автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Улучшение характеристик и показателей контактных подвесок, влияющих на качество токосъема, в условиях магистральных электрифицированных железных дорог

На правах рукописи

ХАЛИКОВ Карим Равильевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ТОКОСЪЕМА, В УСЛОВИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2013

?[," чм лз

005062192

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор [MACJIOB Геннадий Петрович]

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Сидоров Олег Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

НЕХАЕВ Виктор Алексеевич - профессор кафедры «Теоретическая механика», Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС); кандидат технических наук, доцент

БЕЛЯЕВ Павел Владимирович — доцент кафедры «Электрическая техника», Омский государственный технический университет (ОмГТУ).

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «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 27 мая 2013 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, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства России № 877-р от 17 июня 2008 г., планируется значительное увеличение объема перевозок. Повышение интенсивности движения поездов на электрических железных дорогах предъявляет высокие требования к качеству токосъема, особенно в местах контактной сети с повышенной жесткостью, к которым относятся воздушные стрелки, секционные изоляторы, сопряжения анкерных участков и др.

На железных дорогах России отраслевыми институтами подготовлен проект федеральной целевой программы «Развитие скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов в России на период 2000 - 2015 гг.». В соответствии с указанной программой намечена организация к 2015 г. скоростного пассажирского движения на полигоне с общей протяженностью линий около 8000 км.

Увеличение скоростей движения также снижает надежность, экономичность и ухудшает экологичность токосъема. Взаимодействию токоприемников и контактных подвесок в указанных выше местах контактной сети, особенно при высоких скоростях движения, уделено достаточно большое внимание. Однако многие аспекты, такие как неравномерность жесткости в пролетах, особенности взаимодействия подвески с несколькими токоприемниками и др., требуют дальнейшего проведения исследований, что указывает на недостаточную разработанность темы. В связи с этим вопросы обеспечения качества токосъема в указанных местах остаются актуальными.

Цель диссертационной работы — повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн путем выравнивания жесткости контактной подвески в пролетах за счет использования разработанных компенсирующих упругих устройств.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ известных методов расчета механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, на его основе установить основные допущения, принятые при расчетах, и разработать новый метод, учитывающий особенности взаимодействия токосъемных устройств на участках электрических железных дорог, содержащих переходные пролеты;

2) получить массивы исходных данных по контактным подвескам и токоприемникам, позволяющие осуществить расчет их взаимодействия;

3) провести теоретические и экспериментальные исследования механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок и сопоставить полученные данные для оценки адекватности разработанного метода;

4) предложить новые технические решения, обеспечивающие повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн, на их основе разработать конструктивное исполнение устройств и провести экспериментальные исследования их работы;

5) определить технико-экономическую эффективность принятых технических решений.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе механики твердых тел при помощи математического моделирования на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ МаИаЬ и МаЛсас!. Эксперименты проведены на лабораторных установках, полигоне и действующих участках железных дорог в соответствии с разработанными программами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложен метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств для определения траекторий элементов и функций контактного нажатия двух токоприемников с учетом наличия двух подвесок в переходном пролете;

2) усовершенствована статическая модель подвески с двумя контактными проводами, учитывающая разное высотное положение этих проводов;

3) разработан метод расчета статической жесткости контактных подвесок, основанный на определении неизвестных реакций связей с учетом наличия вертикальных упругих элементов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов. При сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований значения критерия Фишера составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости а = 0,05.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) предложенный метод расчета взаимодействия токосъемных устройств позволяет получить зависимости контактного нажатия токоприемников от расстояния в пролетах с одной и двумя контактными подвесками с учетом волно-

вых процессов, эффекта приведения, наличия двух токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;

2) усовершенствованная статическая модель подвески может быть использована для определения ее жесткости при разном высотном положении контактных проводов;

3) разработанный метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом вертикальных упругих элементов дает возможность выбрать рациональные варианты размещения компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.

Положения, выносимые на защиту:

1) метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств с учетом волновых процессов, эффекта приведения, наличия переходных пролетов, двух рабочих токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;

2) модель контактной подвески для расчета статических характеристик с учетом разного высотного положения контактных проводов;

3) метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия вертикальных упругих элементов.

Реализация результатов работы. Образцы разработанных компенсирующих устройств переданы в опытную эксплуатацию на Западно-Сибирскую железную дорогу - филиал ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (Омск, 2011), заседаниях научно-технического семинара кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа и научно-теоретического семинара ОмГУПСа (Омск, 2013).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в восьми печатных работах, которые включают в себя шесть статей и один тезис докладов, получен патент РФ на полезную модель. Три статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 138 наименований и 5 приложений и содержит 160 страниц печатного текста, 69 рисунков, 33 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, обозначены пути их решения.

