Оценка аэродинамических свойств токоприемника при его проектировании

2. Анисимов, А. С. Методы исследования взаимовлияния параметров функционирования тепловоза [Текст] / А. С. Анисимов, В. А. Михеев, Ю. Б. Гришина // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 1 (1). - С. 2 - 8.

3. Володин, А. И. Прогрев систем тепловозного дизеля в зимний период [Текст] / А. И. Володин, Р. Ю. Якушин // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Сб. науч. ст. / Московский гос. ун-т путей сообщения. - М., 2000. - С. 56.

4. Балагин, О. В. Математическая модель процесса технической эксплуатации дизельных локомотивов [Текст] / О. В. Балагин, А. В. Чулков, Д. В. Балагин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 4 (4). - С. 2 - 6.

5. Данковцев, В. Т. Совершенствование стационарного прогрева тепловозных дизелей [Текст] / В. Т. Данковцев, Р. Ю. Якушин // Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта / Самарская гос. акад. путей сообщения. - Самара, 2003. - Вып. 1. -С. 340.

6. Овчаренко, С. М. Влияние переходных процессов на расход топлива дизелем в эксплуатации [Текст] / С. М. Овчаренко, П. С. Корнеев, В. А. Четвергов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 1 (9). - С. 27 - 32.

7. Якушин, Р. Ю. Способы прогрева систем тепловозных дизелей в условиях локомотивных депо [Текст] / Р. Ю. Якушин // Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов: Монография.-М.: Желдориздат, 2007. - С. 185 - 201.

8. Володин, А. И. Исследование процессов теплопередачи в тепловозном дизеле [Текст] / А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4 (8). - С. 6 - 10.

УДК 625.4.015

М. А. Капралова

ОЦЕНКА АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОКОПРИЕМНИКА ПРИ ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИИ

В рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологического производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема», реализуемого при поддержке Министерства образования и науки РФ, в ОмГУПСе создается токоприемник «Аист». В статье приводятся спектры обтекания этого токоприемника воздушным потоком, полученные путем расчета, с использованием которых определены его аэродинамические характеристики.

Аэродинамические свойства токоприемника принято оценивать по его аэродинамическим характеристикам, которые представляются в виде зависимостей аэродинамических сил лобового сопротивления и подъемной от скорости встречного воздушного потока. Эти характеристики можно получить при обдуве конструкции в аэродинамической трубе или в натурном эксперименте на участке электрической железной дороги.

На стадии проектирования токоприемника возможен лишь один способ оценки аэродинамических свойств - аналитический. В этом случае аэродинамические характеристики получают расчетным путем. Для выполнения расчетов необходимо знать аэродинамические коэффициенты токоприемника или его отдельных элементов. Аэродинамические коффици-енты могут быть получены путем расчета спектров обтекания. Обычно для этого пользуются виртуальным способом визуализации обтекания и на основе полученных спектров, рассчитывают аэродинамические коэффициенты [1]. Этот способ использован при проектировании токоприемника «Аист».

Расчет обтекания произведен с помощью программы SoHdWorks. При расчете выполнялись следующие этапы: разработка и необходимая модификация модели, создание проекта,

задание граничных и начальных условии, регулирование расчетной сетки, управление процессом расчета, просмотр и интерпретация результатов, определение точности полученного решения.

Проектирование токоприемника связано с необходимостью анализа непрерывных физических процессов. Математическим описанием их являются дифференциальные уравнения в частных производных (уравнения Навье - Стокса для описания течения газов с учетом вязкости воздуха) [2]. Эти уравнения, как правило, имеют множество решений. Для получения единственного решения необходимо задать краевые условия. Это - сведения об искомых непрерывных функциях на границах рассматриваемых областей - граничные условия, а в случае нестационарных задач (есть изменения значений функции во времени) - значения этих же функций в начальный момент времени - начальные условия. Исходное дифференциальное уравнение в частных производных вместе с краевыми условиями (дифференциальная краевая задача) представляет собой математическую модель токоприемника:

р d_ r _ gradp + ^д w +1 |grad(divW), dt 3

3

где р - плотность газа, кг/м ;

R - вектор напряжения объемной силы, Па;

W - вектор скорости потока газа, м/с;

P - давление, Па;

р- динамическая вязкость газа, Па-с.

В случае несжимаемого трехмерного потока (р = const), что соответствует условиям обтекания токоприемника воздушным потоком, последний член в уравнениях Навье - Стокса отсутствует (divW = 0).

