Совершенствование методик лабораторных и натурных испытаний токоприемника за счет контроля плотности воздушной среды

Уровень доверия характеризует то, что значение параметров обученной нейронной сети находится в допустимом для нее доверительном интервале. Доверительная вероятность обычно обозначается как 1 - а и выбирается из значений 0,9; 0,95; 0,99 [4].

На рисунке 5 изображена диаграмма в трехмерном пространстве, отображающая уровень доверия полученной нейронной сети. Темные точки на рисунке (тестовые (выборочные) наблюдения) характеризуют принадлежность уровня доверия к полученным в ходе обучения ИНС значениям целевой и выходной функций. Следует заметить, что отклонения уровней являются незначительными и не выходят за пределы 5 %, что допустимо при решении рассматриваемой задачи.

Рисунок 5 - Уровень доверия рассматриваемой НС: у - остаток; x и z - целевая и выходная функции

Список литературы

1. Овчаренко, С. М. Метод безразборного контроля величины износа трущихся деталей тепловозных дизелей [Текст] / С. М. Овчаренко, Е. И. Сковородников // Наука и техника транспорта / Российская открытая акад. трансп., Московский гос. ун-т путей сообщения. - М. -2006. - № 2. - С. 64 - 71.

2. Хайкин, С. O. Нейронные сети: полный курс [Текст] / С. O. Хайкин. - М., 2006. -1104 с.

3. Галушкин, А. И. Нейронные сети: основы теории [Текст] / А. И. Галушкин. М., 2010. -496 с.

4. Боровиков, В. П. Популярное введение в современный анализ данных в системе Statis-tica: Учебное пособие [Текст] / В. П. Боровиков. - М., 2013. - 288 с.

References

1. Ovcharenko S. M., Skovorodnikov E. I. Method dimension to control the amount of wear of rubbing parts of diesel engines [Metod bezrazbornogo kontrolia velichiny iznosa trushchikhsia de-talei teplovoznykh dizelei]. Nauka i tekhnika transporta - Science and Technology of Transport, 2006, no.2, pp. 64 - 71.

2. Haykin S. O. Neironnye seti (Neural Networks). Moscow, 2006, 1104 p.

3. Galushkin A. I. Neironnye seti (Neural Networks). Moscow, 2010, 496 p.

4. Borovikov V.P. Populiarnoe vvedenie v sovremennyi analiz dannykh v sisteme STATISTICA (Popular introduction to modern data analysis system Statistica). Moscow, 2013, 288 p.

УДК 621.336

А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко, В. Н. Горюнов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК ЛАБОРАТОРНЫХ И НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОКОПРИЕМНИКА ЗА СЧЕТ КОНТРОЛЯ ПЛОТНОСТИ

ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

В статье приведены усовершенствованные методики аэродинамических натурных и лабораторных испытаний токоприемника. Предложено считать плотность среды ее интегральным показателем. Рассматри-

вается влияние плотности воздуха на приведенные виды испытаний и обоснована необходимость внесения поправок при анализе результатов для корректной обработки полученных данных.

В соответствии со «Стратегией развития железнодорожного транспорта до 2030 года» ОАО «РЖД» планируется увеличение скорости движения поездов и строительство отдельных скоростных и высокоскоростных магистралей. Введение в эксплуатацию современного электроподвижного состава потребует проведения испытаний, в том числе и испытаний токоприемников, поэтому совершенствование методик испытаний является в настоящее время актуальной задачей.

С повышением скорости движения увеличивается и влияние аэродинамических сил [1]. Спектры обтекания электроподвижного состава существенно зависят от конфигурации крышевого оборудования, которое оказывает влияние на параметры работы токоприемника.

Наиболее достоверную оценку аэродинамических вертикальных сил, действующих на токоприемник электроподвижного состава, позволяют дать натурные испытания с помощью диагностического комплекса (специального подвижного состава), предложенного в ОмГУПСе, обеспечивающие измерение параметров контактной сети и данного исследуемого токоприемника [1 - 4]. Данный диагностический комплекс должен иметь крышевое оборудование, аналогичное оборудованию подвижного состава, на котором планируется эксплуатация токоприемника.

