CC BY
13
2. Капустьян, М. Ф.Оптимизация локомотиворемонтного комплекса [Текст] / М. Ф. Ка-пустьян, А. Т. Осяев, С. Г. Шантаренко // Железнодорожный транспорт. - М., 2013. - № 8. -С. 49 - 51.
3. Шантаренко, С. Г. Технологический аудит как инструмент обеспечения эксплуатационной надежности локомотивов [Текст] / С. Г. Шантаренко, М. Ф. Капустьян // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4. - С. 63 - 69.
4. Методические рекомендации по расчету экономической эффективности новой техники и технологии, объектов интеллектуальной собственности и рационализаторских предложений [Текст] / ОАО «РЖД». - М., 2009. - 85 с.
References
1. Jekspluatacionnye ispytanija optimizirovannoj sistemy remonta. Programma i metodika ispytanij, PKB CT.06.0056 (Operational tests optimized system repair. Program and methods of testing PKB TST.06.0056). Moscow, Proektno-konstruktorskoe bjuro lokomotivnogo hozjajstva, 2012, 43 p.
2. Kapust'jan M. F., Osjaev A. T., Shantarenko S. G. Locomotive optimization complex [Opti-mizacija lokomotivoremontnogo kompleksa]. Zheleznodorozhnyj transport - Rail transport, 2013. no.8, pp. 49 - 51.
3. Shantarenko S. G., Kapust'jan M. F. Technology audit as a tool to ensure the operational reliability of locomotives [Tehnologicheskij audit kak instrument obespeche-nija jekspluatacionnoj nadezhnosti lokomotivov]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2011, no. 4. pp. 63 - 69.
4. Metodicheskie rekomendacii po raschetu jekonomicheskoj jeffektivnosti novoj tehniki i tehnologii, obektov intellektual'noj sobstvennosti i racionalizatorskih predlo-zhenij. Rasporjazhenie OAO «RZhD» ot 10.11.2009, № 2288r (Guidelines for calculating cost-effectiveness of the new tech-ki and technology, intellectual property and rationalization proposals. / Order of JSC "Russian Railways" from 10.11.2009 № 2009 2288r), Moscow, 2009.
УДК 621.436-7:62-50
В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК МЕТОДАМИ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Выполнено системное описание сложной технической системы (системы топливоиспользования дизельной установки). Модель представлена в форме конечного графа, позволяющего описать физическую природу процессов на принятом уровне детализации. Определены динамические свойства системы: управляемость, устойчивость, состояние - на основе основных положений теории автоматического управления (ТАУ).
Последовательное и поэлементное описание структуры и функции дизельных систем топливоиспользования (СТИ) транспортных средств, рассматриваемых как сложные технические системы на основе предложенной ранее обобщенной модели [1, 2], позволило установить, что для исследований на выбранном уровне детализации с помощью математического моделирования необходимо обоснованно выбрать вид математической модели системы.
Под понятием «дизельная СТИ» будем понимать сложную (в смысле схемотехники) техническую систему, состоящую из подсистем: собственно дизельный двигатель (линия «цилиндр - поршень»), линий низкого и высокого давления топлива, воздухоснабжения, смазки и охлаждения, отбора мощности, регулирования и управления, т. е. как целенаправленную сложную техническую систему [3].
Установлено [2], что процессы функционирования дизельной СТИ как динамической системы могут быть интерпретированы тремя видами (из числа многих) моделей: непрерывной линейной стационарной детерминированной; непрерывной нелинейной стационарной детерминированной; непрерывной нелинейной стационарной стохастической.
Наиболее полно математический аппарат разработан для первой из названных моделей. Причем эффективным математическим описанием этого вида моделей являются линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами.
Для наглядности и в соответствии с поставленной задачей на данном этапе модель представлена в форме графа, как подграфа обобщенной модели [4]. Эта модель является функционально более общей по сравнению с ранее предложенной, имеет методологическое и теоретическое обоснование [1 - 4].
