CC BY
74
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ
УДК 629.423.33:621.336.2
Ю. Л. БОЛЬШАКОВ1*, А. В. АНТОНОВ2
'"ТОВ «Глорш», пр. Ленша, 108-а, Запор1жжя, Украша, 69004, тел. + 38 (0612) 34 80 45, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1513-2992
2Каф. «Електропостачання зал1зниць», Дншропетровський нацюнальний утверситет затзничного транспорту 1мет академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 25, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-5701-6087
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТРУМОЗН1МАЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТ1В ТА IX ВПЛИВУ НА ЕФЕКТИВН1СТЬ РОБОТИ ТРИБОСИСТЕМИ «КОНТАКТНИЙ ПРОВ1Д - ВУГ1ЛЬНА ВСТАВКА»
Мета. Наукова робота присвячена детал1зованому анал1зу взаемозв'язк1в у точщ контакту пари тертя «контактний проввд - струмозшмальна вставкам». В робот необхвдно: 1) дослвдити як1сть виготовлення нату-рних зразшв струмозшмальних елеменпв р1зних виробнишв; 2) звузити д1апазон твердосл для вугшьних вставок; 3) розробити методику сортування вугшьних струмозшмальних вставок за структурним параметром. Методика. Проведена робота грунтуеться на використанн положень теори надшносп технчних систем та електромехатчних процеав. Результати. У робот дослвджен взаемозв'язки в точщ контакту пари тертя «контактний проввд - струмозшмальна вставкам», встановлений зв'язок м1ж твердютю та питомим еле-ктричним опором. Запропоновано звузити д1апазон твердосл вугшьних вставок. Розроблена методика сортування вугшьних струмозшмальних вставок за твердютю, а в ход1 дослвджень встановлена неввдповвдшсть струмозшмальних вставок юнуючим нормативним вимогам. Запропоновано ешшрувати полози струмоп-риймач1в струмозшмальними елементами за спещальною схемою та розробити спещал1зований дослвдниць-кий комплекс, на якому можна буде проводити дослвдження взаемодп пари тертя «контактний проввд -струмозшмальна вставка». Наукова новизна. В ход1 проведеного дослвдження струмозшмальних вставок встановлена р1зка структурна неоднорвдшсть матер1алу та коливання щщъносп вставки по довжиш. Встановлена залежшсть м1ж твердютю вставок та питомим електричним опором. Проведений анал1з та зроблений висновок про необхвдшсть зниження нормального штервалу значень показника твердосл. Базуючись на результатах проведених дослвджень, отриман експериментальн залежносл та запропонована методика для сортування вугшьних струмозшмальних вставок за структурним параметром. Практична значимкть. Отримаш результати дослвджень вугшьних струмозшмальних вставок визначають необхвдшсть використан-ня методики для сортування вугшьних струмозшмальних вставок та використання спещально! схеми при ешшровщ полозу струмоприймача. Це дозволить оптим1зувати !х роботу, знаючи обмеження для меж екс-плуатаци та вигляд щльово! функцп, яко! необхвдно досягти. Запропоноваш заходи дозволяють зменшити штенсившсть електричного та механ1чного зношування матер1ал1в пари тертя «контактний проввд - вставка струмоприймача». А використання спещал1зованого комплексу для дослвдження пари тертя дозволить проводити науков1 роботи по визначенню штенсивносл зношування контактних поверхонь пари тертя та кое-фщента тертя при р1зних зовшшшх факторах.
Ключовi слова: струмозшмальш елементи; графгт; твердють; питомий електричний ошр; зносостшшсть; ресурс; полоз струмоприймача
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Вступ
Процес передачi електрично! потужност повинен вiдбуватись при наявносп постiйного механiчного та електричного контакту, тобто безперервно i з високою надiйнiстю. В той же час, зношування контактного проводу та стру-мознiмальних вставок повинне бути мшмаль-ним. Робота по передачi через ковзний контакт електрично! енерги супроводжусться нагрiвом зони контакту, викликаного протшанням струму та тертям. Це призводить до мехашчного та електричного зношування проводу i вугiльних вставок. Обернено пропорцшна залежнiсть мiж двома видами зносу дозволяе характеризувати мiнiмiзацiю зносу як одну з найбшьш важких та в той же час актуальних технiчних проблем.
Сила притиснення значною мiрою залежить вщ швидкостi руху електрорухомого складу, а величина контактно! плями мiж взаемодда-чими поверхнями пари тертя — вщ сили притиснення. Оскшьки iдеально гладких поверхонь не юнуе, контакт мiж контактним проводом та струмозшмальною вставкою реалiзуеться через так зваш контактнi мiстки [1, 8], в результат чого з'являеться контактний ошр, який, як в> домо, залежить вщ температури в контакта В результатi протiкання великих значень струму через точку контакту з'являеться електрична складова зносу [9] ^ як наслiдок, контактнi мю-тки оплавляються, матерiал контактних прово-дiв знемiцнюеться, а матерiал вугшьних вставок вигорае.
Для розв'язання питання мiнiмiзацi!' зносу необхiдно виконати деталiзований аналiз про-цесiв, якi протiкають в точщ контакту мiж контактним проводом та струмозшмальною вставкою.