Токоприемник устанавливается на крыше диагностического комплекса на место штатного измерительного токоприемника. В схему измерения включается показанное на рисунке 1 оборудование: 1 - токоприемник; 2 - тензометрический датчик; 3 - блок регистрации; 4 - блок; 5 - синтетический трос; 6 - электрическая лебедка; 7 - видеокамера; 8 - портативный компьютер; 9, 11 - медиаконвертеры; 10 - оптоволоконный шнур; 12 - компьютер оператора; 13 - GPS-датчик; 14 - анемометр; 15 - крыло; 16 - управляющие стержни.

Регистрация аэродинамической подъемной силы выполняется с помощью тензометрических датчиков [5]. В представленной на рисунке 1 схеме измерения применяются электрические тензометры (тензорезистивные датчики) типа ZFA50. Перед началом испытаний необходимо произвести тарировку тензодатчиков, для этого используется груз с суммарной массой, соответствующей пределам измерения ZFA50.

Рисунок 1 - Схема измерения аэродинамической подъемной силы токоприемника

Методика испытаний заключается в определении аэродинамической подъемной силы токоприемника при различных значениях скорости движения. Полоз (полоза) токоприемника фиксируют в горизонтальном положении для исключения поворотов относительно оси кареток. К верхнему шарниру системы подвижных рам присоединяется тензометрический датчик, подключенный к блоку регистрации, на этот блок также поступает информация с

анемометра. К датчику нажатия крепится синтетический трос длиной не менее 10 м и диаметром не менее 6 мм. Второй конец троса закрепляют через блок на электрической лебедке. Видеокамера устанавливается на крыше диагностического комплекса таким образом, чтобы в ее поле зрения попадал полоз токоприемника во всем диапазоне вертикальных перемещений. При помощи видеокамеры, подключенной к компьютеру оператора, определяется высотное положение токоприемника во время испытаний. Управление лебедкой осуществляется дистанционно из кабины диагностического комплекса. Блок регистрации подключается к портативному компьютеру. Медиаконвертер соединяется с ПЭВМ при помощи волоконно-оптического кабеля, выполняющего роль потенциальной развязки. Блок регистрации, портативный компьютер и медиаконвертер устанавливаются на основании токоприемника. Второй конец волоконно-оптического кабеля подключается к медиаконвертеру, расположенному в кабине диагностического комплекса и соединенному с компьютером оператора. Информация об аэродинамической вертикальной подъемной силе от блока регистрации поступает через портативный компьютер, волоконно-оптический кабель в компьютер оператора, при помощи которого осуществляется наблюдение в процессе испытаний. К компьютеру подключен также GPS-датчик, осуществляющий привязку показаний датчиков по времени к местности.

С помощью схемы измерений, приведенной на рисунке 1, в 2012 г. специалистами ОмГУПСа в рамках выполнения хоздоговорной работы проводились испытания токоприемника ТА1-УКС.160 (АИСТ). Данные испытаний показали, что при одних и тех же рабочей высоте токоприемника, направлении и скорости набегающего потока аэродинамические вертикальные силы различаются. В соответствии с выражениями классической аэродинамики для аэродинамической подъемной силы и силы лобового сопротивления известно, что эти силы зависят также и от плотности среды [6, 7].

Плотность воздуха определяется такими факторами, как давление, температура, влажность, наличие второй фазы, и может считаться интегральным параметром среды, зависящим от метеоусловий:

р = /

где Т - температура среды; К, Р - давление среды, Па; ф - относительная влажность среды; а - доля второй фазы в среде.

В качестве средств для измерения плотности используются различные плотномеры. Первыми измерителями плотности, которые появились еще в конце XIX в., были пикнометры (стеклянные шаровидные колбы, в которых плотность газа или жидкости определялась путем взвешивания). Существенным недостатком применения данного устройства для измерения плотности является невозможность использовать его при натурных испытаниях и получать данные в виде цифрового сигнала.

