На правах рукописи

ГОЛУБКОВ Антон Сергеевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СКОРОСТНЫХ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Омский государственный университет путей сообщения (ГОУ ВПО ОмГУПС (ОмИИТ)).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор СИДОРОВ Олег Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НЕХАЕВ Виктор Алексеевич;

кандидат технических наук, доцент БЕЛЯЕВ Павел Владимирович.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ОАО ВНИИЖТ).

Защита диссертации состоится 30 июня 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Омский государственный университет путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

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

Автореферат разослан 26 мая 2009 г.

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

Тел./факс: (3812) 44-28-31, e-mail: egt@omgups.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.

Омский гос. университет путей сообщения, 2009

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Согласно стратегии научно-технического развития ОАО Российские железные дороги на период до 2015 г. (Белая книга ОАО РЖД) одним из важнейших направлений развития является увеличение скоростей движения пассажирских и грузовых составов на основных железнодорожных магистралях страны для повышения пропускной способности линий, комфорта пассажиров, конкурентоспособности и экономичности перевозок.

ОАО РЖД планирует ввести в эксплуатацию высокоскоростные линии на участках Москва - Санкт-Петербург, Москва - Нижний Новгород и СанктПетербург - Хельсинки для скоростей движения до 250 км/ч. Кроме того, планируется открыть движение на скоростях до 160 км/ч на участках ЗападноСибирской железной дороге и на других дорогах. Для обеспечения надежного и экономичного токосъема при высоких скоростях движения возникает необходимость в разработке новых и совершенствовании существующих конструкций токоприемников и контактных подвесок.

При проектировании контактной подвески для скоростных линий обычно имеется множество вариантов сочетаний их параметров, пригодных для реализации. Однако выбор наиболее рационального сочетания параметров на этом этапе представляет собой сложную задачу. Для обоснованного выбора одного из вариантов контактных подвесок необходимо проводить сравнительные испытания на действующих полигонах, пригодных для скоростного движения, с использованием скоростного электроподвижного состава, который будет эксплуатироваться на данном участке. Проведение линейных испытаний связано с привлечением значительных материальных и людских ресурсов, а результаты испытаний позволяют выбрать один вариант из ограниченного набора имеющихся сочетаний параметров контактных подвесок.

В связи с этим разработка методик оценки влияния сочетаний параметров контактных подвесок на качество токосъема, позволяющих выбрать рациональные значения этих параметров, представляется весьма актуальной.

Цель диссертационной работы - разработка теоретических и экспериментальных методов выбора рациональных параметров скоростных контактных подвесок для обеспечения надежного и экономичного токосъема.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих методов расчета показателей контактных подвесок, учитывающих их конструктивные параметры.

2. Создать метод расчета рациональных параметров скоростных контактных подвесок на основе их конечно-элементных моделей.

3. Усовершенствовать методы и разработать аппаратные средста для экспериментального определения рациональных параметров скоростных контактных подвесок и токоприемников.

4. Провести экспериментальные исследования скоростных контактных подвесок и оценить достоверность предложенной математической модели и методики определения рациональных параметров контактных подвесок.

5. Выполнить оценку технико-экономической эффективности предлагаемых технических решений.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе методов системного подхода, теории планирования эксперимента, математического моделирования на ПЭВМ, статистического и корреляционного анализа. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных установках и в условиях натурных испытаний на действующей скоростной линии Москва - Санкт-Петербург Октябрьской железной дороги.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана усовершенствованная конечно-элементная модель контактной подвески, позволяющая исследовать волновые процессы, протекающие в ней при токосъеме.

2. Предложен метод расчета рациональных параметров скоростных контактных подвесок с использованием конечно-элементной математической модели.

3. Разработана усовершенствованная методика экспериментальных исследований характеристик скоростных контактных подвесок и токоприемников с применением метода видеоизмерения.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных и натурных экспериментов, проведенных на действующих скоростных участках Октябрьской железной дороги. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными составляет не более 8.

Практическая ценность диссертации заключается в следующем:

1. Предложенная методика определения рациональных параметров контактных подвесок позволяет подобрать натяжение проводов, обеспечивающее наименьшее отжатие контактных проводов при заданных скоростях движения для любых конфигураций расположения токоприемников электроподвижного состава.

2. Усовершенствованная методика исследования характеристик устройств токосъема на основе систем видеоизмерения позволяет повысить точность измерения и увеличить информативность набора данных, характеризующих качество токосъема при высоких скоростях движения.

3. Созданный универсальный измерительный комплекс для исследования устройств токосъема позволяет снизить стоимость и продолжительность проведения натурных испытаний.

Реализация результатов работы. Представленные в работе методики и разработанное программное обеспечение для оценки качества токосъема по видеоинформации были использованы при проведении скоростных испытаний контактной подвески и токоприемников на участке Лихославль - Калашниково Октябрьской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах Eltrans (Санкт-Петербург, 2005, 2007); на международной научнотехнической конференции Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России (Екатеринбург, 2006); на всероссийской научно-практической конференции Транспорт-2007 (Ростовна-Дону, 2007); на VII международной научно-практической конференции Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики (Новочеркасск, 2006); на VII международной научно-практической конференции Моделирование. Теория, методы и средства (Новочеркасск, 2007); на научно-технических семинарах кафедры Электроснабжение железнодорожного транспорта ОмГУПСа в 2006 - 2009 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 19 печатных работах, включая пять статей (две - в журналах, входящих в перечень, рекомендованных ВАКом), тезисы шести докладов на международных и всеросийских научно-практических конференциях и симпозиумах, четыре патента на полезные модели, четыре свидетельства о регистрации программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 116 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 148 страниц, включая 16 таблиц и 63 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе выполнен анализ известных методов расчета взаимодействия токоприемников с контактной подвеской, позволяющих оценивать влияние параметров контактных подвесок на качество токосъема.

