Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника по условиям токосъема

3. Сливинская, А. Г. Электромагниты и постоянные магниты [Текст]: Учебное пособие / А. Г. Сливинская. - М.: Энергия, 1972. - 248 с.

4. Зуев, А. К. Основные положения теории виброизоляции произвольных пространственных колебаний [Текст] / А. К. Зуев // Снижение вибрации на судах: Сб. науч. тр. / Ново-сиб. ин-т инж. вод. трансп. - Новосибирск, 1991. - С. 4 - 17.

УДК 621.336

Г. П. Маслов, А. Е. Чепурко

РАЦИОНАЛЬНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТОКОПРИЕМНИКА ПО УСЛОВИЯМ ТОКОСЪЕМА

В статье рассмотрено влияние аэродинамической составляющей на величину контактного нажатия при различных скоростях движения. Определен допустимый диапазон изменения аэродинамической подъемной силы, выбрана рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника при определенной величине его приведенной массы.

В процессе взаимодействия токоприемника и контактной подвески контактное нажатие не остается постоянным вследствие изменения инерционной и аэродинамической составляющих, что приводит к снижению надежности, экономичности и экологичности токосъема.

Статическое нажатие токоприемника Рр нормировано и при отсутствии системы его автоматического регулирования должно оставаться постоянным в процессе токосъема. При наличии же такой системы оно регулируется в строго определенном диапазоне. Контактное нажатие можно поддерживать в заданных пределах также путем регулирования его переменных составляющих. Рассмотрим влияние на контактное нажатие одной из них - аэродинамической.

Согласно утверждению источника [1] аэродинамическая подъемная сила не должна вызывать увеличения контактного нажатия более 80 % по сравнению со статическим:

1 кг max 1, ° 1 р

или уменьшения на 40 %

1 кг min i p.

В качестве примера рассмотрим взаимодействие токоприемников с различными приведенными массами и контактной подвески KC-200-06K с составом проводов М-120+2МФ-120. Длина пролета - 65 м. Статическое нажатие системы подвижных рам принято 110 Н, скорость - от 120 до 240 км/ч, приведенные массы токоприемников - 30, 35, 40 кг.

Расчет производится методом, приведенным в работе [2]. Для определения контактного нажатия во всех точках пролета при конкретной скорости движения использовалось выражение:

Ркг = Рр ± Ртр ± Ра ± Рвт = - mn у\ - гк

где PKT - контактное нажатие, Н;

Рр - сила статического нажатия системы подвижных рам, приведенная к верхнему шарниру, Н;

Ртр - составляющая сил трения, Н;

Ра - инерционная составляющая контактного нажатия, Н;

Рвт - аэродинамическая подъемная сила, Н;

mn - условная приведенная масса верхнего узла токоприемника, кг;

34 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)

уп - вертикальное ускорение верхнего узла токоприемника, м/с2;

rK - коэффициент вязкого трения контактной подвески, даН с/м;

уп - вертикальная скорость перемещения верхнего узла токоприемника, м/с;

у - вертикальная скорость перемещения рам токоприемника, м/с;

уп - ордината верхнего узла токоприемника, м;

yp - ордината рам токоприемника, м;

hK0 - величина свободного хода кареток токоприемника, м;

жк - жесткость контактной подвески, даН/м;

wT - сила сухого трения токоприемника, даН/м.

Рассмотрим изменение контактного нажатия в пролете, когда аэродинамическая подъемная сила полностью скомпенсирована. На рисунке 1 приведены кривые контактного нажатия для скоростей 120, 160, 180 и 200 км/ч, стрелы провеса контактного провода 40 мм и приведенной массы токоприемника 40 кг.

ISO

Н

140

i 120'

100

so

Рш

60

40

20 О

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 М 65

I --

Рисунок 1 - Изменение контактного нажатия в пролете при полной компенсации аэродинамической подъемной силы токоприемника при скоростях движения, км/ч: 1 - 120, 2 - 160, 3 - 200

Из рисунка 1 видно, что с увеличением скорости движения происходит увеличение разброса контактного нажатия. Так, при скорости 120 км/ч максимальная величина разброса контактного нажатия больше статического на 21 % (133,2 Н), а минимальная - меньше на 22 % (85,7 Н). При скорости 200 км/ч эти значения составили 52 (169,8 Н) и 65 % (38,3 Н) соответственно.