В первом разделе выполнен анализ известных методов расчета механического взаимодействия токосъемных устройств и предложен разработанный на его основе новый метод расчета, учитывающий особенности взаимодействия нескольких токоприемников с контактными подвесками на участках электрических железных дорог, содержащих переходные пролеты.

Значительный вклад в развитие исследования взаимодействия токоприемников и контактных подвесок внесли отечественные ученые профессора И. И. Власов, В. А. Вологин, А. Г. Галкин, А. Т. Демченко, А. В. Ефимов, В. Н. Ли, Г. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, В. П. Михеев, В. А. Нехаев, В. А. Плакс, Л. Н. Решетов, О. А. Сидоров, А. Т. Тибилов, кандидаты наук И. А. Беляев, А. В. Фрайфельд, В. М. Павлов, А. Н. Смердин, С. В. Заренков, А. С. Голубков, Н. В. Миронос и др., а также — зарубежные исследователи И. А. Бейн, Р. Г. Готорп, Ф. Кислинг, И. Кумезава, С. Леви, Е. И. Леклерк, Р. Майзингер, Г. Ниблер, М. Сибата, А. Стенссон, У. Реш, В. Фишер и др.

В настоящее время существуют различные методы расчета механического взаимодействия токосъемных устройств. Однако набор методов расчета в переходных пролетах сопряжений анкерных участков ограничен, и они не учитывают наличия нескольких токоприемников.

В связи с этим разработан новый метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств. Основным допущением предлагаемого метода является сохранение характера динамических возмущений, возникающих в контактной подвеске от движущегося токоприемника, при рассмотрении их в подвижной системе координат с точностью до постоянного множителя.

Модель динамического взаимодействия двух токоприемников с контактными подвесками на участках электрических железных дорог с переходными пролетами представлена на рис. 1. Траектории верхнего и нижнего узлов каждого из токоприемников определяются решением системы из четырех нелинейных дифференциальных уравнений с четырьмя неизвестными:

=/?2{Нр2>Нр2,НЛ2,Нпг)-> Нл2= /Л2(Нр2>Нр2>Нл1,Нл1,Нл2>НЛ2)> где /р, (Яр„Яр/,Яя„Ял,) = [-гр|(Яр, - - Wpi sign(//pi -йосш.) + +rKi K« -Hfi) + wKisign(ял, -Яр/) -жк,(А,0| -ял;. + Яр() + Рвр,. + />р,]/™р,;

dütO) J +

L *=i

2 Г2 IV' 2 Г Г2

+П хЕ sign(l-2|i-9|) ^(уу(Нл1)тс<3/(А-

J J ?=1 [_

V 2 2

y=] i=l

+ÄK?(ÄK07 -ЯЛ9 +Яр?)-гк?(ЯЛ9 -Я„)- wKqS\gn(Hnq -яр,) + /»„,)];

Н",>/гГ'т; /=|/-2| + 1; *=|*-2| + 1; ß = |f-2|+l;

[V, яЛ(- <Лкас/(у),

Ял/ - высотное положение нижнего и верхнего узлов /-го токоприемника соответственно, м; /гос„,- - отклонение основания /-го токоприемника в вертикальном направлении от положения статического равновесия, м; тял„ mpi - приведенные массы полоза и системы подвижных рам /-го токоприемника, кг; жк,- -жесткость верхнего узла г'-го токоприемника, Н/м; гр„ гК1 - коэффициенты вязкого трения в рамах и каретках /-го токоприемника, Нс/м; wp„ wKi - силы сухого трения в рамах и каретках /-го токоприемника, Н; hKOi — ход кареток /-го токоприемника при полной разгрузке, м; Рвл1, PBpi, Яр, - силы аэродинамического воздействия на полоз и рамы /-го токоприемника и его статического нажатия, "кас;0) ~~ высотное положение j-й контактной подвески в точке нахождения

/-го токоприемника при отсутствии нажатия, м; mciJ(k), жс1Дк), rciJ(k) - масса, жесткость и коэффициент вязкого трения к-й подвески, обусловленные влиянием у-го токоприемника, приведенные к точке контакта с г-м токоприемником, соответственно в кг, Н/м, Нс/м. h0CHi и Якас;^ задаются функциями от времени: hOCH2(t) = hOCH,(t-lTKl2/v), Якас2а)(?) = Якас1а)(/-/тк|2/v), где lrKiJ - рас-

стояние между ¿-м и у'-м токоприемниками, м; V - скорость движения электроподвижного состава, м/с; I - время движения, с.

