Моделирование износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта

2. Средняя относительная погрешность прогнозирования СКО контактного нажатия на контрольной выборке составила 7,8 %.

3. Накопление большего набора обучающей выборки позволит увеличить способность нейронной сети к обобщению, что снизит общую ошибку определения СКО контактного нажатия токоприемника.

Список литературы

1. Сидоров, О. А. Применение рациональных методик оценки качества токосъема магистральных электрических железных дорог [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, В. А. Жданов // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2011. -Вып. 1(28). - С. 70-77.

2. Смердин, А. Н. Совершенствование методов оценки показателей скоростных контактных подвесок [Текст] / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, В. А. Жданов // Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: Сборник статей молодых ученых и аспирантов университета /Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. - Вып. 10. - 174 с.

3. Хайкин, С. Нейронные сети: полный курс [Текст] / С. Хайкин. - М.: Вильяме, 2006. -1102 с.

4. Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») [Текст] / ОАО «РЖД». - М., 2007. - 46 с.

5. Айвазян, С. А. Прикладная статистика: исследование зависимостей [Текст]: Справочное издание [Текст] / С. А. Айвазян, И. С. Енюков, J1. Д. Мешалкин - М.: Финансы и статистика, 1985. -487 с.

6. Kolmogorov, А. N. On the représentation of continuous functions of many variables by superposition of continuous functions of one variable and addition [Текст] / A. N. Kolmogorov // Dokl. Akad. Nauk USSR, 1957. - Vol. 114. - P. 953 - 956.

УДК 621.336.7

С. А. Ступаков, В. М. Филиппов

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА МОНОРЕЛЬСОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

В статье представлены результаты моделирования износа контактных пар устройств токосъема на основании экспериментальных исследований и расчета. Выполнено прогнозирование износа элементов системы токосъема монорельсового электрического транспорта.

Одной из актуальных проблем при создании электрических транспортных систем является обеспечение надежной и экономичной передачи электроэнергии подвижному составу. Решение этой проблемы связано с разработкой новых или модернизацией существующих устройств токосъема. Передача электроэнергии электрическому подвижному составу осуществляется через скользящий контакт «контактный элемент - токопровод», вследствие чего элементы этой пары функционируют в условиях повышенного электромеханического износа. Повышение срока службы элементов контактной пары может быть обеспечено за счет выбора оптимального контактного нажатия, обеспечивающего качественный токосъем.

В 2001 г. введена в эксплуатацию трасса Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС) между станциями метро «Тимирязевская» и «Ботанический сад». Осуществляется проектирование скоростной монорельсовой линии нового поколения сообщением «город - аэропорт». Основной проблемой данного вида транспорта при передаче электриче-

ской энергии на борт электроподвижного состава является высокий износ контактных элементов токоприемника. Для исследования и решения этой проблемы разработана методика исследования износа и прогнозирования ресурса контактных пар устройств токосъема, основанная на синтезе результатов экспериментальных исследований и математических моделей.

Методика экспериментальных исследований [1] реализуется по следующим направлениям:

оценка работоспособности трибосистемы «контактный элемент - токопровод» при различных сочетаниях материалов и режимов испытания, соответствующих натурному узлу;

оценка износостойкости элементов контактных пар для заданных параметров процесса эксплуатации;

прогнозирование фрикционно-износных характеристик узла трения;

анализ чувствительности, т. е. точное определение такого сочетания внешних факторов и их значений, при котором обеспечиваются наилучшие выходные характеристики всей трибосистемы; выявление функциональных соотношений между внешними факторами и откликом системы.

Исследования выполняют на специализированной установке возвратно-поступательного типа (рисунок 1), позволяющей моделировать процесс взаимодействия элементов контактных пар со сложной геометрической поверхностью в условиях, максимально приближенных к режиму эксплуатации устройств токосъема электрического транспорта, в том числе монорельсовых систем. Схемные решения, использованные при создании данной установки, защищены патентом [2].

Установка имеет модуль- 1

ную конструкцию и в зависи- р

мости от целей исследования может быть оснащена следующими модулями: для исследования силы трения в скользящем контакте, для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон токо-провода, для исследования износа при высокой или низкой температуре и др.

Механическая часть установки включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со

К приводу

Рисунок 1 - Схема специализированной установки возвратно-поступательного типа

скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 4. На каретке закреплен токоприемник с контактным элементом 3, взаимодействующий с отрезком токопровода 1, закрепленным на изолировочной пластине 2. Возвратно-поступательное перемещение каретки 4 осуществляется с помощью привода вращения, связанного с кареткой тягой 7. Конструктивное исполнение тяги включает в себя блок 8 для подключения перечисленных выше модулей.