В графовой модели (рисунок) циклы, определяющие преобразование топлива/0,/\, ... ,/21 и воздуха Ъ0, Ь\, ... , Ъ20, являются главными, существенными для преобразования химической энергии горючего и окислителя в механическую работу. Другие пять циклов - ш\, т2, ... , т13; Ь, 12, ... , Ц; у\,у2, ... ,у4; г\, г2, г3; д\, д2- являются вспомогательными.
В составе предлагаемой модели описание вершин и связей имеет следующее содержание: Ъ0 - состояние атмосферы в районе воздухозабора дизеля; Ъ\ - поступление воздуха в турбокомпрессор; Ъ2 - сжатие воздуха в компрессоре; Ъ3 - поступление воздуха в воздухоохладитель; Ъ4 - поступление воздуха в ресивер; Ъ5 - процесс наполнения воздухом цилиндров; Ъ6 - сжатие рабочего вещества в цилиндре; Ъ7 - теплообмен в цилиндре при сжатии; Ъ8 - процесс расширения; Ъ9 - процесс выпуска газа из цилиндра и его движение по выпускной системе; Ъю - движение газа в сопловом аппарате газовой турбины; Ъц - движение газа через лопатки турбины; Ъ12 - движение газа по газопроводу; Ъ\3 - движение газа через нейтрализатор; Ъ14 - движение газа через утилизационный котел; Ъ15 - процесс теплообмена в турбокомпрессоре; Ъ16 - движение газа по выпускной системе; Ъ\7 - теплообмен газа со стенками канала; Ъ\8 - выход газа в атмосферу; Ъ19 - расширение газа в турбине; Ъ20 - работа газа в турбине; / - состояние топлива в расходной цистерне; / - процесс фильтрации в фильтре грубой очистки; /2 - движение топлива в шестеренном насосе; / - фильтрация топлива в фильтре тонкой очистки; /4 - поступление топлива к ТНВД; / - движение топлива в топливном коллекторе; / - процесс нагнетания топлива в трубопроводе высокого давления; / -подъем иглы в форсунке; / - заполнение топливом предсопловой камеры форсунки; / - истечение топлива через сопловые отверстия; /10 - распыливание топлива в камере сгорания; /п - образование топливного факела; /12 - нагрев капель; /13 - испарение топлива; /14 - диффузия топливных паров; /15 - образование горючей смеси; /16 - предпламенные цепочно-тепловые реакции; /\7 - воспламенение горючей смеси в отдельных зонах камеры сгорания; /18 - распространение пламени по горючей смеси; /19 - диффузионное горение распыленного топлива; /20 - образование конечных продуктов сгорания; /21 - диссоциация продуктов сгорания; т\ - образование механической энергии за счет работы газов в цилиндрах, т2 - в турбине; т3 - передача механической энергии на вал турбокомпрессора; т4 - работа сжатия в турбокомпрессоре; т5 - передача механической энергии на вал газораспределения; т5 - передача механической энергии на вал газораспределения; т6 - затраты работы на привод клапанов газораспределения; т7 - передача энергии на топливоподающую систему; т8 - работа топливоподающей системы; т9 - передача механической энергии на коленчатый вал, т10 -потребителю, тц - насосам системы охлаждения, т12 - насосам системы смазки, т13 - вспомогательным агрегатам; Ь - теплообмен со стенками в цилиндре дизеля; 12 - передача тепла в систему охлаждения, - в масло и затем в окружающую среду, 14 - в детали и затем в окружающую среду, Ц - от турбокомпрессора; у\ - движение привода всасывающих клапанов; у2 - открытие всасывающих клапанов; у3 - движение привода выпускных клапанов; у4 - открытие выпускных клапанов; Т\ - состояние всережимного регулятора; г2 - воздействие на топливную рейку; г3 - отсечка топливоподачи; - тепло, воспринятое от условного горючего источника; д2 - тепло, отданное окружающей среде (холодильному источнику).
