемы транспортного строительства и транспорта", Саратов, СГТУ, 1997. •т. 4. - с. 17-21.

63. Григорьев В.Л.. Метод расчета рельсовой петли на участках с электри-еской тягой// Материалы международной науч.-техн. конф. "Проблемы транс-юртного строительства и транспорта", Саратов, СГТУ, 1997. - т. 4. - с. 41 - 47.

64. Григорьев В.Л. Обеспечение надежности работы рельсовой сети трамвая конструкциями стыков с тарельчатыми пружинами// Материалы международ-

гай науч.-техн. конф. "Надежность и качество в промышленности, энергетике и [а транспорте", Самара, СГТУ, 1999. - с. 222 - 223.

65. Григорьев В.Л. Конструкции рельсовых стыков с тарельчатыми пружи-|ами// Железнодорожный транспорт. - 1999. - № 8. - с. 46 - 49.

Григорьев Василий Лазаревич

РЕЛЬСОВЫЕ СЕТИ СИСТЕМ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

05.22.09 — Электрификация железнодорожного транспорта

Подписано к печати /■£, /О, 9Р,

Объем ^ 0 печ. листов ) Формат бумаги 60x90 1/16

Заказ № 2027, Тиражей экз.

Типография МИИТ, 101475, ГСП, г. Москва, А-55, ул. Образцова, 15.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЛЬСОВЫХ СЕТЕЙ ТЯГОВОГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В МЕСТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ.

1.1. Рельсовая сеть в системе тягового электроснабжения.

1.2. Обзор и анализ методов повышения электропроводности рельсовых стыков.

1.3. Механические и электрические параметры рельсовых стыков, расчетные схемы стыков для различных видов электрифицированного рельсового транспорта.

1.4. Разработка метода расчета переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков.

1.5. Исследование зависимостей переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков от величины нажатия и состояния поверхностей контактирования накладок и рельсов.

Выводы по первой главе.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ РЕЛЬСОВЫХ СЕТЕЙ.

2.1. Современное состояние вопроса.

2.2. Исследование тепловых процессов в электрических соединениях рельсовой сети.

2.3. Тепловой расчет электрических соединений в местах установки дроссель-трансформаторов.

2.4. Тепловой расчет стыковых электрических соединителей.

2.5. Результаты тепловых стендовых испытаний электрических соединителей.

2.6. Технические мероприятия, уменьшающие вероятность превышения температуры электрических соединителей рельсовой сети в аварийных режимах работы системы тягового электроснабжения магистральных железных дорог.

Выводы по второй главе.

3. ОБОБЩЕННЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ.

3.1. Характеристики и параметры тарельчатых пружин, определяющие возможность их применения в качестве средства стабилизации нажатия накладок к рельсам.

3.2. Обзор и анализ методов расчета тарельчатых пружин.

3.3. Анализ влияния конструктивных параметров тарельчатых пружин на их характеристики.

3.4. Разработка нового метода расчета тарельчатых пружин с наибольшей удельной потенциальной энергией деформации.

Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ.

4.1. Исходные предпосылки.

4.2. Факторы, определяющие изменение механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков.

4.3. Исследование особенностей изменения механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков при ударных воздействиях.

4.4. Статистические характеристики токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по четвертой главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ

СТЫКОВ.

5.1. Исследование токопроводящих рельсовых стыков с целью определения диагностических параметров, оценивающих их состояние.

5.2. Показатели надежности, определяющие состояние токопроводящих рельсовых стыков.

5.3. Теоретические исследования моделей надежности токопроводящих рельсовых стыков.

5.4. Определение показателей надежности токопроводящих рельсовых стыков статистико-корреляционным методом.

5.5. Разработка методов и устройств диагностики для контроля электропроводного состояния рельсовых стыков.

Выводы по пятой главе.

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ КОМПЛЕКСНО УДОВЛЕТВОРЯЮЩИХ РАБОТЕ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ПУТИ, СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

6.1. Требования к токопроводящим рельсовым стыкам.

6.2. Разработка средства стабилизации механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков.

6.3. Разработка рациональных конструкций токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по шестой главе.

7. РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ

ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ стыков с ТАРЕЛЬЧАТЫМИ ПРУЖИНАМИ.

7.1. Анализ работы рельсовой сети системы тягового электроснабжения и железнодорожного пути на полигоне с конструкциями рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

7.1.1. Магистральные железные дороги.

7.1.2. Трамвай.

