автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование систем автоматического регулирования нажатия токоприемников скоростного электроподвижного состава

На правах рукописи 005020001

ЛАРЬКИН Иван Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВ.ШИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 20Т2

ОМСК-2012

005020001

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

СИДОРОВ Олег Алексеевич;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ХАРЛАМОВ Виктор Васильевич

профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС;

кандидат технических наук, доцент РУППЕЛЬ Алексей Александрович

заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов и электротехника», СибАДИ.

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 20 апреля 2012 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 19 марта 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, _

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В соответствии со стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г. в настоящее время необходимо решать задачи по созданию скоростного и высокоскоростного движения. При реализации высоких скоростей движения особенно актуальной во всем мире остается проблема обеспечения надежного и качественного токосъема, одним из перспективных решений которой является применение систем автоматического регулирования (САР) нажатия токоприемников.

Настоящая работа посвящена разработке и совершенствованию САР нажатия токоприемников, позволяющих снизить износ контактирующих элементов за счет поддержания нажатия в заданном диапазоне, предотвращения искрения и дугообразования в контакте и, как следствие, исключения пережогов и отжигов контактных проводов.

Цель диссертационной работы - повышение качества токосъема путем снижения коэффициента искрения токоприемников скоростного электроподвижного состава (ЭПС) за счет совершенствования САР нажатия.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) выполнить анализ существующих САР нажатия и методов регистрации искрения токоприемников;

2) разработать математическую модель САР нажатия токоприемника с позиционным регулятором, датчиками искрения и скорости;

3) усовершенствовать методику расчета взаимодействия авторегулируемо-го токоприемника с контактной подвеской с учетом отрывов полоза от контактного провода;

4) реализовать САР нажатия токоприемника, основанную на применении позиционного регулятора, датчиков искрения и скорости;

5) создать методику экспериментальных исследований авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости;

6) выполнить оценку возможности применения САР нажатия с регулятором нечеткой логики;

7) оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технических решений.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены на основе методов математического моделирования на ПЭВМ с использованием программ БоИсЬтогкз и МаЙаЬ, теории автоматического управления, теории планирования эксперимента, статистического и корреляционного анализа. Экс-

3

периментальные исследования проводились на лабораторных установках и действующих участках магистральных железных дорог.

Научная новизпа работы заключается в следующем:

1) разработана математическая модель САР нажатия токоприемника с датчиками искрения и скорости, учитывающая влияние закона управления на показатели качества работы системы;

2) усовершенствована методика расчета взаимодействия авторегулируе-мого токоприемника с контактной подвеской, учитывающая отрывы полоза от контактного провода;

3) создана методика лабораторных испытаний авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 7 %.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) разработанная САР нажатия токоприемника, основанная на применении датчиков искрения и скорости, позволяет повысить качество токосъема за счет снижения коэффициента искрения токоприемника в 2,5 раза;

2) усовершенствованная математическая модель взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской позволяет определить рациональные параметры САР нажатия токоприемника для различных условий эксплуатации;

3) разработанная методика лабораторных испытаний авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости, обеспечивает оперативную настройку параметров системы, оценку работоспособности и эффективности применения САР нажатия.

Реализация результатов работы. Разработанная САР нажатия внедрена в ЗАО «Универсал — контактные сети» в техническом проекте токоприемника в рамках темы «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемой при поддержке Минобрнауки России.

Личный вклад соискателя. Разработка и исследование вариантов САР нажатия скоростного токоприемника выполнены на основе предложенных автором методов. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI международном симпозиуме «Элтранс» (Санкт-Петербург, 2011); на X и XI международных научно-практических конференциях «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2010, 2011); на IV международной научно-практической конференции «Трансэлектро-2010» (Днепропетровск, 2010); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009); на II межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2011); на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа в 2007-2012 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в семнадцати печатных работах, которые включают в себя семь статей и семь тезисов докладов, получено три патента РФ на полезные модели. Три статьи [1-3] опубликованы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 125 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 12 таблиц и 105 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается состояние проблемы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследования и намечаются пути их решения.

В первом разделе выполнен анализ известных САР нажатия токоприемников ЭПС, на основании которого основным их недостатком признана неспособность реагировать на искрение в контакте, что является наиболее опасным режимом токосъема.

Нарушение контакта между токоприемником и контактным проводом сопровождается возникновением электрической дуги, которая приводит к повышенному износу контактных элементов, появлению сильных электромагнитных помех, отжигам и пережогам контактных проводов.

Анализ устройств и методов регистрации искрения токоприемников показал перспективность развития бесконтактных дистанционных средств измерения, принцип действия которых основан на регистрации ультрафиолетового (УФ) излучения.

