Исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта

6. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М.: Наука, 1976. - 278 с.

УДК 621.336.7

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

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА МОНОРЕЛЬСОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

В статье представлены результаты экспериментальных исследований и расчета износа элементов системы токосъема монорельсового электрического транспорта.

В России в 2006 г. была введена в эксплуатацию первоочередная трасса Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС) между станциями метро «Тимирязевская» и «Ботанический сад». Ведутся работы по созданию скоростных линий сообщением «город -аэропорт».

Наряду с основными функциональными узлами монорельсовой дороги - линейным двигателем, системой колесного опирания, системой подвеса, межвагонными тележками -большое значение имеет система токосъема, надежное функционирование которой во многом определяет работоспособность всей транспортной системы.

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС) с 1977 г. принимает участие во всех отечественных программах, связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями по совершенствованию и разработке новых вариантов токоприемников и токопроводов, в том числе для транспортных систем с жесткими токопроводами. В ОмГУПСе разработана методика исследования износа контактных пар устройств токосъема, которая реализуется лабораторным комплексом, включающим в себя специализированные установки возвратно-поступательного, вращательного и ударного типов. Лабораторный комплекс позволяет осуществлять износоусталостные испытания устройств токосъема магистрального и монорельсового электрического транспорта в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта при изменении в широком диапазоне изгибной и контактной нагрузок с учетом протекания электрического тока в контакте. Конструктивные особенности комплекса позволяют моделировать в элементах системы циклические и контактные напряжения от нагрузки, соответствующей реальному режиму эксплуатации.

Установка возвратно-поступательного типа (рисунок 1) используется для исследования контактных пар со сложной геометрической поверхностью, характерных для систем токосъема монорельсового транспорта, и позволяет проводить исследование износа контактных элементов при условии протекания в зоне контакта как постоянного тока, так и переменного.

Рисунок 1 - Схема установки возвратно-поступательного типа

Механическая часть комплекса включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 1. На каретке закреплен контактный элемент 2, взаимодействующий с токопроводом 3, закрепленным на изолировочной пластине 4. Возвратно-поступательное перемещение каретки 1 осуществляется приводом вращения 5, связанным тягой 6 с кареткой.

Кроме возвратно-поступательного движения установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Этот режим используется также при исследовании контактных пар из анизотропных материалов. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 7, который устанавливается на тяге. При движении ролика 8 по поверхности копира токопровод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют.

Для сокращения области неустойчивого скольжения при исследовании узла трения необходимо увеличивать диссипационные составляющие в нормальном и касательном направлениях к поверхностям трения. Конструктивные особенности установки позволяют учитывать влияние диссипационных составляющих. Диссипационные составляющие силы трения в нормальном направлении к поверхностям трения реализованы в установке пневматическим резинокордным элементом 9, вмонтированным в тягу 6 [2].

Методика испытаний, реализуемая на установке возвратно-поступательного типа, включает в себя варьирование следующих параметров для каждой пары контактных материалов: контактного давления; скорости движения элементов пары трения; режимов движения (возвратно-поступательное и однонаправленное); полярности и силы электрического тока; параметров окружающей среды (температуры, влажности, запыленности) и др. Результаты исследований представлены на рисунках 2 - 5.

Дальнейшие исследования контактных пар системы токосъема монорельсового транспорта выполнялись с использованием математических моделей. В соответствии с положениями теории подобия в один критерий были объединены следующие факторы: плотность, твердость, коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность [3, 4]. В качестве значений этих параметров при моделировании процесса внешнего трения и изнашивания были использованы данные о материалах, использованных в эксперименте.

Метод отсеивания несущественных факторов позволил определить следующую группу факторов для составления модели: нагрузку на образец Р, Н; радиус сферической поверхности г, м; скорость скольжения V, м/с; время испытания с; содержание меди в материале контактного элемента М, %; твердость материалов токопровода и контактного элемента Н1 и Н2; теплопроводность материала контактного элемента 11, Вт; удельную теплоемкость токопровода С2, Вт. В качестве параметра оптимизации принят износ массы И,„.

Рр

Рисунок 2 - Зависимость износа контактного элемента от силы тока в контакте

12

мкм/км К б

У 4

2

V / пмг

БрО I

/

\Cxaj ь 5

О 10 20 30 40 50 60 Н 80

Рр

Рисунок 3 - Зависимость износа токосъемных контактных элементов из различных материалов

от силы контактного нажатия

Рисунок 4 - Влияние на износ контактного элемента влажности окружающей среды

Рисунок 5 - Влияние на износ контактного элемента смены полярности тока в контакте

Функциональная зависимость между параметром оптимизации и факторами модели имеет вид:

Ит = ^1(Р; А; V; г; М; Н1/Н2; 1ь С2),

где Н1/Н2 - безразмерный симплекс.