Вершинами графовой модели являются входные величины СТИ, характеристики, параметры процесса, вспомогательные и собственные параметры.
Параметры процесса функционирования СТИ - это характеристики подпроцессов, составляющих основной процесс, позволяющие системе выполнить то задание, для которого она разрабатывается. Вспомогательные параметры - это те величины подпроцессов или характеристики вспомогательных процессов, которые не участвуют в реализации главного процесса.
К собственным параметрам относятся физико-химические свойства топлива, геометрические размеры деталей, их вес, масса и т. д.
Характеристики процесса - это те элементы главного подмножества, которые характеризуют основные функции и результаты процесса.
Таким образом, на основе обобщенной модели СТИ ДЭТУ, используя принцип ее декомпозиции, системные критерии выбора и методы математического моделирования, можно методологически и теоретически обосновать вид разрабатываемой модели функционирования и описывать различные функциональные подсистемы СТИ соответствующими моделями [1 - 3] исходя из достигнутых возможностей процесса моделирования. Методологически научной основой моделирования процессов функционирования СТИ является системотехнический подход на базе предложенной обобщенной модели [4].
Учитывая чрезвычайно сложный механизм (взрывное периодическое турбулентное горение) преобразования энергии жидкого углеводородного топлива в механическую работу в цилиндре дизеля, не позволяющего пока точно описать математически эти процессы и управление ими, допустимо для численного моделирования и их интерпретации использование различных подходов, в том числе методов современной теории автоматического управления (ТАУ) и применяемого в ней математического аппарата.
Представляя систему «топливо - дизель - топливная внешняя система» как сложную динамическую, воспользуемся одним из эффективных методов ТАУ - описанием этой системы в пространстве состояний [4 - 8].
Состояние сложной системы можно представить как точку с координатами х1, X2, x3,..., xn в некотором пространстве п измерений (фазовом пространстве).
При его построении добиваются взаимно однозначного и непрерывного соответствия между состояниями системы и точками фазового пространства, т. е. каждому состоянию системы должна соответствовать одна и только одна точка фазового пространства, а каждой точке - одно и только одно состояние системы.
Представляя дизельную СТИ как динамическую систему для ее описания в пространстве состояний, выделим вектор состояний
x = (хЬ X2,..., Xп), (1)
где x1, х2,..., хп - внутренние переменные, совокупность которых полностью характеризует свойства системы и которые являются результатом суммарного воздействия всех других параметров, рассматриваемых ниже.
Такими внутренними переменными состояния дизельной СТИ являются критерии, определяющие экономичность, уровень механических и тепловых нагрузок. Достаточно полный перечень их предложен в работе [6] и составляет: gi - индикаторный расход топлива; Р^ -среднее индикаторное давление; Р2 - максимальное давление горения; (ёР/ёф)тах - максимальная скорость нарастания давления; а - коэффициент избытка воздуха; Тср - средняя температура газов по теплопередаче; а - средний коэффициент теплоотдачи от газа к стенке цилиндра; Тгт - средняя температура газов перед турбиной; Тв - температура в цилиндре в момент открытия выпускного клапана; Ттах - максимальная температура газа в цилиндре; Д(Рв пр - продолжительность высокотемпературного периода.
Обычно число значимых компонентов (факторов) невелико. Если учесть, что большинство систем подчиняется принципу Парето, который состоит в утверждении о том, что с точ-
ки зрения характеристик системы существенны лишь некоторые факторы из всех и что в большинстве систем 20 % факторов определяют 80 % свойств системы, а остальные 80 % определяют лишь 20 % свойств, то для последующего анализа выделим из названных параметров наиболее значимые компоненты: gi(t), Pz(t), Pi(t), a(t), (dP/dç>)max(t), Tmax(t), Tr[(t).