7.1.3. Промышленный железнодорожный транспорт.

7.1.4. Метрополитен.

7.2. Анализ работы системы регулирования движением поездов (СЦБ) на полигоне пути с конструкциями рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по седьмой главе.

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ С ТАРЕЛЬЧАТЫМИ ПРУЖИНАМИ.

8.1. Принципы комплексной оценки эффективности применения конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

8.2. Разработка методики расчета потерь электрической энергии в зоне рельсовых стыков.

8.2.1. Магистральные железные дороги.

8.2.2. Трамвай.

8.3. Определение зависимости расхода электрической энергии на тягу поездов от состояния рельсовых стыков.

8.4. Расчет экономической эффективности применения конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами на звеньевом пути магистральных железных дорог.

Выводы по восьмой главе.

На современном этапе строительства и эксплуатации электрифицированного транспорта наиболее остро стоит проблема экономии цветных металлов и электрической энергии. Задача рационального использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве как в России, так и за рубежом относится к числу наиболее острых и актуальных. Указом президента России № 472 от 07 мая 1995г. приняты "Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010г.". В целом программа направлена на перевод экономики России с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития [129]. На это направлено Постановление Коллегии МПС РФ № 35 от 21-23 декабря 1994г. Указанием МПС от 12 января 1995г. № Н-100у на первое место выдвигаются вопросы внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий. К важнейшей составляющей этого вопроса можно отнести мероприятия, и в частности в рельсовой сети, по снижению расходов цветных металлов, потерь, расхода электрической энергии, а также ее рационального использования в системах тягового электроснабжения.

На это направлены Постановление Правительства Российской Федерации от 02 ноября 1995г. № 1087 "О неотложных мерах по энергосбережению" и Указание МПС от 09 декабря 1995г. № А-938у, а также Федеральный закон Российской Федерации "Об энергосбережении", принятый Государственной Думой 13 марта 1996г. и Указание МПС от 04 апреля 1996г. № 131 пр-у. Это говорит о серьезном внимании государства к рассматриваемым вопросам. Согласно этим документам МПС в рамках программы "Экономия" необходимо утвердить нормативы сбережения энергоресурсов и цветных металлов.

Основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта до 2000г. и на перспективу до 2010г. является всемерное энерго8 сбережение цветных металлов с одновременным повышением эффективности потребления этих ресурсов [88]. Одними из основных направлений являются следующие:

- продолжение работ по стабилизации уровня сопротивления движению поездов. С этой целью необходимо разработать конструкции рельсовых стыков с меньшими просадками при следовании подвижного состава в этой зоне;

- разработка энергосберегающей системы тягового электроснабжения.

По данным Департамента электрификации и электроснабжения МПС РФ потери электрической энергии в сетях тягового электроснабжения за последние 10 лет изменились в пределах 13,87-19 % от принятой энергии по счетчикам тяговых подстанций. Динамика изменения удельных энергозатрат на тягу кВт•ч ^ поездов по годам составила —- : 1988-122,6; 1989-122,9; 1990

10тыс.ткм/км )

124,3; 1991-127,8; 1992-130,6; 1993-135,1; 1994-140,2; 1995-138,6. Потребление электрической энергии на тягу поездов в 1997г. составило - 24005,4 млн.кВт-ч. В структуре электропотребления железнодорожного транспорта удельный вес электротяги составляет 77,4 %, железнодорожных узлов - 21,4 %. В среднем по сети железных дорог России в 1997г. в грузовом движении для перевозки 1 тонны груза на 100 км потреблено 0,989 кВт - ч. Средний тариф на электроэнергию для тяги по России составил 300,4 руб./кВт • ч. Средняя грузонапряженность линий с электрической тягой составляет 21,5 кВт • ч млн.т.км/км . Удельный расход энергии на тягу 134 Средне

10тыс.т.км/км годовое удельное электропотребление на 1 км эксплуатационной длины главен тыс.кВт • ч ных путей в однопутном начислении - 340 --. В 1997г. электропокм требление на тягу поездов составило 27 млрд.кВт • ч. В 1997г. электрифицировано: на постоянном токе 62,7 км, на переменном токе - 379,3 км. Электрифицировано линий от общей протяженности железных дорог 45,6 %. 9

Ускорение общественного производства всегда и неизбежно связано с развитием транспортных систем различных уровней. Важная роль уделяется железнодорожному транспорту как одной из ключевых отраслей экономики, а его электрификация - основное направление применения наиболее прогрессивных видов тяги. Общая протяженность электрифицированных железных дорог России составляет 39732 км [84], в том числе переменного тока 25 кВ, 50 Гц - 20600 км.