Во втором разделе рассмотрены особенности работы позиционного регулятора, пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора и регулятора нечеткой логики в составе САР нажатия токоприемника. Для решения поставленных задач выбран надежный, обладающий невысокой стоимостью и не требующий установки датчика нажатия позиционный регулятор. Выбор измерительной части САР нажатия основывается на результатах испытаний устройств токосъема на линии Москва - Санкт-Петербург, которые показали, что датчики нажатия обладают инерционностью и не позволяют регистрировать микроотрывы, сопровождающиеся интенсивным искрением. При этом резкое увеличение интенсивности искрения и среднеквадратичного отклонения (СКО) контактного нажатия происходит при скорости движения свыше 160 км/ч.

Для исключения описанных негативных последствий и обеспечения более качественного токосъема предлагается САР нажатия с позиционным регулятором, датчиками искрения и скорости (рис. I).

Токоприемник 1 оснащен пвевмо-приводом 2, выполненным в виде рези-нокордного элемента (РКЭ). Полость РКЭ соединена с источником сжатого воздуха (ИСВ) посредством двух магистралей, одна из которых подает воздух, сжатый до рабочего давления Рном, через электропневматический распредел итель ЭПР 1, а другая предназначена для увеличения давления в РКЭ до 1,4 Рном через ЭПР 2. Распределитель ЭПР 3 предназначен для сброса сжатого воздаоса из РКЭ в атмосферу и опускания токоприемника. Блок управления (БУ) обрабатывает сигналы от датчика искрения 3 и датчика скорости (ДС) и формирует управляющее воздействие на один из ЭПР.

Предложен способ регулирования нажатия по сигналам датчиков скорости и искрения, основанный на двухпозиционном законе управления (рис. 2). При скорости движения до 160 км/ч БУ вычисляет коэффициент искрения:

ки=:Ж.100%, (1)

где суммарное время искрения за период обработки данных 1

Рис. 1. Схема САР нажатия токоприемника

При увеличении ки до установленного значения БУ увеличивает нажатие токоприемника. Для исключения автоколебательного режима после переключения установлена выдержка времени, равная времени регулирования САР. При скорости свыше 160 км/ч токоприемник движется с повышенным нажатием и датчик искрения не участвует в работе САР.

Для определения влияния САР Рис. 2. Принцип действия САР нажа-нажатия на качество токосъема состав- тия с позиционным регулятором лена математическая модель взаимодействия авторехулируемого токоприемника с контактной подвеской, учитывающая отрывы полоза от контактного провода, расчетные схемы которой приведены на рис. 3.

Исследование взаимодействия токоприемника с контактной подвеской проводили ученые И. И. Власов, К. Г. Марквардг, А. В. Плакс, В. А. Ан,

A. В. Фрайфельд, В. П. Михеев, С. Н. Ковалев, Т. А. Тибилов, И. А. Беляев,

B. А. Вологин, А. В. Ефимов, А. Г. Галкин, О. А. Сидоров, В. М. Павлов, В. А. Нехаев, А. Н. Смердин, А. Н. Горбань, Р. Ниблер, Н. Сибата и др.

На рис. 3 приняты следующие обозначения: жКЛ1 - жесткость контактной подвески; гкп - коэффициент вязкого трения контактной подвески; тк.п -масса контактной подвески, сосредоточенная над полозом; жк - контактная жесткость; гк -коэффициент вяз-

а

б

Рис. 3. Расчетные схемы взаимодействия авторегулируе-

мого токоприемника с контактной подвеской: а - при контакте между полозом и контактным проводом, б - при отрыве полоза от контактного провода

кого трения контакта; т„ - приведенная масса полоза; лу^ - сила сухого трения

каретки; жпр - жесткость каретки; г,, - коэффициент вязкого трения каретки; тр - приведенная масса системы подвижных рам; гр — коэффициент вязкого трения системы подвижных рам; \ур - сила сухого трения в системе подвижных рам; Рр - статическое нажатие токоприемника; Ру,, - управляющее воздействие; Рв.р и Рв.п - аэродинамические силы, воздействующие на систему подвижных рам и полоз токоприемника; уосн - координата основания токоприемника в вертикальном направлении; ур - высотное положение рамы токоприемника; у„ - высотное положение полоза токоприемника; ук - координата точки контакта; у„.п- координата контактной подвески.

Анализ трудов зарубежных и отечественных ученых по расчетам взаимодействия токоприемника с контактной подвеской позволил выделить два основных алгоритма расчета контактного нажатия и учета отрывов токоприемника: методы множителей Лагранжа и штрафных функций. Особенностью метода штрафных функций является использование дополнительных переменных Жк и гк, характеризующих пару контактирующих тел. Нарушению условия непроникновения соответствует положительная энергия, пропорциональная штрафным множителям.