Помимо возвратно-поступательного установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 6, который устанавливается на тяге. При движении ролика 5 по поверхности копира токопровод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют. Для имитации реального процесса взаимодействия трибосистемы «токоприемник - токопровод» в соответствии с положениями теории моделирования были выбраны параметры жесткости токопровода.

Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован ком-

бинированный способ - совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема [3].

Моделирование процесса трения в контактных парах устройств токосъема связано с необходимостью решения многофакторной задачи, снизить количественный уровень которой позволяет теория подобия. Ввиду неоднородности составляющих процесса электромеханического износа контактных пар устройства токосъема электрического транспорта были составлены соответствующие модели для механического и электрического износа [3].

Для моделирования механического износа в соответствии с положениями теории подобия в критериях модели учтены следующие факторы: плотность, твердость, коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность, а также определена группа факторов, составляющих модель: давление в контакте Р, Н; интегральный коэффициент поверхности г, м; скорость скольжения о, м/с; время испытания с; содержание меди в материале контактного элемента М, %; твердость материалов контактного элемента и токопровода Н\ и Н2; теплопроводность материала контактного элемента Х\, Вт/(м-К); удельная теплоемкость токопровода с2, Дж/(кг-К). Кроме этого в критерии объединены факторы, влияющие на состояние внешней среды, - относительная влажность (р и количество абразива (запыленность) В качестве параметра оптимизации принят износ массы Им.

Функциональная зависимость между параметром оптимизации и факторами модели имеет вид:

им =ч/2(Р,и^,м,Н1/Н2Л>с2><Р>Х)-

В соответствии с положениями теории подобия получим уравнение:

И

м _

р

¥з

г _ л г2\

'и Л

Гт

\Ии

(

%

С

Хо у

Из формулы (2) получим уравнение, которое учитывает и другие факторы:

И

м

Р

= а,

ГР(с2Л г2\

Гт

УН2У

%

С \

Хо

\Х\ ;

где ао - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; а„„ Д„, ут, £т, Хт, со,,, ~ коэффициенты, определяемые экспериментально; Им/Р - симплекс (отношение износа массы контактного элемента к давлению в контакте); Рк2 / (г - комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента - передавать тепло); Ы / г — отношение пути трения к коэффициенту поверхности контактного элемента; (ро! (р\ - отношение среднего значения относительной влажности окружающей среды за пять лет к значению относительной влажности на момент исследований; Хо / X1 ~~ отношение среднего значения запыленности окружающей среды за пять лет к значению запыленности на момент исследований.

В результате обработки экспериментальных данных, полученных на специализированной установке, получены коэффициенты уравнения.

На рисунках 2 и 3 приведены номограммы для определения коэффициентов модели ао и ат для контактных элементов (КЭ) из различных материалов. Коэффициенты а() и ат нелинейно зависят от контактного давления, коэффициенты Д„, £„,, А„„ (от от давления не зависят и определяются экспериментально. Пример графиков механического износа контактного элемента из мед но графитового композита, полученных экспериментально и в результате расчета, приведен на рисунке 4. Приведенные зависимости использовались для решения задачи об определении оптимальных условий механического изнашивания (поиске области оптимума) для каждой контактной пары.

До

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

0,5

г*»

Г < Б / к. ронзовый КЭ

Стальной КЭ у / Ч| 1ч д> >

Меднографитовый КЭ ^ / 1 к ч \ 1 к N ч 1. Ч

\ > >

10 20 30 40 50 60 70 Н Р -

Рисунок 2 - Номограммы для определения коэффициента модели

90

Рисунок 3 - Номограммы для определения коэффициента ат модели 14

мкм/км 10

А

// А А

//

1 у/ у* у*

г ' Г'

2

1

0 10 20 30 40 50 60 70 Н 90

Р -

Рисунок 4 - Износ контактного элемента (меднографитовый композит, 1= 0): 1 - результаты эксперимента; 2 - расчет

На основании анализа уравнения (3) сделан вывод, что наибольшее влияние на износ оказывают механические свойства пары трения, а наименее значительный вклад в процесс изнашивания вносит параметр, учитывающий изменение нагрузки. Скорость трения, отношение твердостей и параметры окружающей среды также вносят весомый вклад в процесс изнашивания. Особая роль отводится фактору М, который представлен в чистом виде (самостоятельной составляющей), это указывает на ведущее влияние данного фактора на процесс изнашивания.

Износ контактных пар устройств токосъема зависит не только от механической нагрузки, скорости скольжения, температуры элементов и параметров окружающей среды, но и от электрической нагрузки. Влияние электрической нагрузки может рассматриваться как дополнительный фактор, влияющий на все характеристики скользящего контакта и увеличивающий механический износ. Процесс изнашивания контактных пар при протекании через контакт тока заключается во фриттинге пленок поверхностей и электролизе.