/у < / // < /

11022(1) 1Гс2Ц1) и, гс22(2) ^^21(2)

^ |±1 < Ш < Ш Ц-1

ЖсИ(1)Т ЖСГ2(1)Т Жс1'К2) | Жс?2(2)Т

I Гс11(1) I Гс12(1) I, Гс11(2) I гс12(2)

а ?й

1)" ЖС]2(1) | Жс11(2)у

Н„\-

Як ас|(1) ,П1сИ(1)

ГПс11(1) П1с12(1) Шс11(2) ГПС12(2)

1Лт1

Якас 2(1)

ГПс12(1)

^---тсП(2)

А фЛп

Ял]-Як ас 1(2)

ШС12(2),

Ял 2" Якас2(2)

| 1 ШС22(1) II II. Шс21(|) П)С22(2) ШС21(2)

А 'Л /V ' А "

ял 2-Якас2(1) | уШс22(1) | ял1- А гг I-' Кг2 «кас1(1) 1 „ ■---1 тс21(1) | #кас2(2) 1 1 тС22(2)^ ял,-Якас1(2) тс21(2),, 1----

РМ2

ЯЛ1

«л!

'■"А

Йк1

/Яр1

1 ПТ I

Яп1

в

•^прабп

+я

'осн!

УГР

У У

1

1.^2

>Жк2 Ц|

тЛ2 '

Кг

Ял2

Г"р2

ТШ

Гр^ »Ц

Япрабшах2 + Яосн2

Яр2

'тк12

"7"

Рис. 1. Динамическая модель взаимодействия двух токоприемников

с контактными подвесками в переходном пролете

Полученное решение должно удовлетворять условиям ограничения вертикальных перемещений элементов токоприемников://,,,- > Яр(; Нл1 < Яр,- +/гк,-; и < И +Н + И ■ где К, - ход кареток ¿-го токоприемника в собран-

ПЛ1 ~ -"лрабшах/ т ■'"'осн/ т"ост> м К1 « г

ном виде, м; Ялра6тах,- - максимальная рабочая высота полоза ¿-го токоприемника относительно его основания, м; Носи1 - высота основания ¿-го токоприемника относительно уровня головки рельса (УГР) в положении статического равновесия, м. Контактное нажатие ¿-го токоприемника определяется по выражению: Рп1 = —тл,Нл1 -гК1 (Ял/ -Яр,.)-м-81ёп(Ял,. -Яр,.) + жк,.(йко,. -Ял, +Яр,.) + Рвш- (2) Значения тс т, ж.т, пт можно вычислить с помощью формул:

тст = [На> ~ кш'ттт)" *»*/<*> (""с« " к«т)тит)]/11 ~^ад^кц) ; (3)

жс= [(е£/(Л) - ^//(А^г/СА) ) ~ ~ )]/С1 - Л:М12(Л:)Л:М21(*)) ' (5)

где /= — 2| + 1.

Значения тт, гт, ст и к»т определяются следующим образом:

оО

Щяк)Ю = I '«сраспс*)(£ + ^Урт{£)<рт(£)<И;, (6)

—00

где Л7срасп(*) - распределенная масса к- й контактной подвески, кг/м; £ = х-

расстояние, пройденное токоприемником, м; (рцщ - функция, задающая форму бегущей волны в к-й подвеске, вызванной нажатием г'-го токоприемника.

00 д

—00

где тс расп(Л) - коэффициент распределенного вязкого трения к-й подвески, Нс/м2.

—оо и

+ *) + 0,5^терЮ1(к)(£ + V/)]

где £/(Ц, жсрас1,(ц - изгибная жесткость, натяжение контактных проводов и распределенная жесткость к-й подвески соответственно в Нм2, Н, Н/м .

КIт = 4>т{~ ^тк1/)*

Используя предлагаемый метод, можно определить траектории элементов токоприемников и значения их контактного нажатия на участках с переходными пролетами с учетом волновых процессов, эффекта приведения и вертикальных ограничений перемещения элементов токоприемников.

Второй раздел посвящен расчетам взаимодействия токоприемников и контактных подвесок. Исходные данные, позволяющие осуществить расчет предложенным методом, получены в результате экспериментальных исследований в лабораторных условиях, которые включали в себя определение собственной жесткости и коэффициентов эквивалентного вязкого трения контактных проводов МФ, В г, ПКСА различных сечений на созданном с участием автора стенде, а также значений продольного момента инерции полозов токоприемников, необходимых для учета эффекта приведения.

Для оценки адекватности предложенного метода осуществлено сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия токосъемных устройств по критерию Фишера. Эксперименты проводились в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Результаты лабораторных исследований получены при проведении эксперимента на колебательном стенде ОмГУПСа (рис. 2, а). Результаты эксплуатационных исследований получены при проведении испытаний на ЗападноСибирской железной дороге с участием автора. Кроме этого использовались опубликованные данные, полученные при проведении экспериментов на Октябрьской железной дороге коллективом научных сотрудников ВНИИЖТа и ОмГУПСа (рис. 2, б). Значения критерия Фишера при сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости а = 0,05, расхождение результатов составляет порядка 9 %, что свидетельствует об адекватности предложенного расчетного метода условиям взаимодействия токосъемных устройств.