Влияние приведенной массы токоприемника на величину контактного нажатия в пролете при скорости 200 км/ч приведено на рисунке 2, из которого следует, что у токоприемника с большей приведенной массой разброс контактного нажатия больше. Для конструкции с приведенной массой 30 кг максимальное нажатие составляет 141,7 Н, минимальное - 66,9 Н, а при 40 кг оно равно 159,1 и 48,0 Н соответственно.

При определении рациональной аэродинамической характеристики токоприемника необходимо исходить из допустимого диапазона изменения контактного нажатия (1), (2). При статическом нажатии в 110 Н переменные составляющие не должны приводить к снижению величины контактного нажатия менее 66 Ни увеличению более 198 Н.

Максимальные и минимальные значения контактного нажатия в пролете при полностью скомпенсированной аэродинамической подъемной силе токоприемника и рациональная величина этой подъемной силы при скоростях от 120 до 240 км/ч приведены в таблице. Стрела провеса контактного провода принята 40 мм.

180 Н

140 120 100 80 60 40 20 0

" -

к

\ \ /

\ 1 \ 2 / г г

\

\ 3

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 М 65 / -*

Рисунок 2 - Изменение контактного нажатия при полной компенсации аэродинамической подъемной силы для скорости 200 км/ч, стрелы провеса контактного провода 40 мм и приведенной массы токоприемника, кг: 1 - 30, 2 - 35, 3 - 40

Контактные нажатия при полной компенсации аэродинамической подъемной силы и рациональная величина этой силы при различных скоростях движения и величинах приведенной массы

Скорость движения, км/ч 120 140 160 180 200 210 220 230 240

т = 30 кг

-^кт max, Н 130,86 132,87 133,09 134,00 141,68 146,39 151,12 156,35 163,62

-^кт т^ Н 87,81 82,89 79,07 76,53 66,94 62,94 57,70 51,49 42,79

-^вт раф Н 9,00 11,00 14,00 18,00 24,00 26,00 28,00 29,00 30,00

т = 35 кг

-^кт max, Н 132,19 132,92 133,59 136,30 148,64 154,77 162,01 173,28 189,08

-^кт т^ Н 85,91 80,71 76,73 73,20 59,86 52,74 44,86 32,72 17,12

-^вт раф Н 9,00 12,00 15,00 19,00 26,00 28,00 30,00 * *

т = 40 кг

-^кт max, Н 133,20 133,70 135,20 140,50 159,10 167,80 184,40 199,40 206,20

-^кт т^ Н 85,70 80,30 74,50 67,50 48,00 38,30 22,20 5,60 -1,90

-^вт раф Н 10,00 13,00 16,00 21,00 28,00 30,00 * * *

* - контактное нажатие выходит за границы допустимого диапазона при любом значении аэродинамической подъемной силы.

Данные таблицы показывают, что рост приведенной массы токоприемника увеличивает изменение контактного нажатия вне допустимого диапазона, поэтому при приведенной массе токоприемника 35 кг скорость движения не должна превышать 220 км/ч, при 40 кг - 210. Только до этих скоростей регулирование контактного нажатия целесообразно обеспечивать за счет аэродинамических сил. Отсюда следует, что аэродинамическая подъемная сила не должна превышать 30 Н. Однако для токоприемников с различной приведенной массой эту силу следует принимать исходя из скорости движения.

Рациональная аэродинамическая подъемная сила токоприемника должна определяться согласно следующему алгоритму:

1) определение исходных данных, а именно типа токоприемника и контактной подвески, их параметров;

2) расчет контактного нажатия, определение его максимальной и минимальной величины в пролете при полностью скомпенсированной аэродинамической подъемной силе;

3) установление допустимого диапазона изменения контактного нажатия, сравнение гра-

36 ИЗВЕСТИЯ ТрайссиЦа 1м;п3111)

ниц данного диапазона с максимальным и минимальным контактным нажатием при полностью скомпенсированной аэродинамической подъемной силе;

4) определение величины рациональной аэродинамической силы, при которой контактное нажатие не будет выходить за границы допустимого диапазона.

Данный алгоритм повторяется для всех заданных скоростей, и строится рациональная аэродинамическая характеристика.

Рассмотрев величины, приведенные в таблице, отметим, что при большей приведенной массе возрастает инерционная сила и соответственно увеличивается разброс контактного нажатия. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению максимально допустимой скорости движения, что должно учитываться при определении рациональной аэродинамической характеристики токоприемника.

Аналогичным образом рассчитаны максимальные и минимальные величины контактного нажатия при полной компенсации аэродинамической подъемной силы, когда стрела провеса контактного провода изменялась от 40 до 60 мм. В качестве примера на рисунке 3 приведена зависимость контактного нажатия от стрелы провеса при скорости 180 км/ч и приведенной массе токоприемника 35 кг.