Вектор управляющих параметров
У = (У1, У 2, ■■■, Ут), (2)
гдеy1,y2,...ym - управляющие параметры, на которые можно оказывать прямое воздействие с предъявленными требованиями к системе. К ним можно отнести gn(t) - изменение режима цикловой подачи топлива; GE(t) - изменение режима подачи воздуха; ^^(t) - изменение режима охлаждения дизеля; Q^t) - изменение режима смазки и т. д. Наиболее значимыми здесь будут первые два параметра.
Графовая модель функционирования системы топливоиспользования дизельной энергетической установки
Вектор возмущающих параметров
г = (2Ь 22,..., 2к), (3)
где 21, 22,., 2к - возмущающие параметры, значения которых случайным образом изменяются с течением времени и которые недоступны для непосредственного измерения. К ним относятся изменение скорости преобразования топлива (в смеси с воздухом) в тепло как полезно использованное, так и потерянное; общего тепла топлива Qт(t); полезной работы Qе(t); унесенного с охлаждающей водой Qв(t), с выхлопными газами Qвг(t); неучтенных потерь Qост(t); потерь от неполноты сгорания Qн.с(t); изменение режима суммарных потерь тепла топлива Qс.п(t).
Отметим также, что качественным факторам отвечает дисперсионный анализ, количественным - регрессионный, а смешанным - ковариационный.
Отображая процесс энергопреобразования в дизельной СТИ в форме блочно-иерархической структуры, выделим три существенных блока: преобразование энергии топлива и воздуха в тепло в цилиндре дизеля, преобразование механических нагрузок, преобразование тепловых нагрузок.
Тогда, группируя переменные состояния и учитывая лишь основные существенные зависимости, составим для них упрощенные математические модели, описывающие динамику преобразований в выбранных структурах.
Так, динамика экономичности СТИ будет характеризоваться системой уравнений баланса:
&
йг &
йг
[Е, (г)Р (')] = бе (г) - бсп (г)Р (г) + С (г)р - &ц (г)р (г);
[Е (г) а (г)] = бсп (г) - Е,са (г) + С (г) а0 - & (г) а (г);
(4)
^ = Ец (г)-ап (г),
где соответствующие параметры с нулевыми индексами означают их начальные значения. Динамика изменения механических нагрузок отображается системой уравнений:
й
[& (г) Р2 (г)] = бе (г)- бспо (г) Р. (г) + Оъ (г)Р2, - ^Р2 (г);
йг й_
йг (')
йг
V т У тах
- е.«"йА «^в «Ц) -Ец«(^ «, (5)
V Т у тах 0 \ т у тах
= Ец (г)- бсп (г).
Динамика изменения тепловых нагрузок в СТИ характеризуется системой уравнений: &
йг й
;[Е, (г)Ттах (г)] = б. (г)-бсЛах (г)+Оъ (г)Гтахо -&ц (г)Гтах (г);
йг
[ (г) Т„ (г)] = бе (г)-б^ (г) + Св (г ^ - &ц (г) Т„ (г);
(6)
^ - Ец (г)-бсп (г),
йг
где Гтахо, Тгт0 - начальные значения максимальной температуры газов в цилиндре и перед газовой турбиной.
<
Раскроем смысловое содержание каждого из уравнений систем (4) - (6), учитывая, что параметры этих уравнений являются функциями.
В системах уравнений (4) - (6) первые уравнения будут соответственно: уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и среднего индикаторного давления, уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и максимального давления горения, уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и максимальной температуры газов в цилиндре.
Вторые уравнения систем (4) - (6) будут: уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и воздуха в цилиндре дизеля, уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и максимальной скорости изменения давления в цилиндре, уравнение связи скорости преобразования индикаторного расхода топлива и средней температуры газов перед турбиной. Третье уравнение систем (4) - (6) есть скорость преобразования индикаторного расхода топлива в тепло в цилиндре дизеля при его работе.
