Cовершенствование токоприемников электроподвижного состава

УДК 621.336

В. М. Павлов, В. Н. Финиченко

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье рассмотрена усовершенствованная методика расчета взаимодействия токоприемников с контактной подвеской с учетом различного исполнения верхнего узла токоприемника, предложены виды конструкции верхних узлов токоприемников и приведены результаты их экспериментальных исследований.

Важнейшую роль в техническом перевооружении железнодорожного транспорта играет электрификация железных дорог, позволяющая повысить скорость движения поездов, а следовательно, сократить время доставки грузов и пассажиров.

Транспортная стратегия России, принятая 03.12.2003 на всероссийском совещании в Кремле, наметила направления развития транспортной системы страны, в том числе создание международных транспортных коридоров «Европа - Азия» и «Север - Юг», в которых основную роль будут играть электрические железные дороги.

Согласно стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД») одним из важнейших направлений является создание подвижного состава и инфраструктуры для высокоскоростного движения.

Спецификой электрического транспорта является подвод энергии через скользящий контакт между токоприемником и контактной подвеской, поэтому с повышением скоростей движения увеличивается мощность подвижного состава, а число токоприемников уменьшается до двух, при этом значение снимаемых полозом токов возрастает (особенно при постоянном токе), что требует совершенствования существующих элементов и узлов токоприемников. Это оставляет проблему обеспечения надежного и экономичного токосъема особенно актуальной.

На основании проведенного анализа конструкций известных скоростных токоприемников электроподвижного состава выявлены следующие пути повышения их нагрузочной способности:

- подрессоривание отдельных рядов контактных элементов;

- увеличение числа контактных элементов на полозах;

- улучшение электрических и динамических свойств контактных элементов токоприемников;

- улучшение условий отвода снимаемого тока с контактных элементов и каркасов полозов и охлаждение контактных элементов.

В связи со значительной стоимостью испытаний на эксплуатируемых участках железных дорог и необходимостью организации «окон» в регулярном движении подвижного состава, обуславливающих снижение провозной способности участка при линейных испытаниях, в настоящее время при проектировании устройств токосъема перспективных транспортных средств востребованы теоретические методы, учитывающие все многообразие действующих в реальных условиях факторов, т. е. методы, адекватно отражающие физику процесса токосъема и использующие математический аппарат, обеспечивающий приемлемую точность и достоверность результатов исследований [1].

Исследования по моделированию взаимодействия «токоприемник - контактная подвеска» проводили И. И. Власов, Г. Г. Марквардт, К. Г. Марквардт, А. В. Фрайфельд, В. П. Михеев, А. В. Плакс, С. Н. Ковалев, Т. А. Тибилов, П. Д. Титаренко, А. В. Ефимов, А. Г. Галкин, В. М. Павлов, В. А. Ан, М. М. Ерофеева, В. Т. Жарков, В. И. Себелев, А. Н. Горбань, Р. Ниб-лер, С. Фуджии, Н. Сибата, И. Кумезава и др.

Расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской сводится к определению характеристики контактного нажатия с учетом детерминированного воздействия со стороны контактного провода и основания токоприемника.

1 1

Рвр

На расчетной схеме (рисунок 1) и в формулах приняты следующие обозначения: жкс - жесткость контактной подвески в точке контакта; гкс - коэффициент вязкого трения в контактной подвеске; жсвязи - жесткость, имитирующая упругие связи в контактной подвеске; ткс - масса контактной подвески, сосредоточенная над одним полозом; ткэ - масса полоза токоприемника; м?кэ - сила сухого трения контактного элемента; жкэ - жесткость пружины контактного элемента; жш - жесткость пружины штанги; тш -масса штанги каретки; тк -масса каретки; - сила сухого трения каретки; жк - жесткость пружины каретки; тр -масса системы подвижных рам токоприемника; - сила сухого трения в системе подвижных рам; гр - коэффициент вязкого трения в системе подвижных рам; Рр - статическое нажатие токоприемника; Рвр и Рвл - аэродинамические силы, воздействующие на систему подвижных рам и на полоз токоприемника; ¥и.с - скорость движения подвижного состава; уосн - отклонение основания токоприемника в вертикальном направлении от положения статического равновесия; ур - высотное положение рамы токоприемника; ук - высотное положение каретки; укэ1 и укэ2 - расстояние в вертикальном направлении от первого и от второго по ходу движения полозов до положения статического равновесия; уксо - высотное положение контактного провода при отсутствии под ним токоприемника; а1 и а2 - угол поворота штанги первого и второго по ходу движения полоза токоприемника. В расчетах приняты следующие допущения [1, 2]:

рамы, штанги токоприемника и его необрессоренные части являются абсолютно твердыми, в связи с чем отсутствует необходимость учета упругих деформаций штанг и рам токоприемника, которые имеют незначительную величину и слабо влияют на процесс токосъема;

контактные элементы движутся по контактному проводу безотрывно, что позволяет не рассчитывать траектории движения контактного провода и контактных элементов в отдельности, а также не учитывать ударный процесс при соприкосновении контактного элемента с контактным проводом;

контактная подвеска принята упругой и представляется дискретной моделью; контактные элементы перемещаются только вертикально (незначительное перемещение в горизонтальном направлении принимается равным нулю, так как оно вызывается упругими деформациями в рамах и штангах токоприемника, которые не учитываются согласно первому допущению).

Влияние на контактное нажатие со стороны стрелы провеса контактного провода заключается в изменяющихся по длине пролета жесткости контактной подвески и высотном поло -жении контактного провода при отсутствии под ним токоприемника. Значения высотного

Рисунок 1- Кинематическая схема взаимодействия токоприемника с контактной подвеской

положения контактной подвески КС-200-06 в пролете и ее жесткости получены экспериментально с использованием оборудования вагона-лаборатории для испытания контактной сети на перегоне Лихославль - Калашниково Октябрьской железной дороги. Для учета изменяющейся жесткости контактной подвески использовано ее разложение в ряд Фурье:

in \

1 + ^ mk cos kw0t

k=1

где к - номер гармонической составляющей в жесткости контактной подвески; тк

a

- ко-

ж

кс0

эффициент параметрического возбуждения к-й гармоники; ак - амплитуда косинусоидальной составляющей к-й гармоники; ю0 = 2рГпс / I - частота основной составляющей неравноупру-

гости подвески; /пр - длина пролета контактной подвески.

Кроме того, на токоприемник будет воздействовать переносное движение, возникающее при изменении высотного положения полоза токоприемника из-за переменной жесткости контактной подвески. На процесс токосъема влияют также колебания основания токоприемника.

Аэродинамическое воздействие в расчетах взаимодействия токоприемника и контактной подвески учитывается с помощью экспериментально полученных в ходе линейных испытаний зависимостей аэродинамической подъемной силы, действующей на токоприемник (рисунок 2).

Для расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской использованы уравнения Лагранжа второго рода, которые подразумевают расчет кинетической и потенциальной энергии, диссипативной функции и обобщенных сил системы. Так как конструкция токоприемника имеет шесть степеней свободы, то необходимо составить шесть уравнений движения. Введенные обобщенные координаты отсчитываются от положения статического равновесия, чтобы потенциальная энергия в этом положении была нулевой, т. е. имела в положении равновесия минимум. В связи с тем, что подвижной состав совершает колебания, положение равновесия перемещается вме-

120 Н 80 60 Ру 40 20 0

3

2

1

75

100

125 V

150

175 км/ч 225

Рисунок 2 - Аэродинамическая подъемная сила токоприемника

сте с основанием токоприемника. Таким образом, система отсчета, в которой описывается движение токоприемника, учитывает переносное движение со скоростью уосн в каждый момент времени.

Дифференциальное уравнение движения рамы токоприемника имеет вид:

т

( y + y + f ) + ж (y - y +1 n) +

у s p s осн -'ст.кс/ s к к0/

S„

+r (y-У + f )-r(y-y+ f ) = Р+ Р —;

p V p осн J ст.кс / к \ s к р J ст.кс J р У о

S

уравнение движения каретки токоприемника -

тк (Х + Хсн + /ст.кс ) + тш (2Х + 2 (Хсн + /ст.кс ) + 0,51ш (« + a2 )) +

+ жк (Ук - Ур - 1к0 ) + жкэ (2 (1кэ0 + Ук ) - Укэ1 - укэ2 + l2 (Sin «1 + Sin «2 )) +

S

укэ1 - укэ 2 +l2 (a1 +a2 )) =^y S;

+r (У - У + f ) + r (2 У - f

к \ S к J р J ст.кс / кэ \ J к J ст

дифференциальные уравнения движения первого и второго по ходу движения подвижного состава полозов -

(m + m )( y , + y + f ) + ж ( y , - y -l n - L sin a,) +

V кс кэ /\ -^кэ1 ^осн ./ст.кс / кэ \^кэ1 ^к кэ0 2 1 /

+ж (y ,- y п) + ж (y ,- y Л + r ( y ,-a,L - y +

кс \^кэ1 -'ксО / связи \^кэ1 у кэ2 / кэ \^кэ1 1 2 ^к

V Р п

+ / ) + Г (y , + / ) = - m —^ У akk2v0cos (kv0¿);

