Разработка универсального измерительного токоприемника электроподвижного состава на основе базовой конструкции т(л)а1-укс. 160

1. Максимально приблизить норму расхода дизельного топлива к техническим параметрам расхода ДГУ локомотива.

2. Автоматизировать систему технического нормирования и исключить погрешность при замерах уровня топлива, ошибки при заполнении маршрута машиниста и его обработке операторами и т. д.

3. Выявить несанкционированный слив дизельного топлива не только на холостом ходу, но и в режиме тяги.

4. Определять загрузку локомотивов на участках работ по фактическому пробегу и выполненной ДГУ работе.

5. Принимать решение о качестве настройки ДГУ тепловоза по завышенному расходу дизельного топлива.

Список литературы

1. Головаш, А. Н. Использование бортовых систем в эксплуатации и ремонте тепловозов [Текст] / А. Н. Головаш, С. М. Кузнецов, Д. Э. Тиссен // Энергосбережение в теплоэлектро-энергетике и теплоэлектротехнологиях: Материалы междунар. науч.-практ. конф. / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2010. - С. 148 - 152.

2. Головаш, А. Н. Опыт использования бортовых систем [Текст] / А. Н. Головаш, В. М. Бочаров, С. М. Кузнецов // Железнодорожный транспорт. - 2009. - № 2. - С. 38 - 39.

3 . Кузнецов, С. М. Использование бортовых систем при техническом нормировании расхода дизельного топлива [Текст] / С. М. Кузнецов, С. Н. Волошин, Ю. А. Петухов // Инновации для транспорта: Сб. науч. статей с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - Ч. 3. -С. 66 - 70.

УДК 621.336.2

О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, М. В. Емельянов

РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТОКОПРИЕМНИКА

ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ БАЗОВОЙ КОНСТРУКЦИИ Т(Л)А1-УКС.160

В статье рассмотрена конструкция универсального измерительного токоприемника, предназначенного для получения при проведении испытательных поездок наборов точных и адекватных данных о качестве токосъема за счет возможности моделирования параметров и характеристик перспективных отечественных и зарубежных токоприемников, устанавливаемых на современном электроподвижном составе.

Представлены результаты его апробации на Западно-Сибирской железной дороге.

Проведение экспериментальных поездок по действующим электрифицированным линиям железных дорог для определения динамических параметров взаимодействия токоприемников электроподвижного состава (ЭПС) с контактными подвесками связано с преодолением ряда трудностей, обусловленных в первую очередь особенностями применяемых средств измерений и точностью настройки их параметров [ 1, 2].

В России в настоящее время качество токосъема оценивается с помощью специальных измерительных токоприемников (ИТ), входящих в состав оборудования испытательного подвижного состава.

Широкое распространение получили ИТ, выполненные на базе Л-13У. Они устанавливаются на вагонах-лабораториях ВИКС ЦЭ, диагностических комплексах АДК-И «ЭРА» и «Интеграл».

66 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 3(15) 2013

= _

На рисунке 1 представлен измерительный токоприемник электроподвижного состава, выполненный на базе Л-13У, а на рисунке 2 - измерительный полоз токоприемника с установленными датчиками.

Рисунок 1 - Измерительный токоприемник на базе Л-13У Рисунок 2 - Измерительный полоз токоприемника

С помощью таких ИТ регулярно проводятся испытательные поездки для оценки качества токосъема по действующим электрифицированным линиям железных дорог с различными скоростями движения, типами эксплуатируемого подвижного состава и контактных подвесок [3, 4]. При этом контролируются следующие параметры взаимодействия в системе «токоприемник - контактная подвеска»:

сила нажатия токоприемника на контактный провод в пределах 40 - 400 Н с погрешностью не более ± 5 % (датчики нажатия расположены под специальным измерительным полозом);

вертикальные ускорения для учета массы полоза токоприемника при измерениях нажатия (два акселерометра по краям полоза) и ускорения в горизонтальной плоскости для регистрации ударов и подбоев (один акселерометр в середине полоза);

подхваты отходящих ветвей дополнительных фиксаторов (контактные датчики с двумя разновысокими гибкими касателями);

уровень напряжения в контактной сети.