Получает большое признание применение электрической тяги и в городском пассажирском транспорте. Имеется программа строительства метрополитенов в городах страны, рассчитанная на ближайшие годы. В настоящее время метрополитены функционируют в 6 городах страны: в Москве 157 станций, длина 261,4 км; в Санкт-Петербурге 54 станции, длина 91,75 км; в Нижнем Новгороде 12 станций, длина 14 км; в Новосибирске 10 станций, длина 12 км; в Екатеринбурге 5 станций, длина 7,45 км и в Самаре 7 станций, длина 7,9 км, общая протяженность линий которых составляет 394,5 км.

В 1880г. русский ученый Ф.А. Пироцкий в Петербурге продемонстрировал работу электрифицированного вагона конной железной дороги. В 1892г. открылось трамвайное движение в Киеве, а в 1896г. - в Нижнем Новгороде. В Москве первая трамвайная линия открылась в 1899г. от Страстной площади до Бутырской заставы, а в Санкт-Петербурге - в 1907г. [11]. Первый трамвай пущен в Германии в 1881г.

Во многих странах мирового сообщества получает заслуженное признание трамвай. Многие годы, считающийся бесперспективным трамвай поистине приобретает второе рождение. Развиваются скоростные линии, имеющие удлиненные составы, в зонах городской застройки получает частично подземная прокладка линий. Таким образом создается разновидность городского электротранспорта, промежуточная между трамваем и метрополитеном, получившая название метротрам. Эти линии в России функционируют в городах Волгограде и Воронеже, на Украине в Киеве. Трамвай имеется во всех

10 крупных городах страны (110 - СНГ), а общая протяженность трамвайных линий составляет более 10 тыс. км, РФ - 70 городов, 6,6 тыс. км. Трамвай получает заслуженное признание из-за того, что это экологически чистый вид городского наземного электротранспорта.

Из всех видов общественного городского транспорта трамвай - самый старый. Ежегодно городской транспорт перевозит свыше 50 миллиардов пассажиров, большая часть которых (47 %) приходится на трамвай [13]. Трамвай незаменим на окраинах городов, в районах новостроек, загородных линиях, он позволяет лучше справиться с потоком пассажиров. Если автобус за час перевозит в одном направлении 3^7 тыс., то скоростной двухвагонный трамвай - до 15 тыс. Для того, чтобы перевести за час 50 тыс. пассажиров в обоих направлениях легковыми автомобилями, потребовалось бы увеличить ширину проезжей части до 210 м., автобусами - до 35 м., трамваем - до 9 м. Скоростные линии трамвая действуют как в городах России, так и в городах СНГ. В Саратове значительно выросла скорость движения - за час трамвай перевозит в одном направлении свыше 10 тыс. пассажиров, себестоимость перевозок снизилась вдвое. Такие скоростные линии ныне действуют в Киеве, Риге, Перьми и других городах. Затраты на содержание таких линий полностью себя оправдывают. Скоростная линия трамвая предусматривает железнодорожный путь без выбоин, особенно в зоне стыков, что и является серьезной проблемой. Из-за неудовлетворительного состояния пути ускоренно изнашивается подвижной состав, что в свою очередь является причиной быстрого расстройства пути, особенно в зоне рельсовых стыков. В настоящее время в Санкт-Петербурге - городе, где самые большие в мире трамвайные перевозки, пятая часть пути пришла в аварийное состояние. Еще в более неудовлетворительном состоянии находятся пути в Самаре, Екатеринбурге, Казани, Астрахани, а также в Риге, Киеве, Минске и Москве.

Проблема развития и совершенствования трамвая неоднократно обсуж

11 далось на страницах периодической печати [14,1], но до настоящего времени отсутствует всесторонне разработанная и скоординированная программа со стороны заинтересованных министерств и ведомств.

Объем перевозок пассажиров этим видом транспорта в некоторых городах достигает 60 % перевозок наземным транспортом. В четырех городах России эксплуатируется 130 км скоростных участков с повышенными требованиями к эксплуатации.

Получает признание трамвай и в большинстве стран мира. В качестве примера можно привести Англию [115]. Широкое признание трамвая заключается в высокой экологичности, возможности реализовать большие тяговые усилия на единицу подвижного состава, и как уже указывалось, в отсутствии экологического воздействия на окружающую среду.