160 н

-Tici

80 60

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 М 65

I _-•>

Рисунок 3 - Изменение контактного нажатия при полной компенсации аэродинамической подъемной силы, скорость - 180 км/ч, приведенная масса токоприемника - 35 кг, стрела провеса, мм: 1 - 40, 2 - 50, 3 - 60

Приведенные на рисунке 3 зависимости показывают, что изменение контактного нажатия возрастает при увеличении стрелы провеса. Так, при стреле провеса 40 мм наибольшее контактное нажатие составляет 136,3 Н (на 23,9 % больше статического), наименьшее -

73.2 Н (на 33,4 % меньше статического), а при стреле провеса 60 мм они равны 155,5 (на

41.3 % больше статического) и 64,1 Н (на 41,7 % меньше статического) соответственно. Эти данные свидетельствуют о том, что чем больше стрела провеса, тем сильнее изменяется контактное нажатие в пролете вследствие увеличения инерционных сил. С увеличением этих сил для их компенсации необходимо увеличить аэродинамическую подъемную силу, но при этом нажатие не должно выходить за диапазон, рассчитанный по формулам (1), (2).

Рассмотрим, как изменение величины рациональной аэродинамической подъемной силы зависит от приведенной массы токоприемника (рисунок 4). Стрела провеса контактного провода принята равной 40 мм.

Из рисунка 4 видно, что у токоприемника с большей приведенной массой будет больше и инерционная составляющая контактного нажатия и усилится разброс контактного нажатия в пролете, следовательно, должна быть увеличена и аэродинамическая подъемная сила. Так, при 180 км/ч и массе в 30 кг целесообразно иметь аэродинамическую подъемную силу 17 Н, а при массе 40 кг - не менее 21 Н.

№ 3(11) 2012

ет рац.

35=00

н

25:00 20=00 15=00 10=00 5=00 0.00

120

\

V

\ 2

3

140

160

ISO

200

км/ч

240

Рисунок 4 - Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника с приведенной массой, кг:

1 - 30, 2 - 35, 3 - 40

Рациональная аэродинамическая подъемная сила зависит также от стрелы провеса контактного провода. На рисунке 5 приведена рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника с приведенной массой 35 кг при различных стрелах провеса.

si р ац.

35=00

н

25=00 20=00 15=00 10=00 5=00 0.00

3

\ \ 2

\ 1

120

140

160 V

ISO

км/ч

220

Рисунок 5 - Рациональная аэродинамическая характеристика токоприемника при различных стрелах провеса контактного провода, мм: 1 - 40, 2 - 50, 3 - 60

Из рисунка 5 видно, что при скорости 180 км/ч и стреле провеса 40 мм рациональная аэродинамическая подъемная сила равна 19 Н, а для 60 мм - 24 Н. С учетом всех возможных стрел провеса контактного провода и других влияющих факторов можно осреднить рациональную аэродинамическую характеристику. В этом случае следует для каждой скорости рассчитать среднее значение аэродинамической подъемной силы при всех заданных стрелах провеса. Осредненная аэродинамическая характеристика и будет той рациональной характеристикой, которую необходимо получить для токоприемника с заданной приведенной массой. Эта характеристика для токоприемника с приведенной массой 35 кг приведена на рисунке 6.

Для того чтобы связать аэродинамическую подъемную силу с приведенной массой, введем величину, которую назовем аэродинамическим показателем:

£а = ^,

m

38 ИЗВЕСТИ* Тра нссиба №203111)

где т - приведенная масса токоприемника, кг; РВТ - аэродинамическая подъемная сила, Н.

Рисунок 6 - Осредненная аэродинамическая характеристика токоприемника

Из выражения (3) видно, что данный показатель имеет размерность Н/кг и характеризует величину аэродинамической подъемной силы, необходимую для компенсации инерционных сил, вызванных вертикальными перемещениями токоприемника. Аэродинамический показатель зависит от скорости движения электроподвижного состава, стрелы провеса контактного провода и других параметров контактной подвески и токоприемника. При скорости 160 км/ч ka изменяется в пределах от 0,40 до 0,46 Н/кг, а при 180 км/ч - от 0,53 до 0,60 Н/кг соответственно.