Анализ уравнений движения Навье - Стокса показал, что в случае среды малой вязкости (вода, воздух и т. п.) при достаточно больших числах Рейнольдса влияние вязкости сказывается лишь в тонком слое, прилегающем к поверхности обтекаемого тела, - пограничном слое. Вне этого слоя роль вязкостных сил оказывается настолько малой, что соответствующими членами в уравнениях Навье - Стокса можно пренебречь.

Число Рейнольдса рассчитано по формуле [3]:

р^ср S

Re _

где Уср - средняя скорость потока, м/с;

* 2 £ - миделево сечение, для токоприемника «Аист» при рабочей высоте 1,5 м £ = 0,679 м ,

Re = 2129403.

Условиям обтекания токоприемника воздушным потоком соответствуют большие числа Рейнольдса ^е > 1000). Поэтому получим уравнения движения воздушного потока в скалярной форме:

du р — dt _ Rx dP +— dx

dv р — dt N dP +— dy

dw р — dt _ Rz dP +— dz

где и, V, ж - проекции вектора скорости потока газа на оси координат х, у, z соответственно; Rx, Ry, Rz - проекции вектора напряжения объемной силы на оси координат. Рассматриваемая модель токоприемника является плохообтекаемым телом с множеством

№ 2012

острых кромок. Следовательно, течение набегающего потока воздуха можно принять как отрывное с фиксированными местами отрыва. В общем случае задача об отрывном обтекании несущих поверхностей формулируется и решается полностью как нестационарная.

Алгоритм расчета аэродинамических характеристик токоприемника приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Алгоритм расчета аэродинамических характеристик

Трехмерная сборка разработанного токоприемника показана на рисунке 2,а. Для расчета использовалась упрощенная модель (рисунок 2,б).

а б

Рисунок 2 - Модель токоприемника: а - без упрощений; б - упрощенная

При формировании математической модели процессов обтекания токоприемника учитывались модели среды (климатические параметры воздушного потока: температура, плотность и давление) и объекта (тип токоприемника: тяжелый или легкий), его схема и расположение по направлению движения.

На различной рабочей высоте токоприемника учтены изменяющиеся показатели набегающего воздушного потока (скорость и угол атаки). Для каждого высотного положения получены его лобовое сопротивление и аэродинамическая подъемная сила.

При расчете аэродинамического воздействия на токоприемник использовались климатические параметры: температура +20 °С и атмосферное давление 760 мм рт. ст.

Полученные в результате расчета спектры обтекания приведены на рисунке 3.

<=

Velocity [mis]

.74.0115 .66.6104 . 59.2092 . 51.8081 . 44.4069 . 37.0058 29.6046 22.2035 1 4.8023 7.40115

а б

Рисунок 3 - Спектр обтекания токоприемника на рабочей высоте Н = 1,2 м при угле атаки а = 1° при движении «коленом» вперед

В общем случае картина обтекания токоприемника представляется разными зонами. Турбулентные потоки 1 стекают с полоза, подвижных рам, неподвижного основания. Ламинарный поток 2 наблюдается на передней кромке этих элементов. В створе между элементами подвижной рамы при движении токоприемника «коленом» назад характер течения набегающего потока практически не меняется и определяется для переднего токоприемника ло-

бовой частью локомотива, а для заднего - расположением крышевого оборудования.

На основании полученных данных построены семейства аэродинамических характеристик лобового сопротивления Рвтх (рисунок 4) и аэродинамической подъемной силы Рвт (рисунок 5).

600

Рв

600 Н

400 300 200 100 0

Н = 1,8 м

1 ,5

1 ,2

1

1 0 ,9

Н

400 300 200 Рвт 100

о

Н г = 1,8 м

1, 5

1,2

/0,9

м/с

Vв -

м/с

Ув -

б

60,8

Рисунок 4 - Лобовое сопротивление токоприемника при угле атаки а = 1° при движении «коленом» вперед

Из приведенных данных видно, что максимальное лобовое сопротивление токоприемника на рабочей высоте 1,8 м соответствует 524 Н, а подъемная сила для данных условий равна 53 Н. Подъемная сила токоприемника больше при движении «коленом» назад и достигает 67 Н, лобовое сопротивление - 482 Н.

Рв

60 Н

40 30 20 10 0

Н = 1, 8 м

1,5 ¿г уг

1,2

1

(0,9

Рв

70 Н 50 40 30 20 10 0

Н Ч = 1,8 м

1,5 >

1,2

\0 9

м/с

Ув -

38,8 443 49,8

^в

м/с

60,8

б

Рисунок 5 - Аэродинамическая подъемная сила токоприемника при угле атаки а = 1° при движении «коленом» вперед

Для всех токоприемников электропоездов при взаимодействии с встречным воздушным потоком углы атаки воздушного потока в зоне полоза токоприемника равны нулю, поскольку они удалены на большое расстояние от лобовой стенки первого вагона. В верхних частях

а

а

поднятых токоприемников на электровозах угол атаки зависит от занимаемого ими места: для переднего (нормально нерабочего) токоприемника угол атаки составляет в среднем +3 °С, для заднего (нормально рабочего) - в среднем +1 °С.

