Совершенствование систем автоматического регулирования токоприемников для высоких скоростей движения

УДК 621.336

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКОПРИЕМНИКОВ

ДЛЯ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ

О. А. Сидоров1, В. Н. Горюнов2 , А. С. Голубков1

'Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-108-113

Аннотация - в статье рассмотрены способы регулирования нажатия токоприемников для обеспечения качественного и надежного токосъема при высоких скоростях движения. Для оценки влияния регулирования предложен интегральный критерий качества токосъема, учитывающий экономичность и надежность эксплуатации токоприемника. Исследования выполнялись при помощи математической модели взаимодействия токоприемника с контактной подвеской, позволяющей оценить нажатие и интенсивность искрения в зоне контакта при различных скоростях движения. Результаты моделирования позволили оценить эффективность различных способов регулирования токоприемников и определить наиболее оптимальный вариант.

Ключевые слова: токоприемник, авторегулирование, токосъем, контактное нажатие, искрение.

I. Введение

Одной из важнейших задач при повышении скоростей движения на электрифицированных железных дорогах является обеспечение надежного токосъема в условиях значительных токовых, механических и аэродинамических нагрузок. Одним из путей повышения качества токосъема при высоких скоростях движения является применение систем автоматического регулирования, позволяющих активно изменять силу нажатия токоприемника на контактный провод в зависимости от текущих условий процесса взаимодействия.

II. Постановка задачи

Для достижения качественного токосъема необходимо обеспечить постоянный контакт токосъемных накладок токоприемника с контактными проводами, при этом сила нажатия накладок на контактный провод должна находиться в узком диапазоне допустимых величин.

Снижение контактного нажатия приводит к возникновению искрения и дугообразования в контакте, что вызывает повышенный износ токосъемных пластин и перегрев токоприемника. Повышение нажатия приводит к росту механического износа из-за увеличения сил трения в контакте и нагрева токосъемных пластин.

При увеличении скорости электроподвижного состава разброс контактного нажатия увеличивается из-за роста аэродинамического воздействия, повышения амплитуды колебаний вследствие роста динамических усилий в точке контакта полоза и контактного провода [1].

Одним из путей обеспечения качественного и надежного токосъема при высоких скоростях движения является внедрение системы автоматического регулирования токоприемников.

В исследовании была поставлена задача оценить эффективность различных вариантов систем автоматического регулирования в конструкции современных скоростных токоприемников, эксплуатируемых на железных дорогах России.

III. Теория

При разработке системы автоматического управления токоприемником необходимо определить критерии качества регулирования, которые позволят выбрать оптимальную схему управления для заданных технических условий эксплуатации системы токосъема. Основными критериями являются экономичность токосъема, связанная со сроком службы контактных материалов, и надежность, определяющая вероятность поломки токоприемника или контактной сети.

Экономичность токосъема можно оценить по интенсивности изнашивания контактных пластин токоприемника, которая при номинальной токовой нагрузке зависит от силы нажатия в точке контакта. С ростом силы увеличивается интенсивность износа, уменьшение силы нажатия приводит к искрообразованию и электроэро-

зионному износу контактных материалов. Зависимость интенсивности износа от силы нажатия у(Ркт) представляет собой и-образную кривую, форма кривой определяется составом контактных материалов, удельной плотностью тока в контакте и другими факторами. Для каждой пары контактных материалов и-образная кривая определяется по результатам экспериментальных исследований [2].

На надежность токосъема влияет большое количество случайных факторов, таких как техническое состояние контактной сети и токоприемника, воздействие погодных явлений и др. Учесть воздействие всех факторов при оценке качества регулирования не представляется возможным, поэтому в качестве основного критерия надежности токосъема используются требования по безопасности эксплуатации токоприемников, среди которых можно выделить максимальное допустимое значение контактного нажатия на контактный провод Ркт тах. Превышение этого значения может привести к недопустимому воздействию на элементы контактной сети, приводящему к повреждению контактных проводов, фиксаторов и других элементов конструкции контактной подвески. Для учета превышения контактного нажатия сверх допустимого значения Ркт тах в критерии качества токосъема используется штрафной коэффициент кт тах. Итоговый критерий качества токосъема можно выразить следующим соотношением:

\у(Р ) Р <Р

1 , г* ч /^ кт^> кт— кттах /1 \

Кр) = \ к Р > Р .