Таким образом, при определении рациональной аэродинамической характеристики токоприемника электроподвижного состава необходимо руководствоваться величиной его приведенной массы с учетом параметров подвески, влияющих на составляющие контактного нажатия. Следует учитывать и тот факт, что в процессе токосъема изменяется рабочая высота, а следовательно, и приведенная масса токоприемника, что требует использования регулируемых аэродинамических устройств, аэродинамическая подъемная сила которых изменяется в зависимости от рабочей высоты, позволяя получить заданную рациональную аэродинамическую характеристику.

Список литературы

1. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. - М.: Маршрут, 2003. - 416 с.

2. Рубан, В. Г. Решение задач динамики железнодорожных экипажей в пакете Mathcad [Текст] / В. Г. Рубан, А. М. Матва / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 63 - 74.

3. Вологин, В. А. Взаимодействие токоприемника и контактной сети [Текст] / В. А. Во-логин. - М.: Интекст, 2006. - 256 с.

4. Pombo, J. Influence of the aerodynamic forces on the pantograph-catenary system for highspeed trains / J. Pombo, J. Ambrosio and other // Vehicle System Dynamics. - Milano. - 2009. -Vol. 47, № 11. - P. 1327 - 1347

5. Маслов, Г. П. Аэродинамические показатели токоприемников скоростного электрического подвижного состава [Текст] / Г. П. Маслов, М. А. Дятлова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1. - С. 20 - 25.

6. Смердин, А. Н. Совершенствование методики исследования волновых процессов в

№ 3(11) 2012

контактной подвеске на основе конечно-элементной модели [Текст] / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, В. А. Жданов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - 2011. -№ 1. - С. 30 - 37.

7. Дербилов, Е. М. Особенности имитационного моделирования взаимодействия токоприемников и контактных подвесок на сопряжениях [Текст] / Е. М. Дербилов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 4. - С. 10 - 16.

8. Аркашев, А. Е. Моделирование взаимодействия токоприемника и контактной подвески с учетом отрыва полоза от контактного провода [Текст] / А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011 - № 3. - С. 2 - 8.

УДК 629.4.017:531.43:544.021

Ю. И. Матяш, С. Н. Крохин, Ю. М. Сосновский

ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НА ПРИМЕРЕ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК

В данной статье рассмотрены проблемы эксплуатации тормозных колодок, применяемых на пассажирских вагонах железнодорожного транспорта. Показано, что отвод тепловой энергии при торможении является актуальной задачей. Рассмотрены физические основы теплопроводности твердых тел с учетом ангармонического характера тепловых колебаний атомов. Предложен экспресс-метод оценки теплопроводности чугунных тормозных колодок пассажирских вагонов.

В настоящее время все магистральные железнодорожные линии с интенсивным движением поездов оборудованы автоматической блокировкой. Машинист, руководствуясь показаниями сигналов, ведет поезд и ему остается только внимательно следить за показаниями светофоров. Но если машинист по какой-либо причине не заметил запрещающего сигнала светофора и проехал на него, его «поправит» уже другая система, имеющая название «Автостоп». В этом случае реализуется так называемое экстренное торможение, которое по длительности его осуществления не превышает 45 - 50 секунд. Кинетическая энергия подвижного состава в этом случае преобразуется в тепловую энергию, которая расходуется на нагрев колеса и тормозной колодки.

В литературе имеются сведения о том, что даже при эксплуатации типовых грузовых составов возникают значительные проблемы с обеспечением работоспособности тормозного оборудования. Так, например, по данным отделения автотормозного хозяйства ВНИИЖТа в режиме остановочного торможения пассажирского вагона массой брутто 60 тс начальной скоростью 60 км/ч температура нагрева колес составляет на поверхности катания и на глубине 40 мм от нее 637 и 570 °С соответственно [1].

При таком нагреве изменяются механические свойства материала обода колес. Предел прочности стали с содержанием углерода 0,42 - 0,50 % при нагреве до температуры 550 °С снижается и составляет не более 50 % его значения при температуре 20 °С. Чередование тормозного нажатия на колодку и отпуска тормозов в условиях эксплуатации вызывает циклические тепловые нагрузки, которые создают знакопеременные деформации, в результате чего на поверхности катания возникают термоусталостные разрушения материала в виде трещин с последующим выкрашиванием. Частое торможение при повышенных скоростях движения пассажирских поездов и перегрев фрикционных узлов требуют интенсивного отвода значительного количестватепла [2].

Очевидно, что при увеличении скорости движения поездов, их длины и веса проблемы, связанные с обеспечением безопасности движения грузовых поездов, значительно усложняются. Это связано прежде всего с тем, что количество рассеиваемой энергии при торможении

40 ИЗВЕСТИЯI Транссиба №, 3Ц1