Токоприемник «Аист» является асимметричным, при эксплуатации его располагают «коленом» вперед. Для сравнения аэродинамических показателей указанного и других токоприемников приведены аэродинамические характеристики их лобового сопротивления (рисунок 6) и подъемной силы (рисунок 7). Характеристики токоприемников, рассмотрены при рабочей высоте 1,5 м в нормальном рабочем состоянии (поднят задний токоприемник).

1400 Н

Рв

Vв

Рисунок 6 - Лобовое сопротивление токоприемников при угле атаки а = 1°

При определении лобового сопротивления принято, что токоприемник типа SSS-87 и «Аист» воспринимают воздействие потока воздуха на подвижную раму, верхний узел и «колено», при этом неподвижное основание и подъемно-опускающий механизм находятся в крышевом углублении и исключены из расчетов. Остальные токоприемники расположены на изоляторах, для них учитывалось полное аэродинамическое сопротивление.

Рв

^В

Рисунок 7 - Аэродинамическая подъемная сила токоприемников при угле атаки а = 1°

Для оценки аэродинамических свойств токоприемников их характеристики получены в «чистом виде» - без учета свойств дополнительных аэродинамических устройств [4].

4

Аэродинамические характеристики токоприемника «Аист», полученные расчетным путем, практически идентичны характеристикам SSS-87, полученным при натурном эксперименте. Это объясняется тем, что они имеют схожие аэродинамические профили и миделево сечение.

Сумма вертикальной составляющей аэродинамической силы на поднятый рабочий токоприемник (задний по ходу) и активного нажатия не должна превышать 144 Н при условии, что ЭПС движется с наибольшей скоростью при встречном ветре не более 10 м/с. При этом по техническому заданию активное контактное нажатие должно изменяться в диапазоне от 70 до 110 Н, следовательно, аэродинамическая подъемная сила не должна превышать 34 Н.

Токоприемник «Аист» имеет аэродинамическую подъемную силу выше установленной в техническом задании. В связи с этим для обеспечения заданной аэродинамической подъемной силы при максимальных скоростях необходимо использовать дополнительные аэродинамические устройства.

Список литературы

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

2. Алямовский, А. А. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский. - СПб: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

3. Краснов, Н. Ф. Аэродинамика / Н. Ф. Краснов. М.: Высшая школа, 1981. - 720 с.

4. Маслов, Г. П. О выборе рациональный аэродинамической характеристики токоприемника [Текст] / Г. П. Маслов, О. И. Поздняков, Е. Н. Панзо // Исследования и разработка ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте: Межвуз. сб. науч. тр. с между-нар. участием / Самарский ин-т инж. ж-д. трансп. - Самара, 2002. - Вып. 23. - С. 70, 71.

УДК 621.336.7

А. В. Кодылев

АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА АВТОСЦЕПКИ СА-3

С целью совершенствования конструкции корпуса автосцепки СА-3 разработана система автоматизированной оценки прочности. Проведены расчеты и дано графическое представление результатов исследований. Проведенные расчеты дали возможность оценить прочность корпуса автосцепки и выработать предложения и рекомендации по совершенствованию его конструкции. Применение системы для оценки прочности корпуса автосцепки позволяет автоматизировать расчеты и ускорить совершенствование его конструкции.

Анализ данных по отказам корпусов автосцепок свидетельствует о высокой повреждаемости в эксплуатации трещинами и остаточными деформациями (выпучивание) зоны перехода от головы к хвостовику и боковой стенки головы со стороны малого зуба. Это указывает на необходимость совершенствования конструкции корпуса автосцепки с целью снижения концентрации напряжений в наиболее повреждаемых зонах, перераспределения силовых потоков между наиболее и наименее нагруженными областями. Проведенные исследования по анализу нагруженности отдельных зон корпуса автосцепки продольными эксплуатационными усилиями показали, что в них имеют место концентрация напряжений и значительное превышение максимальных значений напряжений их среднего уровня. Для проведения уточненной оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) в этих зонах и выработки предложений по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки проведено компьютерное моделирование с использованием конечно-элементных моделей (КЭМ) повышенной степени дискретизации в областях концентрации напряжений. На рисунке 1 представлен