230

н 210 200 100

Г

180 170 160.

1111 Токоприемник ТЛ-13У

1\ 1 \

•-Ч*./ \\л \ V Экс1 терим ент

\Л

V > у г

Расче / т \ !\

Подв зека ] СС-20Ь |

10

20 30 л*-

40 50

70

Рис. 2. Сравнение результатов расчета и эксперимента

В третьем разделе рассмотрены схемы предлагаемых компенсирующих упругих устройств и их влияние на статическую жесткость в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.

Для обеспечения надежного и экономичного токосъема в условиях повышения скоростей движения необходимо, чтобы коэффициент непостоянства жесткости, определяемый как отношение максимальной жесткости в пролете к минимальной, был близок к единице. Это может быть достигнуто выравниванием жесткости в пролете посредством установки компенсирующих упругих устройств. Предлагаемые устройства (рис. 3) содержат струновые зажимы 2 и 3, жестко закрепленные на несущем тросе 1 и фиксирующие направляющую

планку 4 со струновым зажимом скользящего типа 5. В вертикальное отверстие 7 кожуха 11 проходит тяга с ушком 6, прикрепленная к монтажным выступам зажима 5. Крышка кожуха 11 опирается на пружину 8 на тяге 6, закрепленную гайкой 9 и шайбой 10 и закрытую кожухом 11. Струны 12 и 13 крепятся одним концом к кольцу кожуха 11, другим концом с помощью струновых зажимов 14 и 15 либо к контактному проводу 16 (одинарному или двойному) в случае пролета с одной подвеской, либо к расположенным на разной высоте друг относительно друга контактным проводам 16 и 17 в случае переходного пролета. На предлагаемые устройства получен патент на полезную модель.

Рис. 3. Предлагаемые устройства для выравнивания жесткости в пролете с одной подвеской (а) и в переходном пролете (б)

Для оценки эффекта от применения компенсирующих упругих устройств разработан метод расчета статической жесткости контактных подвесок, основанный на определении неизвестных реакций связей в струнах с учетом наличия вертикальных упругих элементов. В предлагаемой расчетной схеме участка контактной подвески длиной I (рис. 4) контактные провода, несущий и рессорные тросы представлены стержнями с натяжениями Ки К2, Т, Ни Н2, ..., собственными жесткостями К1ип> К12ют, Шт, Е/ртЬ -Е/рт2, ..., £/ртN0 И погонными нагрузками д]кт д2кп, дт, дрг1, дрт2, ..., <7ртл<о соответственно, где N0 - число неизвестных реакций опор на рассматриваемом участке. Все вертикальные элементы контактной подвески (струны, фиксаторы, компенсирующие устройства и др.) представлены в виде систем из трех соединенных друг с другом линейных пружин с жесткостями Ж,-, ж2у-1 и ж2у, на провода и тросы действуют нагрузки от веса Р], Р2, ..., Р4ц И р], ..., Кда, где j — порядковый номер элемента, N -

И

суммарное количество вертикальных элементов на участке. Приравнивая жесткости пружин к бесконечности, а весовые нагрузки и реакции точек крепления -к нулю, можно задать тот или иной тип вертикального элемента подвески.

ЄИЛЬ+1,2) вр(т>ц Ш,(№+1,4) ...

,Кг

V

ШР(І-1,2)+ А

&>("> 2) <2г(.К 2) №(пА)

І ^ І ^

| 4* ^ Ф ^ Ф 4 ^ Ф

Кг

'Л,

% ир ■Г4(/-2)+2 Г4{/-2)+4

?2кп

Рис. 4. Расчетная схема участка контактной подвески

Жесткость контактной подвески в точке хт определится как жс(хт) = = Рт/[мкп0(хт)-мкп(л:т)], где РТ - сила нажатия токоприемника, Н; г;кп0(х), ик п(х) — высотные положения подвески при отсутствии и наличии нажатия токоприемника соответственно, м.

Необходимые для нахождения икп(хт) реакции вертикальных элементов контактной подвески , точек крепления рессорного троса к несу-

щему ЛП,Я12,...,Я1Л,0, Д21,Л22,...,Д2№) и опор Лш,Ло2'--чЛол'о> а также силы нажатия токоприемника на каждый из контактных проводов подвески РТ] и Рт2 определяются исходя из того, что провода после приложения нагрузки принимают равные высотные положения. Если в результате решения значение нажатия на верхний провод оказывается отрицательным, оно приравнивается к ну-

лю, условие о равенстве контактных проводов по высоте отменяется, и все неизвестные реакции рассчитываются при нажатии только на нижний провод.