В качестве альтернативы могут быть использованы устройства, с помощью которых плотность определяется путем обработки информации о метеорологических параметрах среды, полученной с помощью датчиков. Определив влажность, давление и температуру, можно вычислить плотность среды [8]. Зависимость плотности сухого воздуха от температуры и давления при отсутствии в нем второй фазы приведена на рисунке 2.

Использование данного метода измерения плотности требует применения большого числа датчиков, что снижает надежность схемы, а влияние второй фазы на плотность среды при этом вообще не учитывается. Для решения указанной проблемы предлагается использовать зависимость скорости звука в среде от ее интегрального показателя плотности, кг/м3,

Р = 0,00003 с 2 - 0,0306 с + 7,645,

где с - скорость распространения звука в воздушной среде, м/с.

Мб кг/м3

1,4 1,3 1,2 1Д 1.0

Р

1,6 кг/м3

1,4 1,3 1,2 1Д 1.0

-40°С

20°С 50°С

мм рт. 780 ст 800

700 710 720 730 740 750 760 770

Р-*

б

Рисунок 2 - Зависимость плотности сухого воздуха от: температуры

Данная зависимость приведена в ГОСТ 4401-81 [8] и показана в виде графика на рисунке 3. Таким образом, предлагаемый интегральный показатель плотности среды позволяет учитывать большинство факторов, влияющих на аэродинамические силы, действующие на токоприемник.

с

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30

1.35

кг/м

1.45

Р

Рисунок 3 - Скорость звука в среде различной плотности

а

С помощью ПО, разработанного в ОмГУПСе, расчет плотности воздуха может быть произведен посредством ультразвукового измерителя. На вход датчика ультразвука микроконтроллером, интегрированным в измеритель показателя плотности, подается короткий импульс (10 мкс), который запускает схему измерения. Источник формирует пачку из восьми импульсов с частотой 40 кГц, после чего на приемнике устанавливается сигнал высокого уровня. Этот сигнал, в свою очередь, сбрасывается ультразвуковым импульсом, отраженным от поверхности с высоким значением коэффициента отражения звука. Микроконтроллер измеряет время, за которое ультразвуковой сигнал прошел путь от источника до приемника (рисунок 4). После этого рассчитывается скорость звука, которая непосредственно зависит от плотности среды.

ИмПуЛЬС - 10 мкС Сигнал запуска измерения

Период запуска - 50 ^ 60 мс

Излучаемый сигнал

Частота импульсов - 40 кГц

Импульс

Импульс на приемнике с длительностью, „

_ пропорциональной

времени прохождения сигнала от приемника к передатчику

Рисунок 4 - Принцип работы датчика для определения плотности среды

Апробация методики была проведена в ходе лабораторных испытаний аэродинамического устройства для компенсации аэродинамической составляющей контактного нажатия на стенде, показанном на рисунке 5. В рамках этих испытаний данное аэродинамическое устройство с крылом профиля NACA-2210 было закреплено на верхнем узле токоприемника. Комплект измерительных приборов состоял из дифманометра ДМЦ-01, ультразвукового измерителя показателя плотности и аналого-цифрового преобразователя, подключенных к компьютеру. К аналого-цифровому преобразователю были подключены тензодатчик и датчик угла поворота крыла.

Массив данных накапливался в ходе нескольких измерений с частотой 10 Гц. В базу данных заносились также показания дифманометра. При анализе данных производилась выборка по скорости в диапазоне от 20 до 70 м/с с интервалом скоростей 1 м/с для четырех углов поворота крыла.

Для обеспечения достоверности полученных данных алгоритм их получения и обработки должен был соответствовать положению теории планирования эксперимента [9, 10].