т тах кт

Оценку качества регулирования следует выполнять по интегральному критерию качества 1кт, получаемому путем интегрирования критерия кт(Ркт) по времени проведения эксперимента:

I

4т =| кт (Ркт (( ))Л .

Для оптимизации регулирования необходимо минимизировать значение интегрального критерия качества токосъема.

Особенностью конструкции большинства современных токоприемников является наличие резинокордного пнев-магического подъемно-опускающего механизма. Этот механизм позволяет изменять силу нажатия токоприемника путем регулировки давления в пневмосистеме. Для реализации системы авторегулирования токоприемника наиболее целесообразным представляется оснащение пневмосистемы дополнительными электропневматическими распределителями, позволяющими ступенчато изменять давление в резинокордной оболочке токоприемника. В зависимости от условий работы регулятор может включать одну из ступеней, повышая или понижая нажатие токоприемника. На рис. 1 показана схема пневматического регулирования с двумя ступенями давления [3].

Рис. 1. Система пневматического регулирования нажатия токоприемника: 1 - система подвижных рам токоприемника; 2 - резинокордная оболочка; 3 - полоз токоприемника; БУ - блок управления; ИСВ - источник сжатого воздуха; ЭПР - электропневматический распределитель

о

Недостатком такой системы регулирования является значительная длительность переходного процесса при переключении клапанов, связанная с инерционностью подъемно-опускающего механизма токоприемника. В связи с этим целесообразно применять системы управления, работа которых основана на реакции не на отдельные выбросы нажатия или случаев искрения, а на формирование тенденции приближения указанных факторов к опасной зоне.

В качестве входного сигнала для системы авторегулирования наиболее эффективным является контактное нажатие, поскольку оно напрямую влияет на критерии качества токосъема. Измерение контактного нажатия связано с рядом практических затруднений, вызванных высокой стоимостью измерительного оборудования, необходимостью модификации конструкции токоприемника для установки датчиков нажатия и требованиями по электрической безопасности. В связи с этим рассмотрены варианты авторегулирования с использованием дополнительных входных сигналов. В качестве таких сигналов рассматривается скорость движения электроподвижного состава и коэффициент искрения в скользящем контакте.

Коэффициент искрения определяется как отношение длительности моментов искрения в контакте к общей продолжительности движения и сигнализирует о потере контакта и низком качестве токосъема. Для определения искрения могут использоваться датчики регистрации оптического или радиоизлучения, возникающего при горении электрической дуги. Датчики могут располагаться на крыше электроподвижного состава, не требуя модификации конструкции токоприемника и организации гальванической развязки измерительных цепей [4].

Для исследования механизмов автоматического регулирования нажатия была разработана математическая модель токоприемника в программном комплексе МАТЬАБ^тиИпк. Схема токоприемника представляет собой одноосную двухмассовую модель с двумя степенями свободы [5]. Модель состоит из сосредоточенной массы системы подвижных рам и массы полоза, масса подвижных рам связана с подвижным основанием, частота и амплитуда колебаний основания имеют зависимость от скорости движения электроподвижного состава.

Сила статического нажатия токоприемника задается моделью резинокордного подъемно-опускающего механизма, на вход которого подается сигнал давления в пневмосистеме. Подъемно-опускающий механизм моделируется при помощи передаточной функции, параметры которой определяются экспериментально для выбранной конструкции токоприемника [6].

Искрение в контакте моделируется при помощи случайной функции с равномерным законом распределения. Значение функции искрения принимается равным нулю при достижении контактным нажатием минимального порогового значения Ркт тш.

На рис. 2 приведена схема математической модели автоматического регулирования токоприемника в среде 81шиИпк.

Подсистема регулирования токоприемника по скорости движения использует пороговый элемент, который подает управляющий сигнал на включение повышенного давления при достижении заданного значения скорости уп.

Поскольку подъемно-опускающий механизм характеризуется длительным переходными процессом при переключении ступеней давления, использовать быстро меняющуюся величину контактного нажатия при регулировании не представляется возможным, поэтому подсистема регулирования по контактному нажатию выполняет расчет среднеквадратичного отклонения за фиксированный промежуток времени сРкт. При достижении этой величиной порогового значения сРкт п подается сигнал на включение повышенного давления.