Недостатками в работе ИТ на базе Л-13У являются неспособность передачи электроэнергии к двигателям и оборудованию экспериментального подвижного состава во время движения или стоянки и отсутствие способов валидации технических характеристик под особенности того токоприемника, для которого и проходит цикл испытательных поездок.

С внедрением в России высокоскоростного движения на железных дорогах применяется новый подвижной состав, в том числе и зарубежный, созданный по современным технологиям с использованием высокотехнологичного оборудования и перспективных токосъемных устройств.

Электровозы и электропоезда оснащаются токоприемниками, выполненными в соответствии с европейскими нормами и техническими спецификациями и отличающимися от измерительных на базе Л-13У конструкцией, массогабаритными параметрами, кинематическими схемами, особенностями работы и характеристиками (таблица 1).

Поэтому говорить об адекватности получаемых с помощью существующих отечественных измерительных комплексов данных о качестве токосъема реальной картине взаимодействия в системе «токоприемник - контактная подвеска» не приходится, особенно при высокоскоростном движении.

Наиболее развитыми зарубежными скоростными токоприемниками, применяемыми в России, являются SSS 87, SBS-2T (Siemens AG), AX, CX (Faiveley Transport).

№203(135) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 67

Таблица 1 - Сравнение характеристик наиболее развитых зарубежных токоприемников электроподвижного состава с характеристиками токоприемника на базе Л-13У

Наименование параметра Тип токоприемника

Л-13У 88887 8В82Т сх

Напряжение, В 3000 3000 3000 3000

Допустимый длительный ток при движении, А 500 до 2200 до 4000 до 2500

Скорость движения, км/ч 140 250 200 250

Максимальная высота подъема, мм 2100 2500 2500 2600

Рабочая высота, мм:

минимальная 400 300 300 300

максимальная 1900 2400 2400 2500

Сила статического нажатия, Н 60 - 160 60 - 150 60 - 150 55-155

Масса, кг 290 135 120 130

Приведенная масса, кг 35 34 34 33

Для получения более точных результатов взаимодействия токосъемных устройств на участке железнодорожной линии необходимо проводить испытательные поездки для конкретного подвижного состава, учитывая следующие особенности [5]:

- тип токоприемника;

- скоростные режимы движения на перегоне;

- тип контактной подвески;

- климатические особенности участка.

Изготовление из каждого существующего штатного токоприемника ЭПС измерительного и привлечение для осуществления экспериментов подвижного состава, участвующего в коммерческих перевозках - невыгодные мероприятия, требующие огромного количества времени и денежных затрат.

Таким образом, для испытательных поездок по определению качества токосъема необходимо универсальное диагностическое средство с возможностью реализации характеристик любых известных перспективных токоприемников ЭПС.

При проектировании и разработке такого средства диагностики важно правильно выбрать модель «донора» (базового проекта), так как от первоначальных характеристик, заложенных в проект, будут зависеть возможные диапазоны регулировки, настройки и подбора параметров создаваемого измерительного токоприемника, которые должны отличаться от требований ГОСТа [6] не менее чем на 30 % в сторону улучшения.

В Омском государственном университете путей сообщения на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» на основе базовой модели асимметричного скоростного токоприемника Т(Л)А1-УКС.160 (рисунок 3), созданного в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» в соответствии с договором № 151/10 от 12 июля 2010 г., выполняемого при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, был разработан универсальный измерительный токоприемник (УИТ) (рисунок 4) [7].