Результаты, полученные при лабораторных исследованиях, определялись условиями эксперимента, сбором массива информации в ходе проведения этих исследований и обработкой данных. На этапе лабораторных исследований, который предшествовал снятию показаний, на полученные данные могли повлиять качество поверки и тарировки измерительных приборов, погрешности оператора, погрешности методики измерений, а также невыявленные в ходе подготовки недостатки экспериментальной установки и положение объекта исследования. В ходе эксперимента получали массив данных, после чего обрабатывали его с помощью методов математической статистики [10]. Данный этап исследований включал в себя также построение графиков функций и проверку результатов исследований в некоторых характерных точках, определенных заранее. Если полученные данные признавались по задан-

ным критериям достоверными, то строились итоговые графики. В противном случае выявлялись факторы, которые вносили погрешности, и эксперимент проводился заново.

в

Рисунок 5 - Стенд для испытаний верхнего узла токоприемника в лаборатории «Контактные сети и ЛЭП» ОмГУПСа по усовершенствованной методике: а - ультразвуковой измеритель показателя плотности; б - датчик угла поворота крыла; в - токоприемник с малой аэродинамической трубой

Алгоритм действий при аэродинамических испытаниях токоприемника с помощью усовершенствованной методики включал в себя следующие шаги:

приведение в готовность оборудования для измерения аэродинамической составляющей контактного нажатия, включая размещение непосредственно рядом с токоприемником ультразвукового измерителя плотности;

фиксацию начальных показаний тензодатчиков, проведение их тарировки с помощью груза с заранее известной массой;

снятие показаний: подъем токоприемника, получение данных при отсутствии аэродинамического воздействия и с включенной аэродинамической трубой с последующим расчетом их разности, которая и является аэродинамической вертикальной силой при заданной скорости движения воздушного потока;

регулирование скорости набегающего потока, измеряемой дифманометром, путем изменения расстояния от трубы до верхнего узла;

распределение полученных данных в зависимости от рабочей высоты токоприемника и скорости потока;

приведение результатов к данным с одинаковой плотностью для их корректного сопоставления и построение аэродинамических характеристик подъемной силы токоприемника с учетом влияния плотности воздуха.

Схема измерения была дополнена датчиком угла поворота крыла (рисунок 6), который при установке аэродинамического устройства на токоприемник позволяет производить контроль этого угла в зависимости от скорости набегающего воздушного потока.

14

v

- Н

-" л 10

8

Pвт 6

а - угол поворота крыла эродинами-ческого устройства

4

15

15о •

10о \

5о 4 \ • • •

0о \ * »

\

. *» -— тт* * к —*

1 А ' XI и

25

х - данные, полученные при СРВ-исследовании для соответствующего угла поворота крыла

75

Рисунок 6 - Аэродинамические характеристики крыла аэродинамического устройства в зависимости от угла его поворота при движении токоприемника «коленом» вперед

Итогом лабораторных испытаний стали построенные зависимости аэродинамической подъемной силы крыла аэродинамического устройства от угла атаки при скорости воздушного потока от 20 до 70 м/с, которые приведены на рисунках 6 и 7. Кроме того, для данного крыла были определены аэродинамические вертикальные силы с использованием средств вычислительной гидрогазодинамики (CFD).

PR

а - угол поворота крыла аэродинамического устройства

-25

х - данные, полученные при СБО-исследовании для соответствующего угла поворота крыла

Рисунок 7 - Аэродинамические характеристики крыла аэродинамического устройства в зависимости от угла его поворота при движении токоприемника «коленом» назад

По результатам испытаний можно сделать следующие выводы.

1) Плотность воздушной среды является ее интегральным показателем, который зависит от метеоусловий, поэтому при проведении натурных и лабораторных испытаний токоприемника требуется в дополнение к стандартной методике испытаний проводить также измерение плотности воздуха и вносить поправки на основе этих измерений в полученные результаты.

2) Предложенный интегральный показатель плотности среды, определяемый экспериментально по скорости звука, включает в себя большинство влияющих факторов и может быть использован для корректировки результатов при расчете аэродинамических показателей.