В процессе моделирования с помощью метода штрафных функций был реализован алгоритм, описывающий контакт между полозом токоприемника и контактным проводом и позволяющий учесть отрывы токоприемника:

р = |жк(Уп-Ук.п) + гк(Уп-Ук.п).еслрУк = Ук.п; (2)

{0,еслиук*укп.

Для расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской использованы уравнения Лагранжа второго рода. При ук == укп дифференциальные уравнения движения рамы, полоза токоприемника и контактной подвески имеют вид:

Щр (у„ + У^)■+ ж, (ур - у„) + ^(ур -у„) + гр(ур - у„„) +

-Уос»)] + ™>[\(ур-уи)] = Р., +Рр + Р„;

■ тл(Уп +Уом) + Гк(Ул ~У.ш) + Ж* (Ул ~У|я)+ (3)

+,№пр^[ьир (у„ - Ур)]+(уп - ур) + ж,,, (у„ - ур) = Р,,,;

т,„ (у„ + У„с„) + г,пУ,, + ж,пУкл - Ж, (у, - у,л) - гк (уп - ум) = О,

где Ьр и Ь„р - коэффициенты, используемые для определения сил сухого трения рам и каретки токоприемника, с/м.

При ук Ф ук п токоприемник и контактная подвеска рассмотрены как от-

8

дельные системы, дифференциальные уравнения движения которых имеют вид:

Ч (Ур + Уоси) + ж , (ур - уп) + гпр (ур - у„) +гр (ур - у„) + < "^р^Ч (ур -У(ет)] + ^^[Ьщ, (ур - Уп)] = Р,.р + Рр + Рул!

т„(у„+ует)+гир(уп _ур)+жпр(уп _Ур)+^Р1ь[ьпр(уп -Ур)]=р,.„;

,тк.пУк.п + Гк.ггУк.п + Жк.пУк.п = О-

Управляющее воздействие моделируется в виде релейного элемента, выходное значение которого зависит от коэффициента отрывов токоприемника к<, и скорости движения V:

[О при к < к а V < V ;

Р = і (5)

[0,4Рр при к0 > ко уст V V > ууст.

Для учета влияния вертикальных колебаний основания токоприемника на процесс токосъема используется линейчатая одноосная модель ЭПС.

На основании расчетов и проведенных лабораторных исследований РКЭ принимается колебательным звеном, Э11Р - апериодическим, а датчики искрения и скорости - усилительными звеньями.

Моделирование САР нажатия выполняется в программе МаЙаЬ 8іти1іпк (рис. 4). Система «токоприемник - контактная подвеска» моделируется в виде отдельных тел, имеющих массовые и инерционные характеристики, в пакете физического моделирования 8іттесЬапіс;з (рис. 5).

Step

Q>

рр

Токоприемник-РКЭ контактная подваска

*о-+

Позиционный регулятор

Руп

num(s) den(s)

num(s) dsnfs)

Clock

Щ У2

if1

ук

yn(t) РКТ

Scopel

Датчик скорости

Ж.-д. путь ЭПС Датчик искрения

-<4

Scope2

vL,

Рис. 4. Структурная схема САР нажатия в Ма1:1аЬ БітиНпк

Рис. 5. Модель системы «токоприемник - контактная подвеска»

Оценка устойчивости САР нажатия производится с помощью метода фазовых траекторий (рис;. 6). САР нажатия с позиционным регулятором устойчива, имеет близкий к апериодическому переходной процесс, время регулирования - 2,54 с, ошибка регулирования - 3,2 % (рис. 7).

Рис. 6. Пример фазовой траектории САР нажатия токоприемника

Рис. 7. Переходной процесс САР нажатия с позиционным регулятором

2,36 г

У<л

Л

\ // ч \ і V \ Г \ / \ Г 'Ч

? Л А у V

к V \ Уп

[ ~ґ\ И к- /

л \ г

С помощью разработанной математической модели, учитывающей отрывы полоза токоприемника от контактного провода, выполнен расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской (рис. 8) и оценено влияние САР нажатия на коэффициент отрывов токоприемника.

САР нажатия при увеличении скорости движения свыше 160 км/ч переводит статическое нажатие на повышенное значение, позволяя избежать зоны отрывов и интенсивного искрения, являющихся наиболее опасным режимом токосъема (рис. 9).

Применение САР нажатия с позиционным регулятором рекомендуется при любых скоростях движения, особенно на участках с разрегулированной контактной подвеской и на участках интенсивного искрения.