Анализ математических моделей (4) - (6) позволяет получить качественные выводы о динамических свойствах: управляемости, наблюдаемости и устойчивости, т. е. рассматривать модели подсистем как обладающие системными свойствами и отражающими процессы в СТИ как в сложной технической системе. Выполнение такого анализа с большой степенью общности возможно с использованием матричного представления систем уравнений, линеаризацией отклонений переменных состояния, управляющих и возмущающих параметров от установившегося состояния, принимая параметры переменными, что делает системы нелинейными.
Известны обширные фундаментальные исследования двигателей внутреннего сгорания как регулируемых объектов, которые можно интерпретировать как подсистемы дизельных СТИ, выполненные Крутовым В. И. [9].
Настоящее исследование допустимо считать более общим подходом, который базируется на предложенной ранее обобщенной модели дизельной СТИ [2, 3].
Рассматривая систему (4) как подсистему СТИ, выполним процедуру линеаризации параметров системы уравнений (4).
Вводя малые отклонения переменных, получим:
Pi(t)=рт + ш; (7)
gi(t) = giO + ш, (8)
a(t) = ао + Ш, (9)
g^t) = g^ + pi(t); (iO)
GB(t) = GBo + MO; (11)
Qe(t) = QeO + Vi(t); (12)
QUt) = Q^o + V2(t). (13)
Таким образом, векторами состояний, управлений и возмущений приняты соответственно
i{t), fi(t), v(t). (14)
В качестве примера анализа рассмотрим систему (4), подставляя в которую формулу (9), после преобразований, выполненных ниже, получим:
£(t) = Ap(t ) + Bfi(t)+ Cv(t), (15)
где A, B, C - матрицы.
Если ввести уравнение переменных состояния в результате их измерения в форме
у^ ) = )+ Ж (*), (16)
где Б - матрица измерений; Ж) - вектор помех при измерениях, то системы (14) и (15) представляют собой динамическую математическую модель процесса преобразования топлива и воздуха в тепло в цилиндре дизеля, учитывающую переменный характер параметров (как функций времени).
Итак, после подстановки формулы (9) в (4) и последующих преобразований получим линеаризованные уравнения состояния:
42 (0^0 (0&О = V! (0"^ (0^1 (0 + ^2 (0^/0-^1 (0^1 (0'
(7) +(7) сс0 -(7) ^ (7);
(0=^1 (0-^(0-
(17)
Проводя замену ) и группируя составляющие уравнений, систему (17) приводим к виду:
&0
42 (0 = ^(0-^(0;
р
р
р.
^ (г) - — * (г) + ^ (г) ■+ —V! (г) - -^ у2 (г);
8,
8,
8, о
8, о
(18)
1
43«=-—* №з« -—* « -—^ «+(0
8 1 о 8 1 о 8,о
Тогда в уравнении (14) с учетом (18) будем иметь матрицы:
^в0 + 8ц0
ап
ап-1
8, о
А =
8,о
о о
о о о
о о
1 + 8цо 8, о
В =
Рк Ро 1 ' Рк 0 0
8г0 8г0 8г0 810
1 0 0 ; с = 0 -1 0
а0 а0 0 а0 - 1 0 0
8г0 810 8 г 0
(19)
Представление модели процесса, описанного системой уравнений (4), в матричной форме позволяет заключить, что процесс управляем (ранг матрицы управляемости равен трем); подсистема асимптотически устойчива (по критерию Гурвица); процесс является стохастическим, так как содержит возмущающие параметры, флуктуирующие под влиянием изменения режима работы дизельной СТИ.
Проверка адекватности подобных моделей предполагает широкую постановку экспериментальных исследований с учетом процессов, имеющих случайную природу.
Такие исследования связаны с определением характеристик нагружения дизеля (выходных параметров) в составе СТИ и их связи со стохастичностью переменных состояния при использовании разных по свойствам видов топлива (входных переменных) и режимными факторами (управляющими переменными), что предполагает решение задачи анализа на основе формирования и реализации вероятностных моделей, например, связи закона подачи топлива и процесса горения. Отдельные результаты в этом направлении имеются, а исследования проводятся.