3) Разница между аэродинамическими вертикальными силами, полученными экспериментально и с помощью методов вычислительной гидрогазодинамики, не превысила 10 %, что свидетельствует об адекватности применяемых усовершенствованных методик лабораторных и натурных испытаний токоприемника.

2

0

У

У

а

У

Список литературы

1. Measurement of the Contact Force of the Pantograph by Image Processing Technology [Text] / T. Koyama, M. Ikeda et. al. - Summaries of RTRI REPORT (in Japanese). - 2014. - QR. -Vol. 55. - No. 2. - P. 73 - 78.

2. Применение цифровых средств измерения для определения динамических характеристик устройств токосъема [Текст] / О. А. Сидоров, В. М. Павлов и др. // Транспорт Урала / уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург. - 2007. - № 4. - С. 76 - 79.

3. Перспективные методы исследования и оценки параметров системы токосъема при проведении линейных испытаний [Текст] / В. М. Павлов, А. С. Голубков и др. // Вестник ВНИИЖТа / Всерос. ин-т инж. ж.-д. трансп. - М. - 2008. - № 6. - С. 40 - 45.

4. Разработка контактной сети для ВСМ России [Текст] / А. Г. Галкин, А. А. Ковалев и др. // Инновационный транспорт / Российская акад. трансп., Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2011. - № 1 (1). - С. 16 - 22.

5. Keil, S. Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen (Stress analysis using strain gages) [Text] / S. Keil - Cuneus - Verlag, 1995.

6. Хлебников, В. С. Аэротермодинамика элементов летательных аппаратов при стационарном и нестационарном сверхзвуковом отрывном обтекании [Текст] / В. С. Хлебников. -М.: Физматлит, 2014. - 168 с.

7. Пат. 2386552 Российская Федерация, МПК В 60 М 1/12 Паранин, А. В. Устройство для подавления автоколебаний контактной подвески [Текст] / А. В. Паранин, А. Г. Галкин, А. В. Ефимов; заявитель и патентообладатель Уральский гос. ун-т путей сообщения. -2008138115/11; заявл. 24.09.2008; опубл. 20.04.2010. Бюл. № 11.

8. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 180 с.

9. Михеев, В. П. Совершенствование систем контактного токосъема с жестким токопро-водом: Монография [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров. - Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2003. - 182 с.

10. Сидняев, Н. И. Теория планирования эксперимента и анализ статистических данных: Учебное пособие [Текст] / Н. И. Сидняев. - М.: Юрайт, 2011. - 399 с.

References

1. Measurement of the Contact Force of the Pantograph by Image Processing Technology / T. Koyama, M. Ikeda et. al. - Summaries of RTRI REPORT (in Japanese) QR 2014 Vol. 55, 2014, no.2, pp. 73 - 78.

2. Sidorov O. A., Pavlov V. M., Smerdin A. N., Golubkov A. S., Zarenkov S. V. The use of digital measurement tools to determine the dynamic characteristics of the current collection devices [Primenenije tsifrovykh sredstv izmerenija dlia opredelenija dinamicheskikh kharakteristik ustrojstv tokos"ema]. Transport Urala - The transport of the Urals, 2007, no. 4 (15), pp. 76 - 79.

3. Pavlov V. M., Smerdin A. N., Golubkov A. S., Zarenkov S. V., Mirinos N. V., Tiurnin P. G., Zakiev E. E. Perspective methods of research and assessment of parameters of system of a tokosjem when carrying out linear tests [Perspektivnye metody issledovanija i otsenki parametrov sistemy tokos"ema pri provedenii linejnykh ispytanij]. Vestnik VNIIGT - Bulletin of the research Institute of railway transport, 2008, no. 6 (15), pp. 40 - 45.

4. Ivanov V. A., Galkin A. G., Kovalev A. A., Kudriashov E. V. Development of a contact network for high speed highway in Russia [Razrabotka kontaktnoj seti dlia VSM Rossii] - Inno-vatsionnyj transport, 2011, no. 1, pp. 16 - 22.