Рис. 8. Координаты контактного провода и полоза (а) и изменение контактного нажатия токоприемника (б), оснащенного САР нажатия

Зона искрения

Рис. 9. Изменение контактного нажатия при дви-

2

жении ЭПС с ускорением 1м/с при работе САР

нажатия по каналу датчика скорости В третьем разделе рассмотрены особенности САР нажатия токоприемника, в качестве измерительной части которой используются датчик искрения и

10

GPS - датчик скорости, устанавливаемые вне токоведущих частей токоприемника, что исключает необходимость применения гальванической развязки и внесения изменений в конструкцию токоприемника. Разработанный датчик искрения регистрирует УФ-излучение от искрения и за счет узкого спектрального диапазона (220 - 280 нм) не реагирует на солнечный свет и источники искусственного освещения.

Предложены электрическая и пневматическая схемы САР нажатия, по-1 зволяющие обеспечить требования, предъявляемые к управлению токоприемником, как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Разработан и запрограммирован блок управления САР нажатия на базе промышленного логического контроллера, обрабатывающий информацию с установленных датчиков и управляющий тремя ЭПР.

В четвертом разделе представлены методики экспериментальных исследований разработанного датчика искрения и САР нажатия токоприемника и рассмотрены результаты испытаний.

Испытания датчика искрения токоприемника доказали, что он может использоваться в качестве измерительной части САР нажатия, а также для регистрации коэффициента искрения на вагоне-лаборатории испытаний контактной сети. Определено, что при увеличении тока нагрузки и скорости движения коэффициент искрения возрастает, эффективной мерой для снижения коэффициента искрения является увеличение статического нажатия токоприемника.

Испытания разработанной САР нажатия позволили сделать вывод о ее работоспособности (рис. 10) и эффективности применения в целях снижения коэффициента искрения токоприемника. По результатам испытаний определены коэффициенты искрения и СКО контактного нажатия для

токоприемника без САР и токоприемников, оснащенных существующей в ОмГУПСе САР с датчиком нажатия и разработанной САР с датчиком искрения. Анализ данных'параметров показал, что применение предлагаемой САР нажа-

11

-i-- 1

йь'и«; к L ¡„<1 _jti A. i И -jnsraNirr •P Sl'.t' >!>.'' fAL'll. !ll;ll

1 М Лй-^кЛ^у«^ i -L ■ (;■ ''—Ц

0 4 8 12 16 _20 24 28 с 36

8I-i- j i tr- 1 1

ki, = 7,3 % 1

i |l ! .

•к n ] fT'i 1 | llill I'lhTl II 'ih 1 t„ | 1 1

3-—'I;, . '- Ij.-j

' '' )

i i

Рис. 10. Испытания САР нажатия: нажатие (а) и искрение (б) токоприемника

1

тия позволяет снизить коэффициент искрения в 2,5 раза, при этом СКО контактного нажатия увеличивается лишь на 5 %.

Для оценки адекватности разработанной математической модели кривая контактного нажатия, полученная расчетным путем, сравнивается с данными, полученными в ходе испытаний на линии Москва - Санкт-Петербург. Переходные процессы нажатия токоприемника, полученные расчетным путем, сравниваются с переходными процессами, полученными в ходе лабораторных испытаний в ОмГУПСе на кольцевом стенде (рис. 11). Результаты испытаний подтверждают полученные расчетным путем характеристики, разница в полученных данных не превышает 7 %.

В пятом разделе выполнена оценка возможности применения модернизирован-

140

н

130 125 120 Р„115 110 105 100

Эк име нтаї іьна я

за іИСи Кюс "Ь

¡¡\ \

Тео >еті чес <ая

за ІИСІ мое тъ

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 с 4,5

Рис. 11. Сравнение переходных процессов САР нажатия

ной САР нажатия с регулятором нечеткой логики и электропневматическим преобразователем, заменяющим три ЭПР. Основной целью нечеткого регулятора является снижение механического износа контактных элементов за счет наличия зоны регулирования и возможности снижения статического нажатия при отсутствии искрения (рис. 12). Положения

Рр Рр. Рро

регулирования

Входными параметрами нечеткого регулятора служат скорость движения ЭПС и коэффициент отрывов токоприемника, выходным — управляющее воздействие. Входные и выходные

Рис. 12. Принципы действия позиционного (а) и нечеткого (б) регуляторов

параметры описываются набором термов: низкий, средний, высокий и т. д. Для всех термов заданы треугольные и трапецеидальные функции принадлежности, количественные характеристики которых определены по экспериментальным данным, полученным в ходе испытаний на линии Москва - Санкт-Петербург.