Другим направлением исследований является изучение возможности оптимального управления дизельной СТИ на основе принципа максимума, когда техническим воплощением результата будет, например, оптимальный регулятор системы по выбранному критерию (по расходу топлива).
<
о
о
<
Таким образом, предложенный подход базируется на самых общих (формальных) представлениях и является системным в отношении взаимосвязей рассматриваемых параметров дизельной СТИ как целенаправленной сложной технической системы.
Список литературы
1. Ведрученко, В. Р. Повышение эффективности топливоиспользования дизельных транспортных средств применением системной методологии исследований [Текст] /
B. Р. Ведрученко // Двигателестроение. - Санкт-Петербург, 1991. - № 1. - С. 47, 48.
2. Ведрученко, В. Р. Методология выбора системной модели функционирования систем топливоиспользования дизельных транспортных средств [Текст] / В. Р. Ведрученко // Совершенствование быстроходных дизелей: Межвуз. сб. науч. тр. / Алтайский политехн. ин-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул, 1991. - С. 110 - 120.
3. Ведрученко, В. Р. Ресурсные модели систем топливоиспользования дизельных транспортных средств [Текст] / В. Р. Ведрученко // Изв. вузов. Машиностроение. - М., 1993. - № 1. -
C. 81 - 85.
4. Ведрученко, В. Р. Топливоиспользование в тепловозных дизелях. Системные методы исследований: Учебное пособие [Текст] / В. Р. Ведрученко / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 1990. - 89 с.
5. Двойрис, Л. И. Математическое моделирование процесса массообмена в системах смазки судовых ДВС в пространстве состояний [Текст] / Л. И. Двойрис // Двигателестроение. -Санкт-Петербург, 1984. - № 6. - С. 25, 26.
6. Липчук, В. А. Неформальный метод поиска оптимального решения рабочего процесса дизеля [Текст] / В. А. Липчук // Двигателестроение. - Санкт-Петербург, 1979. - № 8. - С. 9, 10.
7. Квакернаак, Х. Линейные оптимальные системы управления [Текст] / Х. Квакернаак, Р. Сиван. - М.: Мир, 1977. - 650 с.
8. Деруссо, П. Пространство состояний в теории управления (для инженеров) [Текст] / П. Деруссо, Р. Рой, Ч. Клоуз. - М.: Наука, 1970. - 620 с.
9. Крутов, В. И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания [Текст] / В. И. Крутов. - М.: Машиностроение, 1968. - 535 с.
References
1. Vedruchenko V. R. Improving fuel efficiency of diesel vehicles using a systematic methodology of research [Povyshenie effektivnosti toplivoispol'zovaniia dizel'nykh transportnykh sredstv primeneniem sistemnoi metodologii issledovanii]. Dvigatelestroenie - Engine building, 1991, no. 1, pp. 47, 48.
2. Vedruchenko V. R. Methodology selection system model systems functioning toplivoispol-zovanija diesel vehicles [Metodologiia vybora sistemnoi modeli funktsionirovaniia sistem toplivoispol'zovaniia dizel'nykh transportnykh sredstv]. Improved speed diesel engines -Sovershenstvovanie bystrohodnyh dizelej, 1991, pp. 110 - 120.
3. Vedruchenko V. R. Resource model systems of diesel fuel use of vehicles [Resursnye modeli sistem toplivoispol'zovaniia dizel'nykh transportnykh sredstv]. Proceedings of the universities. Engineering - Izvestija vuzov. Mashinostroenie, 1993, no. 1, pp. 81 - 85.
4. Vedruchenko V. R. Toplivoispol'zovanie v teplovoznykh dizeliakh. Sistemnye metody issledovanii: Uchebnoe posobie (Fuel usage in diesel engines. System research methods). Omsk: Omskii gosudarstvennyi universitet putei soobshcheniia, 1990, 89 p.