Используя предлагаемый метод, можно определить статическую жесткость контактных подвесок с учетом наличия вертикальных упругих элементов и разного высотного положения контактных проводов.

Четвертый раздел посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям качества токосъема при установке компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками. По результатам теоретических исследований можно утверждать, что установка компенсирующих упругих устройств приводит к снижению размаха колебаний контактного нажатия токоприемников на 15 - 20 % при скорости движения 200 км/ч в пролетах с одной (рис. 5, а) и двумя (рис. 5, б) контактными подвесками.

180 н 140 120 £ 100 80 60 40

>г\ Токо приемник

/ У \ \

\ \

/ / / / >v

Типовой вариант^Д" \ .__

Пре ' J '/ дпагаемыи вариант \ \ /

i i i i Подвеска КС-200-06 /

О 10 20 30 40 50 м 70 х-—

а б

Рис. 5. Влияние компенсирующих упругих устройств на качество токосъема

Результаты экспериментальных исследований (рис. 6, а) на полигоне действующей железнодорожной техники ОмГУПСа подтвердили целесообразность применения предлагаемого устройства в пролетах с одной подвеской. Установка компенсирующего упругого устройства в месте расположения первой нерессорной струны позволила снизить жесткость подвески в этой точке (кривая 3) на 15 % по сравнению с типовым вариантом (кривая 1) и на 12 % по сравнению с вариантом установки упругого элемента в первой нерессорной струне (кривая 2).

Экспериментальное исследование эффекта от установки компенсирующих устройств на сопряжениях анкерных участков проводилось на полигоне ст. Омск для трех вариантов (рис. 7, а): типовой переходный пролет (кривая 1), переходный пролет с монтажом контактных проводов «вразбежку» (кривая 2), переходный пролет с монтажом проводов «вразбежку» и компенсирующим уп-

ругим элементом (кривая 3). Установлено, что использование предлагаемого устройства на сопряжениях анкерных участков приводит к снижению жесткости в середине пролета на 20 % по сравнению с типовым вариантом.

Значения критерия Фишера при сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния предлагаемого устройства на статическую жесткость контактных подвесок (рис. 6, б и 7, б) не превышают табличных значений для уровня значимости а = 0,05.

1300 Н/М 1100 1000 4 900 800 700,

Рас чет \

V Эв сперм мент 7/

\\ ( ! /

\ /,

10 20 30 40 м 60

-V-^

Рис. 6. Изменение жесткости подвески под первой нерессорнои струной

9000 Н/м 7000 6000 5000 "4000 3000 2000

ч / /

н Эксг еріїм ;нг / у

1 \ /

Л б? ^Ра ;чет

\

0 5 10 15 20 25 м 35 д--=»-

а б

Рис. 7. Изменение жесткости подвески в середине пролета

Экономический эффект от внедрения предлагаемых компенсирующих устройств достигается за счет снижения износа контактирующих поверхностей при взаимодействии подвесок с токоприемниками. Чистый дисконтированный доход определялся на примере Омского региона Западно-Сибирской железной дороги и составил 730 тыс. р. на один регион за пять лет.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ известных методов расчета механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, на основании которого установлено, что определение траекторий токоприемников и функций их контактного нажатия проводится без одновременного учета волновых процессов, эффекта приведения, наличия переходных пролетов, двух рабочих токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов, в связи с чем разработан новый метод, .учитывающий указанные факторы.

2. Получены массивы исходных данных по контактным подвескам, представляющие собой зависимости сосредоточенных параметров от скорости движения электроподвижного состава, характеризующих массу, жесткость и вязкое трение подвесок.

3. Выполнены расчеты и проведены экспериментальные исследования взаимодействия контактных подвесок с токоприемниками. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало, что значения критерия Фишера составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости а = 0,05, расхождение результатов составляет, порядка 9 %, что свидетельствует об адекватности предложенного расчетного метода условиям взаимодействия токосъемных устройств.

4. Предложено для выравнивания жесткости контактных подвесок устанавливать компенсирующие упругие устройства в пролетах с одной контактной подвеской в местах расположения первых нерессорных струн, а также в середине переходных пролетов на сопряжениях анкерных участков, что приводит к снижению жесткости на 15 и 20 % соответственно.

5. Определена технико-экономическая эффективность использования компенсирующих упругих устройств на сопряжениях анкерных участков, чистый дисконтированный доход за пять лет на примере Омского региона ЗападноСибирской железной дороги составляет 730 тыс. р.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Хал и ко в К. Р, Особенности взаимодействия двух токоприемников с контактными подвесками в переходных пролетах сопряжений анкерных участков электрических железных дорог / К. Р. Хал и ко в // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2008. № 2. С. 269 - 272.