В соответствии с положениями теории подобия получим уравнение подобия:

И

_т

Р

у3

г Ргс„ Гт Г *т

Iг У

V г 1 У

(М У

Г Н Л

V Н2 У

Из соотношения (2) получим расчетное уравнение:

Г ТТ \

Ит Р

= ап

Грс± Г" Г * у

г\ 1 V г

(М у

Н

V Н2 У

где а0 - постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; ат,рт, ут, ет - коэффициенты, определяемые экспериментально; Ит/Р - симплекс (отношение износа массы контактного элемента к давлению); Ргс„

г211

- комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопро-

вода накапливать, а контактного элемента - передавать тепло);

vг|г - отношение пути трения к радиусу контактного элемента.

Полученная модель использовалась при соблюдении условий подобия контактирования нагружения и геометрической формы пары трения.

Расчетное уравнение (3) можно представить в виде:

у = а0 х1атХЬтХ3ГтХ;

'4 '

где Х1, Х2, Х3, Х4 - независимые переменные (факторы). После логарифмирования уравнение (4) имеет вид:

у = Ь0 + Ь1Х1 + Ь2 Х2 + Ь3 Х3 + Ь4 Х4,

где у - оценка параметра оптимизации; Ь1, Ь2, Ь3, Ь4 - оценки коэффициентов.

Для определения коэффициентов уравнения проведен полный факторный эксперимент в соответствии с матрицей планирования.

Для определения коэффициентов уравнения регрессии была использована формула:

! N

Ь = -Е Хи ,

N и=1

где I = 0...4 - номер фактора;

1пУ. - отклик в опытах в точке и.

ш

В результате вычислений получено уравнение:

1пу = -8,376 + 0,425 1пХ1 - 0, 694 1пХ2 + 0,53 1пХ3 + 0, 769 1пХ4.

Статистический анализ оценки достоверности полученного уравнения подтвердил выполнение гипотезы адекватности модели.

Выполняем потенцирование уравнения (7):

И = Р

-8,376

/п. Л0'425 / . \ -0,694

Ргс2 Г vг' V г211 I г у

0,53

/ \ 0,769

Г На

V Н2 у

На основании анализа уравнения (8) можно сделать вывод о том, что наиболее значительное влияние на параметр оптимизации оказывают механические свойства пары трения, а наименее значительный вклад в процесс изнашивания вносит параметр, учитывающий изменение нагрузки.

На рисунках 6 - 8 представлены зависимости износа контактного элемента, полученные на установке возвратно-поступательного типа, и результаты расчета. Экспериментальные и расчетные данные совпадают в области интенсивного механического износа, соответствующего диапазону контактного давления выше 30 Н.

12

МКМ'КМ А 8

6

У 4 2

О 10 20 30 40 50 60 Н 80

Рр--

Рисунок 6 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента ПМГ

12

МКМ'КМ1

I 8

6

У 4 2

0 10 20 30 40 50 60 ТТ 80

Рисунок 7 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для материала контактного элемента БрОЦ

№1(1) 2010

м км/км А 8

6

У 4

2

О 10 20 .Î0 40 50 60 ТТ 80

Рр-*

Рисунок 8 - Сравнение экспериментальных и расчетных данных для стального контактного элемента

Анализ графиков на рисунках 6 - 8 позволяет сделать вывод о том, что прогнозировать величину износа с помощью уравнения (9) с определенной долей вероятности можно для нажатий в диапазоне 40 Н и выше. Это связано с тем, что при уменьшении контактного нажатия возрастает вероятность отрывов и связанных с ним случаев искрообразования и электроэрозионного разрушения поверхностного слоя контактных материалов, а при увеличении выше 48 Н существенную роль играет механический износ, приводящий к истиранию контактного элемента токоприемника и токопровода.

Небольшие отклонения между кривыми связаны с тем, что по формуле (9) вычисляется механический износ, но при этом не учитывается негативное воздействие тока в контакте. Однако в ходе экспериментальных исследований на стенде в зоне скользящего контакта протекал ток, который при нажатиях свыше 50 Н также оказывал незначительное влияние на износ контактного элемента.

Таким образом, в ОмГУПСе разработана методика экспериментальных исследований износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта. Результаты расчета износа контактных пар устройств токосъема на модели адекватны экспериментальным данным в области значений интенсивного механического износа.

Список литературы

1. Сидоров, О. А. Методы исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта [Текст]: Монография / О. А. Сидоров, С. А. Ступа-ков / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2009. - 155 с.

2. Пат. 82444 Рос. Федерация: МПК В 60 L 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом [Текст] / Сидоров О. А., Ступаков С. А., Томилов В. В., Кутькин А. Н., Филиппов В. М.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2008149393; заявл. 15.12.08; опубл. 27.04.09, Бюл. № 12.

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. Гаркунов, Д. Н. Триботехника [Текст]: Учебник / Д. Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

жмт

Ш20Т0