J ст.кс 1 кс \^кэ1 J ст.кс 1 y ^ кс k 0 ^^^ \ ^0 /'

S жкс0 k=1

(ткс + ткэ ) (Укэ2 + Ясн + ./ст.кс ) + жкэ (Укэ2 - Ук - 1кэ0 - l2 Sin «2 ) +

кс кэ2 Укс0 ) + жсвязи (Укэ2 - Укэ1 ) + Гкэ (укэ2 - a2l2 - Ук +

s р п

+/,кс ) + Гкс (Укэ2 + /ст.кс ) = Py ^ - ткс У akk2 v0 C0S (k V0*);

s k=1

уравнения движения штанг каретки токоприемника

J . + 0,5тш1ш

•Ук + Уосн + /ст.кс + «1^

2 Л

+ жш1113 cos a1 (1ш0 / ^l12 +132 - 2l1l3 sin a1 -

-1) + жкэ

= Ркт1т( Укэ1 - Ук)+Px ^ (Укэ1 - Ук) + Py sf l2Cos «1;

J « + 0,5m l

ш 2 ' ш ш

2

y + y + / +« —

к s осн J ст.кс 2

+ жшl1l3 cos a2 ( 1ш0 / ^l +132 - 2l1l3 sin a2 -

-1) + жкэ

= -Pcx2m (Укэ2 - Ук ) - Px (Укэ2 - Ук ) + P l2 Cos «2 .

Решение систем (1) - (4) выполнено с помощью универсальной математической программы МаШСАО, для этого система уравнений была преобразована к виду:

УР / ( Уp, Уp, ук , ук, Уосн , Уосн , Уосн , ./ст.кс ^ ;

ук = / (Уp, yp, Ук , Ук , Уосн , «Р «Р «Р « 2 , « 2 , « 2 , Укэ1, -Кэ^ Укэ2 , Укэ2 , /ст.кс ) ; «1 = / ( Ук , Ук , Ук , Уосн , «Р «Р Укэ1, Укэ1, /ст.кс ) ; «2 = / (Ук , Ук, Ук , Уосн , «2 , «2 , «2 , Укэ2 , Укэ2 , /ст.кс ) ; Укэ1 = / (Ук , Ук, Уосн , «1, «1, Укэ1 , Укэ1 , Укэ1 , Укэ2 , /ст.кс ) ; Укэ2 = / (Ук, Ук , Уосн , «2 , «2, Укэ1, Укэ2 , Укэ2 , Укэ2 , ./ст.кс ) .

В результате решения системы уравнений (5) получены графики зависимости перемещений и скоростей движения элементов токоприемников от времени. Силы контактного нажатия определяются по формулам:

Ркт1 = жкс

Ркт2 = жкс (Укэ2 - Укс0 ) + Гкс (Укэ2 + Лт.кс ) + тксУкэ2 + жсвязи (Укэ2 - Укэ1 ) .

Разработанная модель для расчета взаимодействия токоприемника с контактной сетью позволила добиться приемлемой сходимости расчетных и экспериментальных данных, полученных в ходе линейных испытаний на участке Лихославль - Калашниково Октябрьской железной дороги (токоприемник фирмы Siemens, контактная подвеска - КС-200-06; расхождение результатов - не более 6,5 %).

С использованием предложенной математической модели расчета получены зависимости среднеквадратического отклонения (СКО) контактного нажатия токоприемника фирмы Siemens от скорости движения при различной жесткости кареток полоза (рисунок 3), совпадающие с результатами линейных испытаний (рисунок 4) на участке Лихославль - Калашни-ково.

100

Н

60

40

20

3,С 4,5 6,0

(А

\жк= =10,0 кН/м

100

0

100

200 V -

300 км/ч —

500

Рисунок 3 - Зависимость СКО контактного нажатия токоприемника от скорости движения при различной жесткости кареток полоза

60

40

20

- 160

- 180

- 200  - 220

- 240

км/ч; км/ч; км/ч; км/ч; км/ч

13-й

15-й

Анкерный участок

Рисунок 4 - Зависимость СКО контактного нажатия при различных скоростях движения электроподвижного состава

Н

оР

о

Р

кт

0

Из графиков рисунка 3 видно, что на скорости 220 км/ч наблюдается резонанс, приводящий к увеличению СКО контактного нажатия; снижения влияния резонанса можно добиться уменьшением жесткости верхнего узла до 4,5 кН/м, при этом необходимо учитывать, что чрезмерное уменьшение жесткости приведет к сдвигу резонанса в сторону меньших скоростей и увеличению амплитуды СКО контактного нажатия.