2. X а л и к о в К. Р. Метод расчета взаимодействия контактных подвесок с несколькими токоприемниками при их одновременной работе /К. Р. Хали-ков // Омский научный вестник. Сер. «Приборы, машины и технологии». 2011. №3(103). С. 178-181.

3. Халиков К. Р. Выравнивание жесткости контактной подвески в пролетах анкерного участка /К. Р. Халиков // Известия Транссиба. 2012. №4 (12). С. 58-69.

4. Абдулин Э. Р. Стенд для определения характеристик контактных подвесок, смоделированный в виде системы цепей при движении «жесткого» токоприемника / Э. Р. Абдулин, К. Р. Халиков //Динамика систем, механизмов и машин: Материалы междунар. науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т. Омск, 2004. Кн. 1. С. 418 - 421.

5.Маслов Г. П. Улучшение характеристик контактных подвесок магистральных электрических железных дорог / Г. П. Маслов, К. Р. Халиков, Э. Р. Абдулин // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Красноярск: Гротеск, 2005. Т. 1. С. 151 - 156.

6. Халиков К. Р. Колебательный стенд для исследования взаимодействия токоприемника и контактной подвески / К. Р. Халиков // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сб. науч. ст. аспирантов и студентов ун-та / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. С. 63 - 67.

7. Пат. ГШ 55696 Ш Россия, МПК В60М 1/22. Устройство подвески контактного провода в переходном пролете контактной сети / Г. П. Маслов, К. Р. Халиков (Россия). - 2005119569/22; Заявлено 23.06.2005; Опубл. 27.08.2006. Бюл. № 24.

8. Халиков К. Р. Исследование взаимодействия токоприемников и контактных подвесок на сопряжениях анкерных участков при установке компенсирующих упругих устройств / К. Р. Халиков // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта: Сб. науч. ст. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 133- 142.

Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 100 экз. Заказ 274. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ХАЛИКОВ Карим Равильевич

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ТОКОСЪЕМА, В УСЛОВИЯХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (ОмГУПС (ОмИИТ))

0420135^713

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Маслов Геннадий Петрович

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Сидоров Олег Алексеевич

ОМСК 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................6

1. Особенности взаимодействия токоприемников и контактных подвесок на магистральных электрических железных дорогах.....................10

1.1. Составляющие контактного нажатия при взаимодействии токоприемников и контактных подвесок................................................10

1.2. Методы расчета взаимодействия токоприемников и контактных подвесок........................................................................................12

1.2.1. Графо-аналитические методы расчета....................................14

1.2.2. Аналитические методы расчета, основанные на дискретизации параметров контактных подвесок.........................................................15

1.2.3. Аналитические методы расчета, основанные на использовании частных производных........................................................................16

1.3 Разработка метода расчета взаимодействия токоприемников с контактными подвесками на участках, включающих переходные пролеты..........................................................................................19

1.3.1. Уточненный метод расчета взаимодействия одного токоприемника с контактной подвеской.................................................20

1.3.2. Предлагаемый метод расчета взаимодействия одного токоприемника с контактными подвесками на участках, включающих переходные пролеты..........................................................................25

1.3.3. Уточненный метод расчета взаимодействия двух токоприемников с контактной подвеской.................................................28

1.3.4. Предлагаемый метод расчета взаимодействия двух токоприемников с контактными подвесками на участках, включающих переходные пролеты..........................................................................32

1.4. Выводы.............................................................................36

2. Влияние параметров и характеристик токосъемных устройств

на процесс их взаимодействия........................................................................37

2.1. Определение распределенных параметров проводов и тросов контактных подвесок.........................................................................37

2.2. Определение сосредоточенных параметров и характеристик контактных подвесок........................................................................ .42

2.3. Параметры и характеристики токоприемников, принимаемые

для расчета......................................................................................45

2.4. Расчет взаимодействия токоприемников и контактных подвесок

на участке, содержащем переходный пролет............................................51

2.4.1. Влияние высотного положения контактных подвесок на качество токосъема в переходных пролетах.........................................................51

2.4.2. Влияние установки защиты от пережогов контактного провода

на качество токосъема в переходных пролетах.........................................54

2.5. Адекватность предложенного метода расчета условиям механического взаимодействия токосъемных устройств.............................56

2.5.1. Исследование взаимодействия токосъемных устройств

на колебательном стенде.....................................................................56

2.5.2. Исследования взаимодействия токоприемников и контактных подвесок на участке электрической железной дороги.................................62

2.5.3. Сравнение результатов расчета и эксперимента........................63

2.6. Выводы.............................................................................73

3. Влияние компенсирующих упругих устройств на характеристики

контактных подвесок..........................................................................74

