Повышение эффективности систем автоматического регулирования токоприемников для высоких скоростей движения

УДК 621.336

А. С. Голубков, О. А. Сидоров, В. М. Филиппов

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ ДЛЯ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ

Аннотация. Рассмотрены особенности современных систем автоматического регулирования токоприемников. Выполнен анализ частотного спектра контактного нажатия токоприемников при высоких скоростях движения, на основе которого были определены характеристики системы автоматического регулирования, позволяющей значительно повысить качество токосъема. Предложены пути совершенствования устройств автоматического регулирования токоприемников, направленные на повышение быстродействия и снижение инерционности системы.

Ключевые слова: токоприемник, контактное нажатие, система автоматического регулирования.

Anton S. Golubkov, Oleg A. Sidorov, Victor M. Philippov

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

IMPROVEMENT OF THE EFFICIENCY OF AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS FOR HIGH-SPEED PANTOGRAPHS

Abstract. Considered the features of modern automatic control systems ofpantographs. The spectral density analysis ofpantograph contact force at high speeds showed requirements for robust control systems, which allows to significantly improve the quality of the current collection. Proposed the ways to improve the automatic control systems for pantographs, aimed at improving the speed and reducing the inertia of the system.

Keywords: pantograph, current collector, contact force, automatic control system.

В настоящее время на железных дорогах России для токосъема применяются токоприемники пассивного типа. В таких токоприемниках статическое нажатие не зависит от условий работы и внешних воздействий, отсутствуют системы автоматического регулирования нажатия. Данный подход позволяет обеспечить удовлетворительное качество токосъема при скоростях движения до 160 км/ч для контактных подвесок общего назначения и до 250 км/ч для скоростных контактных подвесок. Повышение скоростей движения связано с ростом динамических нагрузок на токоприемник и контактную подвеску, что приводит к потере контакта, дугообразованию и повышенному износу контактных материалов, поэтому для повышения качества токосъема, продления срока безотказной работы и повышения надежности системы токосъема необходимо разрабатывать системы активного регулирования контактного нажатия.

В России и за рубежом ведутся разработки по внедрению устройств активного регулирования нажатия в конструкции токоприемников [1].

Преимуществами применения систем активного регулирования токоприемниками являются оптимизация контактного нажатия для снижения износа токосъемных пластин и контактных проводов, повышение надежности эксплуатации в условиях неблагоприятных погодных факторов, таких как ветер и гололед, повышение эффективности применения нескольких токоприемников на одном электроподвижном составе (ЭПС) [2]. Кроме перечисленного система автоматического управления может выполнять функции контроля, диагностики и автоматического аварийного опускания при ударе о препятствие на контактной сети [3].

В основе системы регулирования нажатия лежит принцип замкнутой системы с обратной связью, где токоприемник является объектом управления с контактным нажатием в качестве

регулируемой величины. Контактное нажатие измеряется при помощи тензометрических, оптоволоконных или пневматических датчиков [4].

В качестве исполнительного механизма автоматического регулятора обычно используется пневматический резинокордный элемент, обеспечивающий подъемное усилие токоприемника. Управляющее воздействие регулятора приводит к изменению давления в пневматическом резинокордном элементе, в результате чего изменение усилия передается в точку контакта [5, 6].

Структурная схема модели системы управления токоприемника может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) токоприемника: 1 - система

подвижных рам; 2 - резинокордный подъемный элемент; 3 - каретка; 4 - датчик нажатия; 5 - демпфер;

ИСВ - источник сжатого воздуха; БУ - блок управления

Для оценки эффективности системы автоматического регулирования токоприемника целесообразно рассматривать ее частотные характеристики, это связано с циклическим характером работы токоприемника. Основные частоты колебаний величины контактного нажатия связаны с длинами пролетов контактной сети, размерами межструновых интервалов, собственными частотами колебаний ЭПС и системы подвижных рам токоприемника [7].

Анализ кривых контактного нажатия по результатам экспериментальных испытаний различных типов токоприемников и контактных подвесок показывает, что основная частота изменения контактного нажатия имеет высокую степень корреляции со скоростью движения ЭПС V и длинами пролетов контактной сети 7 , эту зависимость можно выразить как частоту прохождения пролетов контактной сети:

7

г _ пр кс '

V

На рисунке 2 показаны типичные графики контактного нажатия и его амплитудный спектр при движении токоприемника электровоза ЭП20 с различными скоростями по участку испытательного полигона Белореченская - Майкоп, полученные в ходе квалификационных испытаний в 2015 г. [8].