Рис. 2. Схема математической модели автоматического регулирования токоприемника в среде 81шиИпк

Система регулирования по искрению выполняет интегрирование сигнала интенсивности искрения /(/). При достижении интегральным сигналом порогового значения /2п, подается сигнал на включении повышенного давления. После прекращения искрения система переключает электропневматический распределитель на прежний уровень давления воздуха, обеспечивая возврат нажатия на заранее заданный уровень.

Управляющие сигналы всех регуляторов объединяются при помощи логической функции дизъюнкции, что позволяет обеспечить их параллельную работу.

IV. Результаты экспериментов

Целью исследования является определение наиболее оптимальной схемы регулирования и значений пороговых коэффициентов срабатывания управляющих систем. Для этого был проведен ряд имитационных экспериментов, в которых моделировался процесс токосъема при разгоне электроподвижного состава до максимальной скорости. По результатам эксперимента определялся интегральный критерий качества токосъема. Эксперименты проводились при включении различных вариантов систем регулирования и при использовании комбинаций регуляторов.

На рис. 3 показаны результаты моделирования одного из вариантов схемы регулирования. Изменение величины статического нажатия соответствует моментам переключения клапанов в подъемно-опускающем механизме токоприемника по сигналу системы автоматического регулирования. График интенсивности искрения /(/) показывает относительную интенсивность искрения в моменты снижения контактного нажатия до Ркт ^ График критерия качества токосъема имеет и-образную форму, повторяющую кривую интенсивности износа контактных материалов; минимальное значение критерия кт тш соответствует оптимальному значению нажатия Ркт опт, максимальное значение критерия соответствует нулевому значению нажатия (потере контакта) и превышению контактным нажатием допустимой величины по условиям безопасной эксплуатации контактной сети Ркт тах.

Рис. 3. Результаты моделирования работы системы регулирования нажатия токоприемника: кт - критерий качества токосъема, Ркт - контактное нажатие, Рст - статическое нажатие,

I - интенсивность искрения

В табл. 1 показаны результаты определения критерия качества токосъема при использовании каждой системы регулирования по отдельности. Для удобства сравнения эффективности регуляторов в таблице приведены относительные значения прироста интегрального критерия качества токосъема А1кт = 1кт б - 1кт по отношению к базовому значению критерия 1кт б, полученному при моделировании токосъема без использования регулятора.

Результаты моделирования показывают, что наиболее эффективными являются схемы регулирования по контактному нажатию и искрению. Управление по скорости движения подвижного состава имеет меньшую эффективность из-за отсутствия цепи обратной связи. На рис. 4 представлены диаграммы прироста интегрального критерия качества токосъема при различных параметрах регуляторов.

ТАБЛИЦА 1

КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМАХ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Управление по нажатию Управление по искрению Управление по скорости

сРКт п, Н Д4т / Лкт б 4 п Лкт Д4т / Лг б Уп, м/с Лкт Д4т / Лкт б

10 31.5 0.6 % 5 31.0 2.2 % 25 31.5 0.6 %

20 31.2 1.6 % 10 30.2 4.7 % 30 31.3 1.3 %

30 31.1 1.9 % 15 30.1 5.0 % 35 30.7 3.2 %

40 30.2 4.7 % 20 29.6 6.6 % 40 30.2 4.7 %

50 29.2 7.9 % 25 29.5 6.9 % 45 30.1 5.0 %

60 29.7 6.3 % 30 29.1 8.2 % 50 30.4 4.1 %

70 30.9 2.5 % 35 29.4 7.3 % 55 30.5 3.8 %

80 31.6 0.3 % 40 29.6 6.6 % 60 31.6 0.3 %

8%

6%

4%

2%

0%

ЫьИь

10 20 30 40 50 60 70 оР„

10 15 20 25 30 35 /,,

б

25 30 35 40 45 50 55

, м/с

Рис. 4. Относительное приращение критерия качества токосъема при схемах регулирования по контактному нажатию

Для оценки совместной работы систем регулирования по нажатию и искрению был проведен ряд экспериментов, в которых одновременно варьировались пороговые значения сРкт п и /2п. Результаты экспериментов приведены в табл. 2.