Введение в верхний узел токоприемника элементов вторичного подрессоривания контактных элементов позволяет для скоростей до 250 км/ч в два раза уменьшить значение СКО контактного нажатия и практически убрать резонанс на скорости 220 км/ч (рисунок 5), при этом наименьшее СКО контактного нажатия соответствует жесткости каретки и элементов вторичного подрессоривания, равной 3,0 и 3,0 кН/м соответственно (рисунок 6).

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что предложенная методика расчета взаимодействия токоприемника электроподвижного состава с контактной подвеской позволяет рассчитать ряд известных и новых конструкций токоприемников и определить их параметры для обеспечения надежного и качественного токосъема.

В ОмГУПСе на основании проведенных расчетов предложены и разработаны две конструкции верхних узлов, повышающие нагрузочную способность токоприемников [3]:

полоз токоприемника с неоднородными по ширине контактными элементами, который

позволяет снимать большие тяговые токи за счет исключения переходного сопротивления между коробом и контактными накладками, а также улучшает динамические свойства полоза за счет снижения массы контактных накладок и введения элементов вторичного подрессори-вания;

полоз токоприемника, который позволяет стабилизировать нажатие токоприемника на контактный провод за счет изменения его ширины, обеспечивая равномерный износ контактных элементов, и снимать большие тяговые токи за счет улучшенных динамических свойств полоза.

100

200 V -

300 —

км/ч

500

100

200 V -

300 —

км/ч

500

Рисунок 5 - Зависимость СКО контактного нажатия от скорости движения при различной жесткости пружин подрессоривания контактных элементов

Рисунок 6 - Зависимость СКО контактного нажатия от скорости движения при различной жесткости пружин кареток

На основании результатов расчета предложена схема верхнего узла токоприемника (рисунок 7), позволяющая стабилизировать контактное нажатие токоприемника и увеличить его

нагрузочную способность при увеличении скорости движения электроподвижного состава, определены технические параметры верхнего узла.

Анализ данных экспериментальных исследований предложенных конструктивных решений верхнего узла токоприемников [4] позволяет судить о параметрах и характеристиках предложенных конструкций верхних узлов токоприемников, современных контактных элементов, а также прогнозировать их работу в условиях эксплуатации и технико-экономическую эффективность применения данных конструкций на электрическом транспорте.

В ходе проведения нагрузочных испытаний получены зависимости разни-

Рисунок 7 - Схема предлагаемого верхнего узла токоприемника

0

0

жмт

Ш20Т0

цы температуры нагрева набегающего и сбегающего рядов контактных элементов полоза при изменении его ширины для различных скоростей движения и снимаемых токов (рисунки 8, 9).

Из полученных графиков (см. рисунки 8, 9) видно, что чем уже полоз, тем больше разница температуры нагрева набегающего и сбегающего рядов вставок. Кроме того, при увеличении ширины полоза на 500 мм и более разница в значениях температуры рядов вставок уменьшается незначительно, что подтверждают расчетные кривые.

At

100 200 300 400 500 мм 700 11-*

Рисунок 8 - Разница температуры нагрева набегающего и сбегающего рядов контактных элементов полоза при изменении его ширины для различных скоростей движения

40 °С 30 il 25 20 15 10 5

0

At

/350 А //300 А

А250 А

100 200

300 h —

400 —

500

700

Рисунок 9 - Разница температуры нагрева набегающего и сбегающего рядов контактных элементов полоза при изменении его ширины для различных снимаемых токов

Применение предлагаемых конструкций верхних узлов токоприемников электроподвижного состава позволяет обеспечить надежную передачу рабочего тока при эксплуатации ско -ростных и тяжеловесных поездов, уменьшить капитальные затраты и эксплуатационные расходы за счет снижения затрат на их обслуживание.

Список литературы

1. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи [Текст] / В. П. Михеев. -М.: Маршрут, 2003. - 421 с.

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

3. Финиченко, В. Н. Пути повышения нагрузочной способности токоприемников электроподвижного состава [Текст] / В. Н. Финиченко // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Красноярск: Гротеск, 2005. - Т. 1. - С. 457 - 462.

4. Условия и предпосылки получения фактических параметров и характеристик контактных подвесок в ходе проведения линейных испытаний [Текст] / В. М. Павлов, А. Г. Галкин, В. Н. Финиченко и др. // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 2007. - № 3. - С. 51 - 53.