В таблице приведены данные анализа частотного спектра колебаний контактного нажатия по результатам динамических испытаний токоприемников различных типов в период с 2009 по 2015 г.

300 Н 200 150 F 100 50 0

fp щ

1 г

0

25

Н

15

10

F

5

0

Jll.il ,ll Li ilil и 1 IJILI III

10

0,0 0,5 1,0 1,5

2,0 f —

2,5 3,0 Гц 4,0

300 Н 200 150 F 100 50 0

i 1 1 1

l/l м 11 и

\J т

F

25

Н Н

15 10

5

0

11

10

0,0 0,5 1,0 1,5

2,0 f —

2,5 3,0 Гц 4,0

F

300 Н 200 150 100 50 0

F

25 Н 15 10

5

0

Jill

illlll

0,0 0,5 1,0 1,5

2,0 f —

2,5 3,0 Гц 4,0

Рисунок 2 - Графики контактного нажатия и спектральный состав колебаний при скорости движения:

180 км/ч

При скоростях движения 200 - 300 км/ч и длинах пролетов от 60 до 70 м основная частота изменения контактного нажатия лежит в диапазоне от 0,8 до 1,4 Гц.

Эффективность автоматического регулирования можно определить по амплитудно-частотной характеристике, рассматривая токоприемник в качестве апериодического звена первого порядка.

Постоянная времени токоприемника может определяться по результатам экспериментального измерения силы контактного нажатия при изменении давления в пневмосистеме.

На рисунке 3, а показан график изменения контактного нажатия токоприемника Siemens SSS-87RZD при подаче повышенного давления в пневмосистему в виде ступенчатого воздействия в результате переключения клапана [9].

По графику переходного процесса постоянная времени составляет 1,33 с.

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

2

4

6

с

t

а

0

2

4

6

с

t

б

t

в

Анализ зависимости основной частоты колебаний контактного нажатия от параметров движения

Длина Основная Частота

Год Полигон испытаний Токоприемник Скорость, км/ч пролета контактной сети, м частота контактного нажатия, Гц прохождения пролетов /Кс, Гц

220 64 0,9 0,95

2009 Лихославль -Калашниково Siemens SSS-87RZD 240 64 1,1 1,04

250 64 1,1 1,09

180 67 0,8 0,75

2012 Малая Вишера -Мстинский Мост Faveley AX 023 BU 200 67 0,8 0,83

220 67 0,9 0,91

180 65 0,8 0,78

2015 Белореченская -Майкоп ТасС-24 200 65 0,9 0,87

220 65 1,0 0,95

Рисунок 3 - Характеристики срабатывания пневматического привода токоприемника: а - переходная функция статического нажатия; б - амплитудно-частотная характеристика

На рисунке 3, б показана амплитудно-частотная характеристика апериодического звена для данной постоянной времени. Как видно из рисунка, система управления на основе регулирования давления в пневмоприводе теряет свою эффективность при частотах выше 0,5 -0,6 Гц, что значительно ниже основной частоты колебаний контактного нажатия при высоких скоростях движения.

Данная особенность конструкции токоприемника является причиной отсутствия широкого внедрения систем автоматического регулирования нажатия токоприемников. Для реализации эффективной системы автоматического регулирования необходимо обеспечить снижение инертности регулятора [10].

Поскольку пневматический подъемно-опускающий механизм обладает большой инерцией и не позволяет эффективно регулировать контактное нажатие, применение дополнительного малоинерционного исполнительного механизма позволит увеличить быстродействие системы автоматического регулирования и значительно повысить эффективность регулирования.

В качестве исполнительного механизма может использоваться регулируемый демпфер на основе ферромагнитной жидкости. Конструкция современных токоприемников предусматривает наличие демпфирующих устройств, поэтому управляемый демпфер может применяться в токоприемнике без модификации конструкции системы подвижных рам.

Управляемый демпфер на основе ферромагнитной жидкости обладает высоким быстродействием и может обеспечить оперативное регулирование характеристик токоприемника в процессе токосъема. Демпфер не может использоваться в качестве основного регулятора контактного нажатия, поскольку его воздействие передается в точку контакта через систему подвижных рам с большой инерцией. Кроме того, демпфер оказывает воздействие на систему подвижных рам только в виде реакции на движение и не оказывает воздействия на нажатие при неизменном высотном положении токоприемника.