Дальнейшее развитие модели учитывает влияние электрического тока в контакте.

Износ контактных пар устройств токосъема от воздействия электрического тока можно представить с помощью функциональной зависимости между такими факторами, как дуго-стойкость материала, с; количество электричества, прошедшее через дугу, Ас; давление в контакте, Н; длина пути трения, м; комплекс, учитывающий изменение шероховатости поверхностей; комплекс, учитывающий износ при протекании тока без искрения. Общий электрический износ можно определить по формуле, приведенной в работе [4]:

где у - коэффициент, характеризующий дугостойкость материала; <2 ~~ количество электричества, прошедшее через дугу; Шо - коэффициент износа от механической нагрузки (без тока); Р - давление в контакте; 5 - длина пути трения; g - коэффициент, характеризующий износ материала вследствие повышения шероховатости поверхностей; - коэффициент износа при токовой нагрузке без искрения.

В результате анализа данных экспериментальных исследований электрического износа уравнение (4) было преобразовано к следующему виду:

И

э Р

( I—

где Е, (у,О) - коэффициент, характеризующий электроэрозионный износ от дугостойкости материала; у = у (£3, - коэффициент дугостойкости, который зависит от материала, рода тока и полярности элемента контактной пары; <2 = 0(1, п, - количество электричества, которое определяется средним значением тока дуги, количеством искрений и временем их горения; С, -

2

масштабный коэффициент перехода; XI = Ргс2 / (г%) - комплекс (см. уравнение (3); к^к^-Р"), где а = 1,4 • 10~3 А:3; к2=к2(р~^,ще р = 3,3-10"2^ ; ^ е [1; 2] - коэффициент,

учитывающий род тока (переменный или постоянный) и полярность контактного элемента (анодно- или катодно-поляризованный); к^ - коэффициент, учитывающий содержание меди в материале, %; кз - коэффициент, учитывающий содержание графита в материале, %.

Такое преобразование дает возможность получить зависимость, позволяющую оценивать электрический износ элементов контактной пары.

На рисунках 5 и 6 приведены номограммы для определения коэффициентов к\ и кг, остальные коэффициенты от силы контактного нажатия изменяются незначительно.

о

-0,05 -0,10

-0,15 -0,20 -0,25 -0,30

~°'35 0 10 20 30 40 50 60 70 Н 90

Р -

Рисунок 5 - Номограммы для определения коэффициента к\ модели

0,8 0,7

0,6

0,4

0,2 0,1

0 10 20 30 40 50 60 70 Н 90

Р -

Рисунок 6 - Номограммы для определения коэффициента ^ модели

Таким образом, с учетом уравнений (3) и (5) можно получить суммарный электромеханический износ элементов контактной пары: ИЕ = Иэ + Им.

Сравнение результатов расчета и эксперимента представлено на рисунках 7 и 8, отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет не более 6 %. На рисунках 7 и 8 приняты следующие обозначения: 1 - экспериментальные данные (с токовой нагрузкой /=100 А); 2 -расчет (/ = 0); 2 - расчет (с токовой нагрузкой / =100 А); 4 - суммарная расчетная зависимость.

\\

\ Ч

Рисунок 7 - Расчетные и экспериментальные зависимости износа контактного элемента из меднографитового композита

Рисунок 8 - Расчетные и экспериментальные зависимости износа бронзового токопровода

С целью оценки достоверности полученных зависимостей выполнен статистический анализ результатов эксперимента. Так как процесс изнашивания представляет собой результат воздействия на физическую систему совокупности значительного числа независимых случайных факторов, то у него наблюдаются свойства нормального закона распределения. Для проверки нормального распределения были рассчитаны критерии Пирсона. Так, полученное значение/2 = 6,8432 меньше табличного 7,8147, значит, закон распределения выбран верно. Приведем значения дисперсии параметра оптимизации £2(у) и дисперсии коэффици-

№3(7) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 49

2011 г

2 2 ента регрессии £ (Ь,) для контактной пары «меднографитовый композит - бронза»: £ (у) =

о

0,0439; 5 {Ь,) = 0,0237. Гипотеза адекватности проверялась по критериям Фишера и Стьюден-та. Значения критериев сведены в таблицу. Выполняются условия Фр < Фт и ¿р < ¿т, следовательно, модель адекватна.