3.1. Предлагаемые компенсирующие упругие устройства выравнивания жесткости в пролетах с одной и двумя контактными подвесками..................75

3.2. Разработка метода расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия компенсирующих упругих устройств.................79

3.2.1. Перемещение проводов контактной подвески под действием статической нагрузки........................................................................79

3.2.2. Предлагаемый метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия компенсирующих упругих устройств.................83

3.2.3. Предлагаемый метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия компенсирующих упругих устройств и разного высотного положения контактных проводов.................91

3.3. Адекватность предложенного метода расчета условиям статического взаимодействия токосъемных устройств...............................99

3.4. Выводы............................................................................102

4. Качество токосъема при установке компенсирующих упругих

устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.................103

4.1. Техническая эффективность применения компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками......103

4.2. Экспериментальные исследования жесткости в пролетах с одной контактной подвеской при наличии компенсирующего

упругого устройства в лабораторных условиях.......................................106

4.3. Экспериментальные исследования жесткости в пролетах с одной контактной подвеской при наличии компенсирующего

упругого устройства на полигоне........................................................109

4.4. Экспериментальные исследования жесткости контактных подвесок в переходных пролетах при наличии компенсирующего

упругого устройства в лабораторных условиях.......................................114

4.5. Экспериментальные исследования жесткости контактных подвесок в переходных пролетах при наличии компенсирующего

упругого устройства на экспериментальном участке................................116

4.6. Экономическая эффективность использования компенсирующих упругих устройств...................................................122

4.7. Выводы............................................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................125

Библиографический список........................................................126

Приложение А. Планы однофакторных и многофакторных

экспериментов................................................................................144

Приложение Б. Сравнение результатов экспериментальных

исследований и статических расчетов контактных подвесок......................151

Приложение В. Результаты экспериментального определения

жесткости контактных подвесок на полигоне ст. Омск.............................156

Приложение Г. Акт передачи в опытную эксплуатацию на Входнинскую дистанцию электроснабжения Западно-Сибирской железной

дороги упругих компенсирующих устройств контактной подвески.............159

Приложение Д. Акт результатов эксплуатационных испытаний упругих компенсирующих устройств контактной подвески на Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги............160

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства России № 877-р от 17 июня 2008 г., планируется значительное увеличение объема перевозок. Повышение интенсивности движения поездов на электрических железных дорогах предъявляет высокие требования к качеству токосъема, особенно в местах контактной сети с повышенной жесткостью, к которым относятся воздушные стрелки, секционные изоляторы, сопряжения анкерных участков и др.

На железных дорогах России отраслевыми институтами подготовлен проект федеральной целевой программы «Развитие скоростного и высокоскоростного движения пассажирских поездов в России на период 2000 - 2015 гг.». В соответствии с указанной программой намечена организация к 2015 г. скоростного пассажирского движения на полигоне с общей протяженностью линий около 8000 км.

Увеличение скоростей движения также снижает надежность, экономичность и ухудшает экологичность токосъема. Взаимодействию токоприемников и контактных подвесок в указанных выше местах контактной сети, особенно при высоких скоростях движения, уделено достаточно большое внимание. Однако многие аспекты, такие как неравномерность жесткости в пролетах, особенности взаимодействия подвески с несколькими токоприемниками и др., требуют дальнейшего проведения исследований, что указывает на недостаточную разработанность темы. В связи с этим вопросы обеспечения качества токосъема в указанных местах остаются актуальными.

Цель диссертационной работы — повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн путем выравнивания жесткости контактной подвески в пролетах за счет использования разработанных компенсирующих упругих устройств.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ известных методов расчета механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, на его основе установить основные допущения, принятые при расчетах, и разработать новый метод, учитывающий особенности взаимодействия токосъемных устройств на участках электрических железных дорог, содержащих переходные пролеты;

2) получить массивы исходных данных по контактным подвескам и токоприемникам, позволяющие осуществить расчет их взаимодействия;

3) провести теоретические и экспериментальные исследования механического взаимодействия токоприемников и контактных подвесок и сопоставить полученные данные для оценки адекватности разработанного метода;

4) предложить новые технические решения, обеспечивающие повышение качества токосъема на сопряжениях анкерных участков и в местах установки первых нерессорных струн, на их основе разработать конструктивное исполнение устройств и провести экспериментальные исследования их работы;

5) определить технико-экономическую эффективность принятых технических решений.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе механики твердых тел при помощи математического моделирования на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ Ма1;1аЬ и МаШсаё. Эксперименты проведены на лабораторных установках, полигоне и действующих участках железных дорог в соответствии с разработанными программами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложен метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств для определения траекторий элементов и функций контактного нажатия двух токоприемников с учетом наличия двух подвесок в переходном пролете;