Для обеспечения возможности непосредственного воздействия на контактное нажатие необходимо использовать исполнительное устройство вблизи точки контакта. Такое воздействие может оказать линейный актуатор, встроенный в каретку токоприемника. Каретка токоприемника обеспечивает вторичное подрессоривание полоза и отработку перемещений контактного провода в пролете. Линейный актуатор должен обеспечивать малоинерционное воздействие на полоз токоприемника с силой, достаточной для компенсации разброса контактного нажатия.

Схема системы автоматического регулирования токоприемника с линейным актуатором в каретке и регулируемым демпфером показана на рисунке 4.

Модель системы автоматического регулирования токоприемника со вторичным исполнительным механизмом представляет собой двухконтурную схему, в которой первый контур обеспечивает регулирование среднего нажатия за счет изменения давления в пневмоприводе, а второй контур выполняет оперативное регулирование колебаний контактного нажатия.

В качестве актуатора может использоваться пневматический цилиндр, механический привод, электромагнитный привод или другое устройство, обладающее достаточным быстродействием. Для эффективного регулирования контактного нажатия токоприемника постоянная времени для актуатора в каретке должна составлять не более 0,3 с.

БУ

Рисунок 4 - Схема модифицированного САР токоприемника: 1 - система подвижных рам; 2 - резинокордный подъемный элемент; 3 - каретка; 4 - датчик нажатия; 5 - управляемый демпфер; 6 -линейный актуатор; ИСВ - источник сжатого воздуха; БУ - блок управления

Переходная функция регулятора с постоянной времени 0,3 с и амплитудно-частотная характеристика предложенной системы приведены на рисунке 5. Из рисунка видно, что система автоматического регулирования является эффективной в диапазоне колебаний контактного нажатия от 0,8 до 1,4 Гц.

На основе анализа кривых контактного нажатия по результатам испытаний скоростных токоприемников на экспериментальных полигонах были выявлены основные частоты колебаний, приводящие к снижению качества токосъема. Системы регулирования контактного нажатия на основе пневматического подъемного механизма не обеспечивают эффективного регулирования из-за низкого быстродействия и большой инерции.

Рисунок 5 - Характеристики работы системы автоматического регулирования нажатия токоприемника с линейным актуатором в каретке: а - переходная функция нажатия, б - амплитудно-частотная характеристика

Применение быстродействующих регуляторов позволит значительно повысить эффективность регулирования токоприемников. В качестве перспективных регулирующих устройств предлагается использовать управляемый демпфер системы подвижных рам и управляемые упругие элементы каретки.

Применение предложенных схем регулирования нажатия токоприемника позволит повысить качество токосъема на высоких скоростях движения в условиях постоянных случайных воздействий от окружающей среды и контактной подвески.

Список литературы

1. Chater, E., Ghani, D., Giri, F., Rachid, A., Chaoui, F., Haloua, M. Output Feedback Control of Pantograph-Catenary System. 5th IFAC International Workshop on Periodic Control Systems, 2013, no. 5 (1), pp. 131 - 136.

2. Yamashita, Y., Ikeda, M., Masuda, A. Advanced active control of a contact force between a pantograph and a catenary for a high speed train. Proceedings of 9th world congress of railway research, 2011, pp. 28 - 33.

3. Makino, T., Yoshida, K., Seto, S., Makino, K. Running test on current collector with contact force controller for high-speed railways. JSME International Journal Series, 1997, no. 4, pp. 671 -680.

4. Allotta, B., Pisano, A., Pugi, L., Usai, E., VSC of a servo-actuated ATR 90-type pantograph. Proc. of the 44 th IEEE Conference on Decision and Control and the European Control Conference, 2005, pp. 590 - 595.

5. Сидоров, О. А. Моделирование взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской [Текст] / О. А. Сидоров, А. Е. Аркашев, И. В. Ларькин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. -Иркутск. - 2011. - № 3 (31). - С. 164 - 169.

6. Пат. № 105862 Российская Федерация, МПК В 60 L 5/00. Токоприемник электроподвижного состава [Текст] / Сидоров О. А., Аркашев А. Е., Ларькин И. В., Сосновский С. Ю.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2011100366/11; за-явл. 11.01.2011; опубл. 27.06.2011, Бюл. 18.

7. Сидоров, О. А. Экспериментальные исследования токосъемных устройств [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. С. Голубков // Железнодорожный транспорт. - 2015. -№ 11. - С. 69, 70.

8. Сидоров, О. А. Инновационные технологии исследования систем токосъема, применяемые в Омском государственном университете путей сообщения [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. С. Голубков // Вестник ВЭлНИИ / ВЭлНИИ. - № 1 (75). - Новочеркасск. -2017. - С. 29 - 38.