По мере необходимости после незначительных изменений в конструкции УИТа его можно устанавливать взамен штатного токоприемника на любой экспериментальный подвижной состав и с его помощью моделировать характеристики любого перспективного скоростного (высокоскоростного) токоприемника и получать весомый набор данных о качестве процесса токосъема [8, 9], в который входят такие параметры, как

а) величина нажатия токоприемника на контактный провод, до 50 даН;

б) ускорения вертикальных, горизонтальных продольных и поперечных перемещений и крутильных колебаний полоза токоприемника, от -5§ до +5§;

в) аэродинамическая подъемная сила, действующая на токоприемник;

г) ток, протекающий по токоприемнику, до 2000 А;

д) температура контактных пластин полоза токоприемника, от -40 до +600 °С.

68 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(15) 2013

—— =

а б

Рисунок 3 - Базовая модель токоприемника Т(Л)А1-УКС.160

а б

Рисунок 4 - Внешний вид универсального измерительного токоприемника

УИТ имеет блочно-модульную конструкцию, выполненную с применением легких и прочных материалов повышенной коррозионной стойкости. Все быстроизнашивающиеся в процессе проведения экспериментов детали можно легко заменить в деповских или полевых условиях, поднявшись на крышу экспериментального ЭПС.

Конструктивное исполнение входящих в УИТ устройств и систем обеспечивает удобство эксплуатации, возможность ремонта и свободного доступа ко всем элементам, узлам и блокам, требующим регулирования или замены при проведении испытательных поездок.

Основание УИТа (рисунок 5) представляет собой прямоугольник с приваренными к нему кронштейнами 1, изменяющими свое расположение для установки на крыше любого экспериментального подвижного состава, и крепежными планками 2 для присоединения узлов и элементов токоприемника.

УИТ по исполнению схемы системы подвижных рам (СПР) представляет собой асимметричный полупантограф.

№ 3(15) — ИЗВЬС1ИЯ 1 ранссиЬа 69

2013

Конструктивное исполнение СПР полностью определяет такие характеристики измерительного токоприемника, как

- продольная и поперечная жесткость;

- статическая характеристика;

- приведенная масса;

- весовая характеристика;

- аэродинамическая характеристика;

- характеристика опускающей и удерживающей сил;

- частотная характеристика.

Поэтому при разработке УИТа конструкции СПР уделялось особое внимание.

СПР УИТ по сравнению с существующими токоприемниками ЭПС имеет уменьшенную массу, повышенные за счет применения титановых сплавов и углеродных композитов прочность и жесткость и состоит из следующих основных элементов (рисунок 6): верхние и нижние рычаги и штанги 1 - 4, поводок 5, диагональная распорка 6, верхний вал 7 и рог 8.

Рисун°к 5 - Осн°вание унив^ажшго Рисунок 6 - СПР универсального измерительного

измерительн°го тотопржмника: 1 - кр°нштейн; токоприемника: 1,2 - нижний и верхний рычаги;

2 - кретежная планка; 3 - ршишвад шдушка 3, 4 - нижняя и верхняя штанги; 5 - поводок;

6 - диагональная распорка; 7 - верхний вал; 8 - рог

Шарниры СПР УИТа выполнены с использованием современных подшипников качения и скольжения со специальной консистентной смазкой. В случае необходимости трущиеся части узлов токоприемника можно смазывать без разборки через специальные технологические отверстия, закрытые пресс-масленками.

В СПР УИТа верхний рычаг 2 шарнирно сопряжен с нижним рычагом 1 и с нижней штангой 3. Верхняя штанга 4 и поводок 5 обеспечивают постоянный угол поворота верхнего вала 7, на котором закреплены два рога 8, находящихся в вертикальном положении на рабочем диапазоне высот токоприемника. Горизонтальная распорка 6 служит для обеспечения требуемой поперечной жесткости УИТа.

Подбор и настройка параметров УИТа, соответствующих перспективным токоприемникам, осуществляется за счет изменения длины штанг и рычагов, применения специальных настроечных полуколец, телескопических конструкций. При этом изменяются кинематическая схема СПР УИТа, масса его элементов, центры масс и моменты инерции [10].