2) усовершенствована статическая модель подвески с двумя контактными проводами, учитывающая разное высотное положение этих проводов;

3) разработан метод расчета статической жесткости контактных подвесок, основанный на определении неизвестных реакций связей с учетом наличия вертикальных упругих элементов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов. При сравнении результатов теоретических и экспериментальных исследований значения критерия Фишера составляют менее 1,2 и не превышают табличных значений для уровня значимости а = 0,05.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1) предложенный метод расчета взаимодействия токосъемных устройств позволяет получить зависимости контактного нажатия токоприемников от расстояния в пролетах с одной и двумя контактными подвесками с учетом волновых процессов, эффекта приведения, наличия двух токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;

2) усовершенствованная статическая модель подвески может быть использована для определения ее жесткости при разном высотном положении контактных проводов;

3) разработанный метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом вертикальных упругих элементов дает возможность выбрать рациональные варианты размещения компенсирующих упругих устройств в пролетах с одной и двумя контактными подвесками.

Положения, выносимые на защиту:

1) метод расчета механического взаимодействия токосъемных устройств с учетом волновых процессов, эффекта приведения, наличия переходных пролетов, двух рабочих токоприемников и вертикальных ограничений перемещения их элементов;

2) модель контактной подвески для расчета статических характеристик с учетом разного высотного положения контактных проводов;

3) метод расчета статической жесткости контактных подвесок с учетом наличия вертикальных упругих элементов.

Реализация результатов работы. Образцы разработанных компенсирующих устройств переданы в опытную эксплуатацию на Западно-Сибирскую железную дорогу - филиал ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на V международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2004), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (Омск, 2011), заседаниях научно-технического семинара кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа и научно-теоретического семинара ОмГУПСа (Омск, 2013).

1. Особенности взаимодействия токоприемников и контактных подвесок на магистральных электрических железных дорогах

Системы токосъема на электрическом транспорте состоят из двух взаимодействующих частей: контактной подвески и движущихся по ней токоприемников [1].

1.1. Составляющие контактного нажатия при взаимодействии токоприемников и контактных подвесок

Контактное нажатие в процессе взаимодействия токоприемников и контактных подвесок не остается постоянным, вследствие чего качество токосъема оказывается различным в различных условиях.

При движении токоприемника в общем случае оно включает в себя следующие составляющие:

Р=Р+Р+Р+Р п п

КТ р— тр— 'и - -1 ВТ > V1 •1 /

гдеРр- нажатие, создаваемое подъемными пружинами токоприемника или ре-

зинокордным элементом;

Р - сила трения в подвижных элементах токоприемника;

Ри- инерционная сила;

Рт - аэродинамическая составляющая.

Сила нажатия подъемных пружин в диапазоне рабочих высот токоприемника изменяется незначительно и фактически остается постоянной и вне зависимости от скорости движения [2].

Трение токоприемника может быть сухим и вязким [3]. Силы сухого трения, создаваемые в шарнирах, меняют свое направление при изменении знака вертикального ускорения соответствующего узла токоприемника, сохраняя при этом постоянное числовое значение. Силы вязкого трения появляются при взаимодействии с внешней средой и наличии демпфирующих устройств и линейно зависят от скорости движения токоприемника.

Динамическая составляющая контактного нажатия обусловлена вертикальными колебаниями токоприемника.

Аэродинамические силы токоприемника, обусловленные подъемной силой воздушного потока, зависят от квадрата скорости движения токоприемника, а также от других факторов.

При небольших скоростях движения вертикальные перемещения токоприемника незначительно влияют на величину нажатия в точке контакта, действие аэродинамических сил несущественно [4], вследствие чего контактное нажатие лежит в пределах изменения статического нажатия, которое определяется двойной величиной трения.

Процесс взаимодействия токосъемных устройств при высоких скоростях движения имеет ряд характерных особенностей.

Увеличение скорости вертикальных перемещений токоприемника будет сопровождаться возрастанием инерционных сил, под влиянием которых контактное нажатие может значительно изменяться [5]. В этом случае на контактное нажатие будет оказывать влияние неоднородность характеристик контактных подвесок и наличие на них «жестких» точек (сопряжения анкерных участков, секционные изоляторы, воздушные стрелки и т.п.). Возрастание амплитуды колебаний контактного нажатия может привести как к отрывам токоприемника, так и к недопустимым отжатиям контактных проводов и, как следствие, повреждениям подвески.

Увеличение аэродинамической составляющей контактного нажатия с повышением скорости может привести к недопустимо большим изменениям этого нажатия.

В системе механического взаимодействия токосъемных устройств при определенных скоростях могут возникнуть резонансные колебания масс, что приводит к резкому увеличению размаха колебаний контактного нажатия.

Одни и те же конструк