Программирование нечеткого регулятора выполнено по алгоритму Мам-дани, включающему в себя этапы формирования базы правил (рис. 13), фаззи-фикации, нечеткого вывода, композиции и дефаззификации.

Модернизированная САР нажатия имеет колебательный переходной процесс (рис. 14) с незначительным перерегулированием - 9,3 % и позволяет сни-

зить время регулирования с 2,54 до 1,24 с, ошибку регулирования - с 3,2 до 1,8 % по сравнению с позиционным регулятором.

Результаты моделирования показали эффективность применения регулятора нечеткой логики для снижения коэффициента отрывов (рис. 15).

2

%

1,6 1,4 1,2

I '

I °'8 110 0,6

0,4

0,2

іии ии_КМ/4 ¿эи

Уэпс

без САР нажатия; □- САР с позиционным регулятором; { -Н- САР с нечетким регулятором.

Рис. 14. Переходной процесс САР Рис. 15. Коэффициенты отрывов нажатия с нечетким регулятором токоприемников

САР нажатия с реіулятором нечеткой логики рекомендуется применять при любых скоростях движения, но только после накопления статистических данных об условиях токосъема на участке.

В шестом разделе рассчитана технико-экономическая эффективность применения САР нажатия с позиционным регулятором. Экономический эффект достигается за счет снижения затрат на обслуживание токоприемников и уменьшения годовой потребности в токоеъемных элементах и составляет 177 669 р. на один токоприемник за 10 лет эксплуатации; инвестиционный проект можно считать экономически эффективным.

Рис. 13. Поверхность «входы - выход» нечеткого регулятора

145 H 135 130 1125 ' 120 115 110 105 100

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ существующих САР нажатия скоростных токоприемников, на основании которого предложены п>ти их совершенствования.

2. Разработана математическая модель САР нажатия токоприемника с позиционным регулятором, датчиками искрения и скорости, позволяющая опреде-

лить устойчивость системы, показатели качества САР нажатия и показатели качества токосъема.

3. Усовершенствована методика расчета взаимодействия авторегулируе-мого токоприемника с контактной подвеской, учитывающая отрывы полоза от контактного провода,

4. Реализована САР нажатия с позиционным регулятором, датчиками искрения и скорости, обеспечивающая снижение коэффициента искрения токоприемника в 2,5 раза.

5. Создана методика лабораторных испытаний авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости.

6. Установлено, что применение модернизированной САР нажатия с регулятором нечеткой логики и элекгропневматическим преобразователем позволяет снизить время регулирования с 2,54 до 1,24 с, ошибку регулирования - с 3,2 до 1,8 %.

7. Определено, что экономический эффект от использования модернизированных токоприемников составляет 177 669 р. на один токоприемник за 10 лет эксплуатации, срок окупаемости инвестиций составляет три года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

В изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России:

1. Сидоров О. А. Применение систем автоматического регулирования контактного нажатия на токоприемниках скоростного алектроподвижного состава/О. А. Сидоров, А.Е. Аркашев,И.В. Ларькин И Транспорт Урала /Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 2010. № 25. С. 83 - 87.

2. Сидоров О. А. Моделирование взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской / О. А. Сидоров, А. Е. Ар каш ев, И. В. Ларькин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2011. № 3 (31). С. 164 - 169.

3. Ар каше в А. Е. Моделирование взаимодействия токоприемника и контактной подвески с учетом отрывов полоза от контактного провода / А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. № 3 (7). С. 2-8.

В прочих изданиях:

4. Аркашев А. Е. Применение пневматических резинокордных элементов в конструкциях токоприемников электрического транспорта / А. Е. Ар-

14

кашев, И. В. Ларькин // Совершенствование технологии ремонта и эксплуатации подвижного состава: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. Вып. 7. С. 6 - 11.

5. Сидоров О. А. Токоприемник, оснащенный системой автоматического регулирования нажатия / О. А. Сидоров, А. Е. Ар кашев, И. В. Ларькин // Транспорт-2009: Труды науч.-практ. конф. / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. Ч. 3. С. 278 — 280.

6. Совершенствование токоприемников электроподвижного состава / О. А. Сидоров, И. В. Ларькин и др. // Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. С. 89 - 92.

7. Ларькин И. В. Моделирование токоприемника электроподвижного состава в Matlab Simulink / И. В. Ларькин // Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы X междунар. науч.-практ. конф. / Южно-российский гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2010. С. 83 — 86.

8. Ларькин И. В. Модернизация системы автоматического регулирования нажатия токоприемника электроподвижного состава / И. В. Ларькин,

A. Е. Ар каш ев // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: Материалы V науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2010. С. 268 — 271.