70 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 3(15) 2013

01325664

Штанги УИТа представляют собой талрепы с шарнирными головками (рисунок 7), при откручивании либо закручивании которых изменяются размеры штанги. При этом достигается регулировка длины нижней штанги в диапазоне 1100 ± 100 мм, а верхней -1800 ± 50 мм. Такие изменения охватывают весь диапазон регулировок существующих перспективных токоприемников ЭПС.

Однако при настройке длины нижней штанги необходимо применение специальной конструкции (рисунок 8), способной изменять точки крепления шарнира нижней штанги к верхнему рычагу.

Рисунок 7 - Резьбовое соединение шарнирной головки со штангой

Рисунок 8 - Конструкция для крепления нижней штанги к верхнему рычагу

Из существующего набора настроечных полуколец можно выбрать пару и, объединив их в кольцо, закрепить любом рычаге или на любой штанге. Таким образом, можно изменять массу элементов СПР УИТа, центры масс и, соответственно, моменты инерции.

Схема крепления настроечных 1 колец представлена на рисунке 9.

Для изменения сил трения в СПР УИТа можно регулировать затяжку болтовых соединений шарниров крепления элементов между собой, тем самым подбирать нужные для испытательных поездок характеристики.

Подъемно-опускающий механизм УИТа (рисунок 1 0) выполнен с использованием резинокордной оболочки, звеньевой передачи и эксцентриков, обеспечивающих постоянство силы нажатия токоприемника на контактный провод в диапазоне рабочих высот.

Резинокордная оболочка 2 (РКО) установлена вертикально (см. рисунок 10). Она шарнирно закреплена своим неподвижным основанием 1 между двумя поддерживающими уголками, приваренными к длинным сторонам рамы УИТа. Подвижное основание 3 РКО посредством звеньевой передачи 4 соединено с эксцентриком 5, расположенным на нижнем рычаге 6. При подаче воздуха в РКО происходит пе-

Рисунок 9 - Крепление настроечных колец

№203(;5) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 71

ремещение подвижного основания, за счет чего усилие через звеньевую передачу и эксцентрик передается на нижний рычаг СПР УИТа, обеспечивая его подъем. Для опускания УИТа полость РКО сообщается с атмосферой, давление в ней снижается, и токоприемник опускается под действием собственной силы тяжести.

Набором аэродинамических крыльев, устанавливаемых на каретки токоприемника и верхний шарнир, можно добиться требуемой аэродинамической характеристики токоприемника, существенно влияющей на динамику взаимодействия токоприемника и контактной подвески при высоких скоростях движения.

В таблице 2 приведены параметры универсального измерительного токоприемника ЭПС.

Рисунок 10 - Подъемно-опускающий механизм: : 1 -

резинокордная оболочка; 2, 3 - неподвижное и подвижное основания; 4 - звеньевая передача; 5 - эксцентрик; 6 - нижний рычаг

Таблица 2 - Параметры универсального измерительного токоприемника

Наименование показателя Значение показателя

постоянный ток переменный ток

Нажатие:

наименьшее активное, Н, не менее 90 70

наибольшее пассивное, Н, не более 130 110

Разница между наибольшим и наименьшим нажатиями при односто-

роннем движении токоприемника, Н, не более 10 10

Двойная величина трения в шарнирах, приведенная к контактной по-

верхности полозов, Н, не более 15 10

Опускающее усилие, Н, не менее 200 120

Удерживающее усилие, Н, не менее 200 120

Время подъема, с, не более 10 10

Время опускания, с, не более 6 6

Поперечная жесткость, Н/мм, не менее 17 17

Продольная жесткость, Н/мм, не менее 12 12

Приведенная масса, кг, не более 39 33

В 2011 - 2012 гг. УИТ прошел испытания на Западно-Сибирской железной дороге в составе измерительного оборудования вагона-лаборатории контактной сети. При экспериментальных поездках моделировался токоприемник AX 023 BU LT фирмы Faiveley Transport.