ТАБЛИЦА2

ПРИРОСТ ИНЕГРАЛЬНОГО КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА Мк1 / 1кт б (%) ПРИ КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ

^^^ к п сРкт п, 5 10 15 20 25 30 35 40

10 0.6 0.6 0.9 1.6 1.3 1.3 0.9 0.9

20 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6

30 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9 1.9

40 1.9 1.9 1.9 4.4 4.7 4.7 4.7 4.4

50 2.2 4.7 6.9 7.9 7.6 7.6 7.3 6.6

60 2.2 3.8 4.4 6.6 7.6 8.5 7.9 7.3

70 2.2 3.5 4.7 5.4 6.3 8.2 7.3 6.3

80 2.2 4.7 5.0 6.3 6.6 8.2 7.3 6.6

Результаты эксперимента показали незначительный прирост качества токосъема при использовании комбинированной схемы регулирования по сравнению с одиночными схемами, максимальный прирост составил 0.3 %.

а

в

V. Обсуждение результатов

Результаты экспериментов показывают, что применение ступенчатых регуляторов нажатия токоприемника позволяет повысить качество и надежность токосъема при высоких скоростях движения. Регулятор по скорости движения электроподвижного состава менее эффективен по сравнению с другими вариантами, поскольку управляющий сигнал не связан с контактным нажатием по цепи обратной связи. Регулирование по искрению дает эффект, сравнимый с регулированием по контактному нажатию.

VI. Выводы и заключение

Рассмотренные ступенчатые схемы автоматического регулирования токоприемников показали возможность их эффективного применения для повышения качества токосъема при высоких скоростях движения в сочетании с относительно низкими затратами на реализацию. Регулирование нажатия по искрению представляется наиболее перспективным.

В качестве путей совершенствования систем автоматического регулирования можно рассматривать увеличение количества ступеней регулирования давления и оптимизацию алгоритмов управления. Для достижения качественного улучшения показателей токосъема необходимо решить проблему снижения длительности переходных процессов при ступенчатом регулировании давления, этого можно добиться при помощи специальных регулирующих механизмов, встраиваемых в конструкцию токоприемника.

Список литературы

1. Sidorov O. A., Smerdin A. N., Zhdanov V. A. Evauation procedure of current collection system readiness at railway mainlines' high-speed sections // Vniizht Bulletin (Railway Research Institute Bulletin). 2012. № 2. С. 31-35.

2. Сидоров О. А., Филиппов В. М., Ступаков С. А. Исследования электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта // Трение и износ. 2015. Т. 36, № 5. С. 511-517.

3. Пат. № 105862 Российская Федерация, МПК В 60 L 5/00. Токоприемник электроподвижного состава / Сидоров О. А., Аркашев А. Е., Ларькин И. В., Сосновский С. Ю. № 2011100366/11; заявл. 11.01.2011; опубл. 27.06.2011, Бюл. 18.

4. Пат. № 82445 Российская Федерация, МКИ В 60 L 5/00. Устройство для регистрации искрения токоприемника / Павлов В. М, Сидоров О. А., Смердин А. Н., Чертков И. Е., Голубков А. С. № 2008145678/22; заявл 19.11.2008; опубл. 27.04.2009, Бюл. 12.

5. Сидоров О. А. Аркашев А. Е., Ларькин И. В. Моделирование взаимодействия авторегулируемого токоприемника с контактной подвеской // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 3(31). С. 164-169.

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

УДК 621.313

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКООБОРОТНОГО МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ГЕНЕРАТОРА

А. А. Татевосян, |В. С. Мищенко|, А. А. Лукачева

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

Б01: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-113-117

Аннотация - Статья посвящена экспериментальному испытанию синхронного магнитоэлектрического генератора, магнитная система которого выполнена на базе традиционного асинхронного двигателя: якорь (статор) магнитоэлектрического генератора выполнен на основе статора асинхронной машины с числом пар полюсов 2р=12, цилиндрический индуктор (ротор) включает в свой состав распределенные по поверхности постоянные магниты. Моделирование магнитной системы проводилось в программном обеспечении конечно-элементного анализа Е1си 6.0 и Ansys 18. Для испытания магнитоэлектрического генератора разработан лабораторный стенд, обеспечивающий регулирование скорости вращения индуктора магнитоэлектрического генератора, включающий в свой состав: асинхронный двигатель, частот-