9. Ларькин И. В. Применение датчиков искрения в системах автоматического регулирования нажатия токоприемников электрического транспорта / И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский //Электрификация транспорта «Транс-электро-2010»: Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. / Днепропетровский национальный ун-т железнодорожного транспорта им. академика

B. Лазаряна. Днепропетровск, 2010. С. 20,21.

10. Ларькин И. В. Совершенствование устройств автоматического регулирования скоростных токоприемников / И. В. Ларькин, А. Е. Арка-шев, С. Ю. Сосновский // Инновации для транспорта: Сб. науч. статей с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. Ч. 1. С. 180-184.

11. Ларькин И. В. Система регулирования нажатия токоприемника, основанная на нечеткой логике / И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский //Моделирование. Теория, методы и средства: Материалы JÜ междунар. науч.-практ. конф. / Южно-российский гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2011. С. 137-141.

12. Исследование системы автоматического регулирования нажатия токоприемника электроподвижного состава/ И. В. Ларькин, А. Б. Аркашев и др. // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта: Сб. науч. статей с между-нар. участием / Омский гос. ун-т п)тей сообщения. Омск, 2011. С. 114 - 122.

13. Сидоров О. А. Определение закона регулирования нажатия токоприемника электроподвижного состава / О. А. Сидоров, И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы II межвуз. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. Иркутск, 2011. Т. 1. С. 569, 570.

14. Аркашев А. Е. Устройство для регистрации искрения токоприемника электроподвижного состава / А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте Eltrans 2011: Тезисы докл. VI междунар. симпозиума / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. СПб, 2011. С. 8, 9.

15. Пат. РФ на полезную модель № 105862, МПК В 60 L 5/00. Токоприемник электроподвижного состава / O.A. Сидоров, А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский (Россия). - № 2011100366/11; Заявлено 11.01.2011; Опубл. 27.06.2011//Открытия. Изобретения. 2011. № 18.

16. Пат. РФ на полезную модель № 105863, МПК В 60 М 1/00. Стенд для исследования взаимодействия токоприемника и контактной подвески / O.A. Сидоров, A.B. Тарасенко, А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин, С. Ю. Сосновский (Россия). - № 2011100364/11; Заявлено 11.01.2011; Опубл. 27.06.2011 // Открытия. Изобретения. 2011. № 18.

17. Пат. РФ на полезную модель № 112107, МПК В 60 L 5/28. Токоприемник электроподвижного состава / O.A. Сидоров, И. Е. Чертков, А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин (Россия). - № 2011131552/11; Заявлено 27.07.2011; Опубл. 10.01.2012 // Открытия. Изобретения. 2012. № 1.

Типография ОмГУПСа. 2012. Тираж 120 экз. Заказ 182. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

61 12-5/3485

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ СКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

На правах рукописи

ЛАРЬКИН Иван Валерьевич

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сидоров Олег Алексеевич

ОМСК-2012

Содержание

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР) НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ............. 9

1.1. Обзор существующих САР нажатия токоприемников............... 10

1.2. Анализ устройств и методов регистрации искрения токоприемников ........................................................................................ 19

1.2.1. Обзор методов регистрации искрения токоприемников............... 20

1.2.2. Определение перспективных способов регистрации искрения токоприемников......................................................................... 32

1.2.3. Требования, предъявляемые к устройству регистрации искрения токоприемников......................................................................... 33

1.3. Выводы............................................................................... 35

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКА............... 36

2.1. Обоснование предлагаемого способа регулирования нажатия токоприемника......................................................................... 38

2.2. Описание САР нажатия токоприемника...... ........................... 44

2.3. Методика теоретических исследований САР нажатия токоприемника..................................................................................... 45

2.4. Разработка математической модели САР нажатия токоприемника....................................................................... 49

2.4.1. Математическая модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской с учетом отрывов полоза от контактного провода.. 50

2.4.2. Математические модели элементов САР нажатия токоприемника.................................................................................. 67

2.4.3. Обобщенная модель САР нажатия............................................. 69

2.5. Анализ результатов расчета токоприемника, оснащенного САР нажатия, при его взаимодействии с контактной подвеской.............. 70

2.5.1. Определение устойчивости и показателей качества САР 71 нажатия...................................................................................

2.5.2. Определение динамических характеристик токоприемника, осна- 74 ценного САР нажатия........................................................................

2.6. Выводы.............................................................................. 78

3. ОСОБЕННОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКА................................................................................. 80

3.1. Измерительная часть САР нажатия токоприемника.................. 80

3.2. Блок управления САР нажатия токоприемника....................... 83

3 3 Пневматическая система токоприемника, оснащенного САР

88

нажатия...................................................................................