9. Сидоров, О. А. Совершенствование систем автоматического регулирования токоприемников для высоких скоростей движения [Текст] / О. А. Сидоров, В. Н. Горюнов, А. С. Голубков // Динамика систем, механизмов и машин / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. - 2017. Т. 5. - № 3. - С. 108 - 113.

10. Sidorov, O. A., Gorjunov, V. N., Golubkov, A. S. Improvement of automatic control system for high-speed current collectors. The Journal of Physics, 2018, pp. 1 - 6.

References

1. Chater E., Ghani D., Giri F., Rachid A., Chaoui F., Haloua M. Output Feedback Control of Pantograph-Catenary System. 5th IFAC International Workshop on Periodic Control Systems, 2013, no. 5 (1), pp. 131 - 136.

2. Yamashita Y., Ikeda M., Masuda A. Advanced active control of a contact force between a pantograph and a catenary for a high speed train. Proceedings of 9th world congress of railway research, 2011, pp. 28 - 33.

3. Makino T., Yoshida K., Seto S., Makino K. Running test on current collector with contact force controller for high-speed railways. JSME International Journal Series, 1997, no. 4, pp. 671 -680.

4. Allotta B., Pisano A., Pugi L., Usai E., VSC of a servo-actuated ATR 90-type pantograph. Proc. of the 44 th IEEE Conference on Decision and Control and the European Control Conference, 2005, pp. 590 - 595.

5. Sidorov O. A., Arkashev A. E., Larkin I. V. Simulation of the interaction of an auto-adjustable current collector with a contact suspension [Modelirovanije vzaimodejstvija avtoreguli-rujemogo tokoprijemnika s kontaktnoj podveskoj]. Sovremennye tehnologii. Sistemnyj analiz. Modelirovanije - The journal of Modern technologies. System analysis. Modeling, 2011, no. 3 (31), pp. 164 - 169.

6. Sidorov O. A., Arkashev A. E., Larkin I. V., Sosnovskij S. Iu. Patent RU 105862 B 60 L 5/00, 27.06.2011.

7. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Golubkov A. S. Experimental studies of collector devices [Eksperimentalnye issledovanija tokosjemnyh ustrojstv]. Zheleznodorozhnyj transport - The journal of Railway transport, 2015, no. 11, pp. 69 - 70.

8. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Golubkov A. S. Innovative technologies for the study of current collection systems used in the Omsk State Transport University [Innovacionnyje tehnologii issledovanija sistem tokosjema, primenjaemyje v Omskom gosudarstvennom universitete putej soob-shhenija]. Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatelskogo i proektno-konstruktorskogo instituta

elektrovozostroenija - The bulletin of the All-Russian Research and Design Institute of Electric Locomotive, 2017, no. 1 (75), pp. 29 - 38.

9. Sidorov O. A., Gorjunov V. N., Golubkov A. S. Improvement of automatic control systems for current collectors for high speeds [Sovershenstvovanije sistem avtomaticheskogo regu-lirovanija tokopriemnikov dlja vysokih skorostej dvizhenija] Dinamika sistem, mehanizmov i mashin - The journal of Dynamics of systems, mechanisms and machines, 2017, vol. 5, no. 3, pp.108 - 113.

10. Sidorov O. A., Gorjunov V. N., Golubkov A. S. Improvement of automatic control system for high-speed current collectors. The Journal of Physics, 2018, pp. 1 - 6

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Голубков Антон Сергеевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-46.

E-mail: anton.golubkov@gmail.com

Сидоров Олег Алексеевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-46.

E-mail: sidorovoa@omgups.ru

Филиппов Виктор Михайлович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-34-46.

E-mail: fvm-omgups@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Golubkov Anton Sergeevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Power supply of railway transport», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: anton.golubkov@gmail.com

Sidorov Oleg Alekseevich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Head of the department «Power supply of railway transport», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: sidorovoa@omgups.ru

Philippov Victor Mikhailovitch

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Ph. D. in Engineering, Associate Professor of the department «Power supply of railway transport», OSTU. Phone: +7 (3812) 31-34-46. E-mail: fvm-omgups@mail.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Голубков, А. С. Повышение эффективности систем автоматического регулирования токоприемников для высоких скоростей движения [Текст] / А. С. Голубков, О. А. Сидоров, В. М. Филиппов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. -2019. - № 1 (37). - С. 9 - 16.

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Golubkov A. S., Sidorov O. A., Philippov V. M. Improvement of the efficiency of automatic control systems for high-speed pantographs. Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 1, no 37, pp. 9 - 16 (In Russian).