5. Keil S. Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen (Stress analysis using strain gages). - Cuneus - Verlag, 1995.

6. Khlebnikov V. S. Aerodinamika elementov letatel'nykh apparatov pri statsionarnom i nes-tatsionarnom sverkhzvukovom otryvnom obtekanii (Aerothermodynamics elements of aircraft under stationary and non-stationary supersonic separated flow). Moscow: FIZMATLIT, 2014, 168 p.

7. Paranin A. V., Galkin A. G., Efimov A. V. Patent RU 23866552 C1, 20.04.2010.

8. Atmosfera standartnaja. Parametry. GOST 4401-81. (Standard atmosphere. parameters, State Standart 4401-81). Moscow: Standarty, 1982, 180 p.

9. Mikheev V. P., Sidorov O. A. Sovershenstvovanie sistem kontaktnogo tokos"ema s gestkim tokoprovodom (Improvement of current collection contact with a rigid current lead). Omsk: OSTU, 2003, 182 p.

10. Sidniaev N. I. Teorija planirovanija eksperimenta i analiz statisticheskikh dannykh (Theory of planning of experiment and analysis of statistical data). Moscow: Iurajt, 2011, 399 p.

УДК 621.333:621.314.26:621.313.33:621.317

В. В. Харламов, В. О. Мельк, Д. И. Попов, А. В. Литвинов

АЛГОРИТМ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ

В статье рассмотрена программа проведения испытаний асинхронных тяговых двигателей подвижного состава железных дорог. На основании рекомендаций государственных стандартов по испытаниям асинхронных двигателей составлен алгоритм проведения испытаний, учитывающий предложенные схемные решения и функциональные возможности основных средств испытаний.

Выполнение испытаний, направленных на получение данных, по которым можно судить о соответствии электрической машины стандартам и техническим условиям, является заключительным этапом перед выпуском машины в эксплуатацию. Важно обеспечить не только соответствие проведения испытаний существующим государственным стандартам, но и подобрать такой метод, схему и алгоритм испытаний, при которых потери электрической энергии при испытании будут минимальными.

Таким методом является проведение испытаний при взаимной нагрузке двигателей. Метод взаимной нагрузки долгие годы успешно применяется при испытании тяговых двигателей постоянного тока [1]. Реализация данного метода при испытании асинхронных тяговых двигателей требует применения устройств для регулирования режимов испытаний и согласования работы этих двигателей с частотой сети.

Актуальность применения данного метода при проведении испытаний асинхронных тяговых двигателей подвижного состава железных дорог не вызывает сомнений. В скором времени потребность в таких испытательных станциях возрастет в связи с широким внедрением подвижного состава с асинхронным тяговым приводом. Так, в настоящее время на сети железных дорог РФ эксплуатируется либо вводится следующий подвижной состав: электровозы (ЭП10, НПМ2, ЭП20, 2ЭС5, 2ЭС10, 2ЭС20), электропоезда (ЭН3, ЭТ4А), поезда метрополитенов, тепловозы (2ТЭ25А, ТЭМ9Н, ТЭМ35) [2].

Особенностью асинхронных тяговых двигателей, работающих на современном подвижном составе, является их работа совместно с преобразователями частоты, с помощью которых регулируются режимы работы этих двигателей. Как отмечено в ГОСТ 25941-83 [3], асинхронные двигатели, работающие совместно с преобразователями частоты, должны быть испытаны с этими же типами преобразователей. Таким образом, испытательные станции должны быть разработаны с учетом приведенного условия.

Сотрудниками ОмГУПСа была предложена схема испытаний асинхронных тяговых двигателей, обеспечивающая проведение испытаний по методу взаимной нагрузки (рисунок 1) [4, 5].

Регулирование режимов нагрузки задается с помощью установки различных частот питающего напряжения, формируемых преобразователями частоты ПЧ1 и ПЧ2. Передача элек-