Критерии Стьюдента и Фишера при обработке результатов эксперимента

Меднографитовый композит Бронза

Давление в контакте расчетные значения критерия

Фишера Стьюдента Фишера Стьюдента

10 1,89 1,96 2,13 1,52

20 1,71 1,65 1,02 1,70

30 1,65 1,88 2,03 0,89

40 1,99 1,72 1,97 0,83

50 2,03 1,76 0,65 1,74

60 1,95 1,86 1,61 1,91

70 1,44 1,31 1,74 1,85

80 2,02 1,89 1,69 1,38

Табличное значение критерия 2,14 1,97 2,14 1,97

Распределение вероятностей экспериментальных значений в доверительном интервале приведено на рисунке 9.

Рисунок 9 - Распределение вероятностей экспериментальных значений в доверительном интервале (меднографитовый композит): а - давление в контакте ЮН;

б - 50 Н; в - 80 Н

Массив информации, полученной в результате экспериментальных исследований и расчета износа контактных пар, используется для прогнозирования срока их службы. Алгоритм прогнозирования представлен на рисунке 10. Исходными данными для прогнозирования являются также графики контактного нажатия токоприемника, токовой нагрузки, скорости движения подвижного состава на конкретном участке и параметры условий эксплуатации. Затем выполняется обработка графика контактного нажатия Ркг на заданном участке: определение среднего значения нажатия, значений предельных отклонений (и количества откло-

нений) и т. д. Окончательный расчет износа контактных элементов и прогнозирование их ресурса осуществляются путем компьютерной обработки результатов анализа графика Ркт и II-образной зависимости износа.

Рисунок 10 - Алгоритм прогнозирования износа контактных пар

Результаты прогнозирования для меднографитового контактного элемента приведены на рисунке 11.

100 200 300 400 500 600 700 800 900

100 200 300 400 500 600 700 800 900

ь-

100 200 300 400 500 600 700 800 м 1000

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 200 300 400 500 600 700 800 м 1000

Ь-

Сухое трение Высокая влажность среды Запыленная среда

Рисунок 11 - Графики прогнозирования износа меднографитового КЭ: а - контактное нажатия на участке; б - удельный износ контактного элемента

На основании анализа экспериментальных исследований создана математическая модель, позволяющая выполнять расчет электромеханического износа контактных пар устройств токосъема монорельсового транспорта.

Анализ экспериментальных исследований и результатов расчета показывает, что отклонение значений составляет не более 6 % для различных материалов.

Список литературы

1. Михеев, В. П. Исследование и прогнозирование износа контактных пар устройств токосъема [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия вузов. Электромеханика. 2003.-№5.-С. 74-79.

2. Пат. на полезную модель № 58463. МПК В60Ь 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом [Текст] / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков, А. С. Голубков и др. Заявлено 29.06.2006; 2006. Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33.

3. Браун, Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах [Текст] / Э. Д. Браун, Ю. А. Евдокимов, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1982. - 191 с.

4. Мышкин, Н. К. Электрические контакты [Текст] / Н. К Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. Долгопрудный: Интеллект, 2008. - 558 с.

УДК 621.313.2

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИБОРА ПКК-5М

В статье представлены результаты математической обработки экспериментальных данных коммутационных испытаний манаты постоянного тока серии 2П, на основании которых установлен набор диагностических параметров, позволяющих проводить диагностирование с большей достоверностью. С помощью усовершенствованного прибора контроля качества коммутации ПКК-5М проведены экспериментальные исследования в соответствии с составленным планом полного факторного эксперимента. В итоге для электрического машины серии 2П получены уравнения регрессии среднего уровня искрения и среднего квадратичного отклонения интенсивности искрения по коллектору и во времени для режимов пере- и недокоммутации.

Процесс коммутации машин постоянного тока (МПТ) подвержен влиянию множества внешних и внутренних факторов, что особенно сильно проявляется в нестационарных режимах работы. В то же время для оценки уровня искрения щеток МПТ в настоящее время используется ГОСТ 183-74, предполагающий субъективную оценку видимого искрения под сбегающим краем щетки, оцениваемого в баллах при испытаниях в стационарных режимах работы. Однако условия коммутации каждой отдельной секции якорной обмотки в машине зависят от сочетания воздействующих факторов, следовательно, процесс коммутации является случайным и может характеризоваться вероятностными оценками: видом закона распределения интенсивности искрения и его параметрами - математическим ожиданием, дисперсией [1].

Для определения диагностических параметров, позволяющих повысить достоверность диагностирования состояния коммутации МПТ, проведена математическая обработка экспериментальных данных коммутационных испытаний двигателя П2-630-202-8СУХЛ4 главного привода прокатного стана «800» ОАО «Чусовской металлургический завод» [2]. В процессе испытаний двигателя в нестационарных режимах работы цифровым накопителем информации при различных значениях тока подпитки добавочных полюсов фиксировались значения