Большое распространение получила электрическая тяга в промышленном, карьерном и рудничном транспортах. На одном из крупных металлургических комбинатов России при общей протяженности внутризаводских линий 800 км более 600 электрифицировано.

Развитие и эксплуатация всех видов электрифицированного транспорта, выдвигает проблему экономии цветных металлов при сооружении рельсовых сетей, расхода электрической энергии для целей тяги, снижения потерь энергии в ряд неотложных задач. С 1932г. и до настоящего времени в периодической печати, в научных трудах научно-исследовательских институтов, в межвузовских сборниках научных трудов в руководящих документах различных ведомств, остро обсуждается проблема повышения электрических и механических характеристик токопроводящего рельсового стыка. Это связано с тем, что помимо основного своего назначения (направляющие для перемещения подвижного состава) рельсы служат:

- в системах тягового электроснабжения - обратным проводом (фазой) системы, заземляющей магистралью для заземления устройств тягового электроснабжения, естественным заземлителем для грозозащиты этих устройств;

12

- в системе регулирования движением поездов (СЦБ) каналом контроля свободности и занятости пути подвижным составом, а также контроля исправности пути;

- рельсовый токопроводящий стык является неотъемлемой частью рельсовой сети и от его состояния в целом зависит пропускная способность электрифицированного транспорта.

Именно в плане комплексного решения проблемы конструкции рельсового токопроводящего стыка, удовлетворяющего требованиям этих систем, и проводились теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и составили основное содержание диссертационной работы.

Отечественная наука по теории рельсовой сети системы тягового электроснабжения, основоположниками которой являлись Ф.А. Пироцкий, Б.Г. Лорткипанидзе, И.В. Стрижевский, К.Г. Марквардт, Л.Т. Тавдгиридзе, получила свое развитие по ее частным аспектам: во ВНИИЖТе (A.B. Котельников, A.B. Наумов, A.B. Кузнецов, И.М. Ершов, В.И. Иванова, Р.Н. Карякин, А.Н. Глонти, Г.И. Гатилова и др.), Уральском отделении ВНИИЖТа (М.М. Кирилов, Л.В. Оводков, В.И. Бушуев), ДИИТе (Д.Б. Ломазов, В.А. Дьяков, М.А. Фришман, А.Б. Демиденко), МГУПСе (Н.Г. Сергеев, P.P. Мамошин, Б.И. Косарев, В.Н. Пупынин, А.И. Гуков, В.И. Литовченко), РГОТУПСе (Г.Г. Марквардт, М.В. Тарнижевский), ПГУПСе (Э.П. Селедцов), метрополитенах (И.Ф. Марков, Е.А. Власов), трамвае (В.Б. Голубицкая), АКХ России (Д.К. Томлянович, В.И. Дмитриев);

- рельсовые пути, в частности по взаимодействию пути и подвижного состава: М.Ф. Вериго, В.Н. Данилов, В.Я. Шульга, В.Ф. Барабошин, В.Ф. Афанасьев, М.С. Яхов, A.M. Годыцкий-Цвирко, Г.Е. Андреев, Г.М. Шахунянц, C.B. Амелин, В.И. Ангелейко, В.Г. Альбрехт, А.Ф. Золотарский.

Однако отсутствие комплексного подхода к проблеме токопроводящего рельсового стыка, неучет многих эксплуатационных факторов, выдвигаемых как со стороны самого пути, так и систем тягового электроснабжения и регулирования движением поездов, не позволили сделать заключение об исчер

13 пывающем решении этой проблемы. Это явилось основанием широкой программы исследований в этом направлении, развернутой во ВНИИЖТе, а затем в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта и выполненной под руководством и при непосредственном участии автора диссертации.

Исследования проводились применительно к магистральным железным дорогам, метрополитенам, трамваям и промышленному транспорту; однако однотипность построения тяговых рельсовых сетей, идентичность применения электрических и механических характеристик, аналогичность конструкций рельсовых стыков, позволяют результаты выполненных исследований использовать и для карьерного и рудничного транспорта.