5. Dvojris L. I. Mathematical modeling of mass transfer in marine engine lubrication systems in the state space [Matematicheskoe modelirovanie protsessa massoobmena v sistemakh smazki su-dovykh DVS v prostranstve sostoianii]. Engine building - Dvigatelestroenie, 1984, no. 6, pp. 25 - 26.
6. Lipchuk V. A. informal method of finding the optimal solution workflow diesel [Neformal'nyi metod poiska optimal'nogo resheniia rabochego protsessa dizelia]. Engine building -Dvigatelestroenie, 1979, no. 8, pp. 9, 10.
7. Kvakernaak Kh., Sivan R. Lineinye optimal'nye sistemy upravleniia (Linear optimal control systems). Moscow: Mir, 1977, 650 p.
8. Derusso P., Roj R., Klouz Ch. Prostranstvo sostoianii v teorii upravleniia (dlia inzhenerov) (The state space in control theory (for engineers)). Moscow: Nauka, 1970, 620 p.
9. Krutov V. I. Avtomaticheskoe regulirovanie dvigatelei vnutrennego sgoraniia (Automatic control of internal combustion engines). Moscow: Mashinostroenie, 1968, 535 p.
УДК 621.336.2
М. Н. Емельянова
ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ НА ПРОВОДА КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Рассмотрены условия работы проводов контактной сети в части термомеханических нагрузок. Проанализированы результаты испытаний проводов контактной сети с целью определения относительной скорости удлинения провода.
Представлены результаты испытаний контактных проводов и несущих тросов по определению разрывного усилия при различной температуре. Предложены допустимые значения температуры нагрева для медных и бронзовых проводов в условиях эксплуатации и коэффициенты запаса прочности для них.
Провода контактной сети для подвесок различного типа могут нагреваться током до 100 -120 °С, при этом механическая нагрузка составляет от 10 до 21 кН. По существующим нормативам допустимая температура нагрева проводов контактной сети в течение 1 мин должна быть не более 140 °С [1]. Кратковременный или длительный нагрев вызывает также снижение прочности проводов, что приводит к значительному уменьшению коэффициента запаса прочности. В связи с повышением натяжения и увеличением нагрузок на провода контактной сети возникает необходимость исследовать величину усилия, при котором разрушаются провода контактной сети - контактный провод и несущий трос. Несмотря на существенную роль несущего троса в контактной подвеске было проведено очень мало исследований по обоснованию выбора для этого троса термомеханических нагрузок. В труде специалистов компании Siemens [2] термин «несущий трос» упоминается только четыре раза.
В соответствии с требованиями документа [1] коэффициенты запаса прочности проводов контактной сети должны быть не менее: для стальных тросов компенсаторов - 4; для продольных и фиксирующих тросов - 3; для контактных проводов - 2,5; для несущих тросов - 2. Провода и тросы, которые испытывают в процессе эксплуатации только механическую нагрузку, имеют коэффициент запаса 4 или 3, а провода, по которым протекает электрический ток и вызывает их нагрев, имеют коэффициент запаса 2. Контактный провод, который подвергается механической и термической нагрузке и изнашивается в процессе токосъема, имеет коэффициент запаса 2,5. В результате анализа условий работы проводов контактной сети было установлено, что больше всего нагрузок (от подвешенных к тросу проводов контактной сети, от ветра и гололеда) приходится на несущий трос. При тепловых расчетах несущий трос первым достигает предельной температуры и является лимитирующим по токовой нагрузке. В эксплуатации несущий трос подвержен значительным термомеханическим нагрузкам. Количество повреждений несущего троса не снижается и является одной из частых причин нарушения нормальной работы устройств контактной сети.
Были проведены исследования зависимости прочности контактных проводов от нагрузки [3]. Для исследования на полигоне контактной сети ОАО «ВНИИЖТ» был создан стенд по определению низкотемпературной ползучести проводов. При сочетании механической и термической нагрузок в медных и бронзовых проводах определяли значения установившейся скорости их удлинения.