На рисунке 11 изображен УИТ, установленный на крыше вагона-лаборатории контактной сети ВИКС ЦЭ.

В 2013 г. на Октябрьской железной дороге с помощью токоприемника фирмы Faiveley, оборудованного измерительным полозом, раз-работанны в ОмГУПСе, проводился цикл испытательных поездок по определению качества токосъема.

В таблице 3 представлено сравнение ре-

Рисунок 11 - УИТ в составе измерительной системы вагона-лаборатории контактной сети ВИКС ЦЭ

72 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 3(15) 2013

зультатов экспериментальных поездок, полученных с помощью УИТа и оригинального токоприемника AX фирмы Faiveley Transport на участке длиной 6 км.

Таблица 3 - Сравнение результатов испытательных поездок с использованием универсального измерительного и оригинального токоприемников

V, км/ч P 1 кт max? H P H 1 кт mm? i i Pm, H сРкт, Н Py, H

AX Faiveley УИТ AX Faiveley УИТ AX Faiveley УИТ AX Faiveley УИТ AX Faiveley УИТ

100 118 117 75 78 96,5 97,5 21,5 19,5 15 16

120 129 131 68 70 98,5 100,5 30,5 30,5 19 21

140 144 142 60 64 102 103 42 39 24 25

160 192 197 52 51 122 124 70 73 31 33

Таким образом, с помощью УИТа можно получать точные и достоверные данные о качестве токосъема на электрифицированных железных дорогах. Кроме того, при использовании УИТа снижаются как финансовые, так и временные затраты на подготовку и проведение испытательных поездок.

Список литературы

1. Павлов, В. М. Совершенствование токоприемников электроподвижного состава [Текст] / В. М. Павлов, В. Н. Финиченко // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - С. 32 - 38.

2. Смердин, А. Н. Совершенствование методики исследования волновых процессов в контактной подвеске на основе конечно-элементной модели [Текст] / А. Н. Смердин,

A. С. Голубков, В. А. Жданов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2011. - С. 30 - 36.

3. Перспективные методы исследования и оценки параметров систем токосъема при проведении линейных испытаний / В. М. Павлов, А. Н. Смердин и др. // Вестник ВНИИЖТа. -2008. - № 6. - С. 40 - 45.

4. Сидоров, О. А. Методика оценки функциональной готовности системы токосъема скоростных участков магистральных железных дорог [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин,

B. А. Жданов // Вестник ВНИИЖТа .-2012. - № 1. - С. 27 - 32.

5. Poetsch, G. Pantograph/catenary dynamics and control / G. Poetsch, J. Evans et al. // Vehicle System Dynamics. - 1997. - Vol. 28. - P. 159 - 195.

6. ГОСТ Р 54334-211. Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия. - М.: Стандартинформ, 2011. - 17 с.

7. Сидоров, О. А. Особенности проектирования измерительного токоприемника для скоростных систем токосъема [Текст] / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, М. В. Емельянов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: Материалы второй межвуз. науч.-практ. конф. / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск, 2011. - С. 271, 272.

8. Использование измерительных полозов для определения параметров токосъема в ходе линейных испытаний ЭВС «Сапсан» / В. М. Павлов, А. Н. Смердин и др. // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении: Сб. науч. тр. М.: Интекст, 2010. - С. 109 - 117.

9. BS EN 50206-1:1999. Railway applications - Rolling stock - Pantographs: characteristics and tests. Pantographs for main line vehicles. - European Standard, CELENEC, 1999.

10. Мещеряков, В. А. Методика моделирования динамики токоприемника электроподвижного состава как механической системы [Текст] / В. А. Мещеряков, Р. А. Чертов // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта: Сб. науч. ст. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - С. 221 - 226.

№ 3(15) ЛЛ А О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 73

=2013