Модели расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской разрабатывали В. А. Ан, К. Армбрастер, И. А. Беляев, К. Беккер, И. И. Власов, В. А. Вологин, А. Г. Галкин, А. И. Гуков, А. В. Ефимов, В. Т. Жарков, И. Кумезава, К. Г. Марквардт, Н. В. Миронос, В. П. Михеев, Р. Моррис, В. А. Нехаев, Р. Ниблер, В. М. Павлов, А. В. Плакс, В. И. Себелев, О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, Л. Д. Тавровский, Б. Финк, А. В. Фрайфельд, С. Фуджии, Н. Эхарa и другие ученые.

Анализ существующих методик расчета взаимодействия токоприемников и контактной подвески показал необходимость применения моделей контактных подвесок с распределенными параметрами для получения адекватных данных при скоростях движения свыше 200 км/ч.

Модели с распределенными параметрами позволяют исследовать волновые процессы в контактных подвесках, что является необходимым условием при оценке качества токосъема на высоких скоростях движения, особенно в случаях использования двух и более токоприемников.

На основании проведенного анализа выявлены направления совершенствования модели контактной подвески для исследования влияния ее параметров на взаимодействие с токоприемниками.

Во второй главе рассмотрена усовершенствованная методика определения рациональных параметров контактной подвески на основе применения конечно-элементной модели.

Модель представляет собой систему связанных стержней, образующих провода и тросы контактной подвески. В узлах соединения соседних стержней располагаются упругие и демпфирующие элементы, предназначенные для имитации изгибной жесткости и внутреннего сухого трения проводов (рис. 1). Контактный провод крепится к несущему тросу посредством нерастяжимых струн.

К крайним элементам контактного провода и несущего троса, расположенным на концах анкерного участка, прикладываются постоянные силы, обеспечивающие натяжение контактной подвески.

В основе модели лежат системы уравнений, описывающие состояние каждого элемента в отдельности. В ходе итерационного вычислительного процесса эти уравнения решаются совместно.

Рис. 1. Расчетная схема конечно-элементной модели контактной подвески Каждый элемент модели провода описывается координатами центра масс xi, yi, углом расположения относительно оси OX - i и силами, действующими на него.

В предложенной расчетной схеме можно выделить несколько типов элементов, состояние которых описывается характерными системами уравнений.

К характерным типам относятся элементы проводов, связанные только с соседними элементам, места установки струн, крепления несущего троса, окончания контактного провода и несущего троса.

Для повышения точности расчетов в модели имитируются изгибная жесткость и внутреннее трение проводов при помощи упругих и демпфирующих элементов, размещенных в узлах соединения стержней. Например, на элемент модели, связанный только с соседними элементами, действуют сила тяжести (mig), силы натяжения (Ki-1, Ki+1), силы, вызванные упругими свойствами про вода (Fиi-1, Fиi+1), силы внутреннего сухого трения в проводе (Wi-1, Wi+1,), сила вязкого трения провода о воздушную среду (r ) и сила контактного нажатия токоприемника на контактный провод (P ) (рис. 2).

Система уравнений, описывающих силы и моменты, действующие на единичный элемент модели имеет вид:

Ki-1 cos i-1 + Ki+1 cos i+1 - (Fиi-1 - Wi-1 th (i - i-1)) cos i-1+ +(Fиi+1 - Wi+1 th (i - i+1)) cos i+1 = mii;

Ki-1 sin i-1 + Ki+1 sin i+1 - (Fиi-1 - Wi-1 th (i - i-1)) sin i-1+ +(Fиi+1 - Wi+1 th (i - i+1)) sin i+1 + mig - ri + P = mii;

MKi-1 + MKi+1 + Mиi-1 - MW i-1 + Mиi+1 - MW i+1 + MP = iJ, где MKi-1, MKi+1, Mиi-1, Mиi+1, MW i-1, MW i+1, MP - моменты сил натяжения, упругости, внутреннего трения провода и контактного нажатия токоприемника соответственно, Нм.

Для реализации описанной модели разработан специализированный программный комплекс Программа исследования динамики волновых процессов в контактных подвесках при токосъеме (свид. об офиц. рег. № 2008612516).

Опыт эксплуатации подвижного состава на скоростях 160 - 350 км/ч свидетельствует о необходимости использования двух параллельно включенных токоприемников, разнесенных по длине состава, что позволяет снизить токовую нагрузку на скользящий контакт, повысить максимальный допустимый ток, потребляемый подвижным составом, уменьшить искрение и дугообразование, повысить срок службы токосъемных накладок.

На характер взаимодействия второго Рис. 2. Силы, действующие на элемент по ходу движения токоприемника с контактного провода контактной подвеской дополнительно влияют волновые эффекты, вызванные проходом первого токоприемника.

Целью проведения вычислительных экспериментов являлось выявление закономерностей в характере взаимодействия токоприемников и контактных подвесок в зависимости от натяжения проводов, параметров токоприемников и скорости движения электроподвижного состава (ЭПС), позволяющих прогнозировать значения отжатий контактных проводов и контактного нажатия токоприемников, а также случаи нарушения токосъема. В ходе вычислительных экспериментов определялось максимальное отжатие проводов контактной подвески при различных интервалах времени между проходами первого (t1) и второго (t2) токоприемников при совпадении момента t2 с различными фазами колебаний контактной подвески (рис. 3).