90

3.4. Выводы..............................................................................

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ........................................ 91

4.1. Методика испытаний разработанной САР нажатия токоприем-

91

ника и ее элементов...................................................................

4.1.1 Исследования с использованием лабораторных стендовых

..... 92

установок.................................................................................

4.1.2. Методика испытаний устройства для регистрации искрения

98

токоприемника...........................................................................

4.1.3. Методика испытаний САР нажатия токоприемника................... 99

4.2. Результаты экспериментальных исследований.......................... 101

4.2.1. Экспериментальные исследования устройства для регистрации

101

искрения токоприемника..................................................................

4.2.2. Экспериментальные исследования САР нажатия токоприемника... 103

4.2.3. Оценка адекватности предложенного метода расчета САР нажатия токоприемника................................................................ Ю8

4.3. Выводы ....................................................................................................... 113

5. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ С РЕГУЛЯТОРОМ

НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ................................................................ 114

5.1. Модель регулятора, основанного на нечеткой логике................. 114

5.2. Расчет САР нажатия с регулятором нечеткой логики............... 120

5.3. Выводы ....................................................................................................... 124

6. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКА.................................... 125

6.1. Определение стоимостной оценки результатов......................... 128

6.2. Определение единовременных затрат....................................... 129

6.3. Определение показателей экономической эффективности........... 130

6.4. Выводы..........................................................................................................1:И

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................................................................132

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................................................133

Приложение. Акт внедрения диссертационной работы..................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное функционирование железнодорожного транспорта Российской Федерации играет исключительную роль в создании условий для модернизации, перехода на инновационный путь развития и устойчивого роста национальной экономики, способствует созданию условий для обеспечения лидерства России в мировой экономической системе [1].

Целью инновационного развития ОАО «РЖД» является достижение параметров экономической эффективности, экологической и функциональной безопасности отечественного железнодорожного транспорта общего пользования, определенных Транспортной стратегией Российской Федерации и Стратегией

развития ОАО «РЖД».

В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года в настоящее время необходимо решать задачи по созданию скоростного и высокоскоростного движения и освоению отечественного производства основных элементов инфраструктуры и подвижного состава.

Комплекс мероприятий по повышению скоростей движения на железнодорожном транспорте предусматривает:

1. Повышение маршрутных скоростей дальних пассажирских поездов, следующих на расстояния более 700 км.

2. Организация скоростного железнодорожного движения после реконструкции действующих линий между крупными региональными центрами скоростными поездами с максимальной скоростью до 160 - 200 км/ч.

3. Строительство высокоскоростных железнодорожных линий, на которых обеспечивается движение со скоростями до 350 км/час: Санкт-Петербург -Москва; Санкт-Петербург - Хельсинки; Москва - Адлер; Москва - Нижний Новгород.

Как следует из программы развития ОАО «РЖД», увеличение скоростей движения будет проводиться для всех типов электроподвижного состава во всех диапазонах скоростей, что вызывает необходимость дальнейшего совершенствования существующих и создания новых элементов электроподвижного состава, в том числе, токоприемников. При реализации высоких скоростей движения проблема обеспечения надежного и качественного токосъема остается особенно актуальной во всем мире [2-7].

Разрабатываемые токоприемники должны соответствовать требованиям, определяемым скоростью движения на участке, и обеспечивать соблюдение

предусмотренных параметров и характеристик. При выборе зависящей от скорости средней величины нажатия в контакте необходимо стремиться, с одной стороны, к обеспечению надежного токосъема, с другой - к уменьшению износа контактного провода и контактных вставок токоприемников.

Нарушение контакта между токоприемником и контактным проводом сопровождается возникновением электрической дуги и приводит к повышенному износу контактных элементов и появлению сильных электромагнитных помех. При этом электрическая дуга обеспечивает непрерывность электрического тока в цепи и ведет к таким негативным последствиям, как отжиги и пережоги контактного провода.

Одним из основных направлений технического переоснащения токоприемников электроподвижного состава (ЭПС) с целью повышения показателей качества токосъема является применение систем автоматического регулирования (САР) нажатия токоприемника на контактный провод [8, 9].

В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС) на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ведется разработка асимметричного токоприемника в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации. Для повышения надежности и экономичности токосъема разрабатываемый токоприемник должен быть оснащен САР нажатия.

Настоящая работа посвящена разработке и совершенствованию САР нажатия токоприемников, позволяющих снизить износ контактирующих элементов за счет поддержания нажатия в заданном диапазоне, предотвращения искрения и ду-гообразования в контакте и, как следствие, исключения пережогов и отжигов контактных проводов.