Целью настоящей работы является комплексная разработка на основе обобщения результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований эффективных конструкций токопроводящих рельсовых стыков, сохраняющих стабильно свои характеристики в условиях интенсивного воздействия динамических усилий и окружающей среды.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

- анализ существующих методов повышения электропроводности рельсовых стыков с различными типами стыковых соединителей и другими способами;

- выбор, обоснование и разработка новых математических моделей для обобщенного анализа факторов, определяющих величину электрического переходного сопротивления стыков;

- оценка применяемых способов сохранения монтажных усилий натяжения болтовых соединений стыков и разработка более эффективных упругих элементов для создания нормативного нажатия накладок к рельсам;

- разработка нового метода расчета тарельчатых пружин для токопроводящих рельсовых стыков, сохраняющих стабильно свои нагрузочные характеристики при длительном напряженном состоянии и циклических воздействи

14 ях динамических усилий;

- исследование тепловых процессов в электрических соединениях рельсовой цепи и обеспечение их термической устойчивости при различных циклах тяговой нагрузки;

- исследования по развитию методов диагностики и контроля электрического переходного сопротивления рельсовых стыков; разработка аппаратуры диагностики состояния стыка и его элементов по электропроводности;

- исследование процесса взаимодействия пути и подвижного состава в зоне стыков на величину переходного сопротивления между контактирующими поверхностями;

- комплексная оценка эффективности конструкции рельсовых токопроводя-щих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами в болтовых соединениях.

В результате решения этих задач:

- предложены и обоснованы расчетные схемы и математические модели, с помощью которых можно проводить теоретические исследования состояния токопроводящих рельсовых стыков; тепловых процессов в элементах рельсовой сети; расчета и выбора геометрических размеров тарельчатых пружин для болтовых соединений; оценки влияния динамических воздействий подвижного состава на электрические и механические характеристики стыка.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили найти технические решения, исключающие дальнейшую приварку в зоне стыка дефицитных медных соединителей и соединителей других типов; существенно снижающие потери электрической энергии в зоне стыка; уменьшающие расход электрической энергии на тягу поездов; практически исключающие отказы в работе системы регулирования движением поездов и следовательно задержки поездов; длительно сохраняющие электрические и механические характеристики стыков без периодического обслуживания. Применение современной диагностики и контроля состояния стыка позволяют поддерживать их характеристики в пределах нормативных значений.

Учитывая сложность и комплексность решения рассматриваемых задач,

15 многие из них решались экспериментальным путем с помощью регистрирующей аппаратуры.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обеспечивались системностью подхода к методам и технологии проведения исследований, применением новых методов экспериментальных и теоретических исследований с широким применением ПЭВМ, использованием современных представлений фундаментальных наук по теории электрического контакта, проверкой научных выводов в реальных условиях эксплуатации, а также подтверждается использованием сформулированных автором рекомендаций в практической деятельности железных дорог, метрополитенов, трамвая, промышленного транспорта и полученным при этом значительным экономическим эффектом.

На основе проведенных исследований под руководством автора и при его непосредственном участии разработаны конструкции токопроводящих рельсовых стыков для железных дорог, метрополитенов, промышленного транспорта и отдельно для стыков трамвайных рельсов. Результаты работы вошли в следующие нормативные документы в системе МПС:

- Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог: Утв. МПС РФ 12.07.93. - М.: Транспорт, 1994.- 118 е.;

- Технические указания № ЦЭТ-2 "О модернизации разрядного устройства с насыщающимся дросселем УРД-1: Утв. ЦЭ МПС 18.07.95. - М.: Транспорт, 1996.-е. 114-117;

- Приказ МПС № 27/ц от 05.06.86г. "О повышении надежности работы и улучшении содержания электрических рельсовых цепей";

- Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. - М.: Транспорт, 1998.

- Технические указания по применению тарельчатых пружин № ЦШЦ-5/ЦПТ-77/1 от 23.01.97г.

Предложенные в диссертации конструкции рельсовых стыков с упругими

16 элементами - тарельчатыми пружинами широко применяются и эксплуатируются на всех железных дорогах России и Ближнего зарубежья. Выпуск тарельчатых пружин освоен промышленностью в 1980г. Разработанное в диссертации разрядное устройство УРД-1 получило широкое внедрение на тяговых подстанциях постоянного тока. Выпуск освоен ЭМАСТ Куйбышевской и других железных дорог. Техническая документация на изготовление имеется на всех железных дорогах России. На Московском метрополитене, Куйбышевской и Южно-Уральской железных дорогах внедрены приборы для измерения переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков. Промышленностью выпущена партия электроизмерительных клещей постоянного тока ИКП-1, а техническая документация на изготовление модернизированных клещей ИКП-1 М затребована и отправлена в 12 различных организаций стран СНГ и Балтики.

Выполненные исследования позволят и в дальнейшем находить научно-обоснованные решения при разработке новых и модернизации эксплуатируемых устройств.

17