Цель работы - повышение качества токосъема путем снижения коэффициента искрения токоприемников скоростного ЭПС за счет совершенствования САР нажатия.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1) выполнить анализ существующих САР нажатия и методов регистрации искрения токоприемников;

2) разработать математическую модель САР нажатия токоприемника с позиционным регулятором, датчиками искрения и скорости;

3) усовершенствовать методику расчета взаимодействия авторегулируемого

токоприемника с контактной подвеской с учетом отрывов полоза от контактного провода;

4) реализовать САР нажатия токоприемника, основанную на применении позиционного регулятора, датчиков искрения и скорости;

5) создать методику экспериментальных исследований авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости;

6) выполнить оценку возможности применения САР нажатия с регулятором нечеткой логики;

7) оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технических решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) разработана математическая модель системы автоматического регулирования нажатия токоприемника с датчиками искрения и скорости, учитывающая влияние закона управления на показатели качества работы системы;

2) усовершенствована методика расчета взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской, учитывающая отрывы полоза от контактного провода;

3) создана методика лабораторных испытаний авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 7 %.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) разработанная САР нажатия токоприемника, основанная на применении датчиков искрения и скорости, позволяет повысить качество токосъема за счет снижения коэффициента искрения токоприемника в 2,5 раза;

2) усовершенствованная математическая модель взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской позволяет определить рациональные параметры САР нажатия токоприемника для различных условий эксплуатации;

3) разработанная методика лабораторных испытаний авторегулируемого токоприемника, оснащенного датчиками искрения и скорости, обеспечивает оперативную настройку параметров системы, оценку работоспособности и эффективности применения системы автоматического регулирования нажатия.

Методы проведения исследований. Теоретические исследования проведены на основе методов математического моделирования на ПЭВМ с использова-

нием программ ЗоНсЪуогкз и МаНаЬ, теории автоматического управления, теории планирования эксперимента, статистического и корреляционного анализа. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и на действующих токоприемниках электроподвижного состава.

Реализация результатов работы. Разработанная САР нажатия внедрена на токоприемнике ЭПС в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Личный вклад соискателя. Постановка задачи, разработка и исследование САР нажатия токоприемника выполнены на основе предложенных автором методов. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на на VI международном симпозиуме «Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов железнодорожного транспорта» (Санкт-Петербург, 2011); на X и XI международных научно-практических конференциях «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2010, 2011); на IV международной научно-практической конференции «Трансэлектро-2010» (Днепропетровск, 2010); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009); на V научно-практической конференции «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2010); на II межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2011); на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа в 2007 - 2012 гг.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в семнадцати печатных работах, которые включают в себя семь статей и семь тезисов докладов, получено три патента РФ на полезные модели. Три статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 125 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 12 таблиц и 105 рисунков.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАЖАТИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ

Токоприемник - аппарат ЭПС, предназначенный для приема электроэнергии от контактных проводов. Конструкция токоприемника и его характеристики определяются мощностью и скоростью ЭПС, габаритами подвижного состава и приближения строений, расположением контактных проводов в плане и по высоте. Токоприемники должны обеспечивать надежный (без повреждений), экономичный (с минимальным износом контактирующих элементов) и экологичный токосъем [10].

Токоприемники должны соответствовать требованиям, определяемым скоростью движения на участке и обеспечивать соблюдение предусмотренных предельно допустимых параметров. При установлении зависящей от скорости средней величины сил нажатия в контакте необходимо стремиться, с одной стороны, к обеспечению бесперебойного токосъема, с другой - к уменьшению износа контактного провода и контактных вставок токоприемников.

От надежности работы токоприемника во многом зависит работоспособность всех электроэнергетических систем транспортного средства и, следовательно, соблюдение заданного графика движения поездов.

Одним из основных направлений технического переоснащения токоприемников ЭПС является использование подъемно-опускающего механизма с пневматическим резинокордным элементом (РКЭ), включенным в систему автоматического регулирования нажатия токоприемника на контактный провод [11].

Разработка токоприемника с активным регулированием нажатия преследует следующие цели:

- обеспечить прохождение поездов под контактными подвесками со скоростью, превышающей их проектный скоростной предел;

- уменьшить износ контактного провода и контактных элементов токоприемников;

- снизить уровень шума при движении в высокоскоростном диапазоне;

- снизить количество пережогов и отжигов контактных проводов.

1.1. Обзор существующих САР нажатия токоприемников

Системы автоматического регулирования токоприемников могут быть классифицированы по многим различным признакам, основными из которых являются: цель применения, используемые диагностические параметры,