Мета
Метою ще! роботи е деталiзований аналiз взаемозв'язкiв в точцi контакту пари тертя «контактний провщ - струмозшмальна вставка». В робот необхiдно дослiдити якiсть виготов-лення натурних зразюв струмознiмальних еле-меипв рiзних виробникiв, звузити дiапазон твердосп для вугiльних вставок, розробити методику сортування вугiльних струмознiмальних вставок за структурним параметром.
Методика
Твердiсть - один iз найважливiший показ-никiв для вшх виробiв, якi е елементами пари тертя, в тому чи^ i для вугiльних вставок. Во-на вирiшальним чином впливае на !х стiйкiсть стосовно механiчного зношування. Твердють вугiльно-графiтових матерiалiв визначаеться рецептурою та технолопею виготовлення, тiсно пов'язана з провщниковими властивостями, якi для вугшьних вставок також мають першочер-гове значення [3, 12, 15]. Отже, якщо з тих чи шших причин небажано вводити в склад вставок метал, то зменшення питомого електрично-го опору досягаеться за рахунок певно! втрати !х твердостi [10].
Поеднання високо! твердостi, мiцностi та низького питомого електричного опору забез-печуе висок експлуатацiйнi показники вставок при зшманш великих значень струму, однак необхщно при цьому розглядати дугостшюсть матерiалу. Електромеханiчнi показники вугшьних вставок вщображеш у вщповщнш норма-тивнiй документацi! [7].
В робот [5] зроблено висновок на шдст^ тривалих експлуатацiйних дослщжень, що унi-версальна вуглецева вставка повинна поеднува-ти в собi високi фiзико-механiчнi характеристики вставок типу «А» та дугостшюсть, щшьнють, питомий електричний опiр вставок типу «Б».
На пiдставi дослiджень, виконаних в [10], встановлено, що юкршня збшьшуеться зi зб> льшенням величини струму, який знiмаеться. Поява цього явища не пов'язана з вщривами полозу вiд проводу, воно пояснюеться тим, що потужнiсть втрат, яка видшяеться в контактнiй точцi, при великих струмах може перевищити допустиму потужнiсть розсiювання контактного мютка для цього струмознiмального матер> алу [8, 13]. При цьому контактний мюток руй-нуеться, а його матерiал виноситься - цей процес проявляеться у виглядi юкршня.
Вставки на графгговш основi, порiвняно з вугiльними, мають пiдвищену дугостшкють за рахунок меншо! твердостi та меншого питомо-го електричного опору матерiалу, а також б> льшо! стiйкостi графiту до окиснення порiвняно з його аморфним рiзновидом - вугшлям [5, 9]. Однак, вставки на граф^овш основi мають на-стiльки низьку механiчну мiцнiсть та зносо-стiйкiсть, що на европейських та американсь-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
ких затзницях вони не використовуються i в перспектив1 не розглядаються.
Одшею з причин рiзкого скорочення терм> ну експлуатацiï вугшьних вставок е нерiвномi-рне розподшення твердостi по ïx довжинi, це свщчить про рiзку структурну неоднорщшсть матерiалу готового виробу та коливання щшь-ностi вставки по довжиш. При значних струмо-
вих навантаженнях густота струму в точцi контакту с^мко зростае i, як сказано вище, рiзко збiльшуеться електрична складова зносу. Результатом тако'' взаемодiï е пiдпали, появи каверн та кратерiв, якi в подальшому перетворю-ються в пропили та рiзко погiршують якiсть струмозшмання i можуть призвести до обриву контактного проводу рис. 1 [14, 19, 20].
Рис. 1. Характерш пошкодження струмозшмальних вставок:
а, б - сколи на набггаючш частит вставок першого ряду; в, г - тдпали та результати електродугового впливу на вставки третього ряду
Fig. 1. Typical damages of current collector inserts:
a, b - chips on oncoming part of the first row inserts; с, d - the results of burning and electric influence on the third row inserts
Як видно з рис. 1, на набнаючш частит вставок першого ряду, за рухом локомотива, трирядного та дворядного полозу помгтш сколи, а вставки останнього ряду мають характерш пошкодження вщ електричного зносу.
Вщомо, що на ковзний контакт впливають таю зовшшш фактори: сила натиску, швидюсть руху, тривалють ¡мпульшв змши сили натиску та температура. Сила натиску в контакп, разом з частотою вщрив1в е основними факторами при оцшщ взаемодп контактно! шдвюки з1 струмоприймачем. Кр1м конструкцн шдвюки та струмоприймача, на силу натиску значно впли-вають також швидкють руху [14], ф1зичн та х1м1чн1 процеси, що протшають в ковзному контакт!. Прослщкувати характер взаемозв'язку електрично! та мехашчно! складово! зносу мо-жна з рис. 2.
Рис. 2. Взаемозв'язки в точщ контакту пари тертя «контактний провщ - струмознiмальна вставка»
Fig. 2. The relationship in the contact point of friction pair «contact wire - current collector insert»
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
В результат на^ву зони контакту, перш за все, тдвищуеться температура контактно! пля-ми, яка е важливим параметром, що визначае фiзичнi та хiмiчнi процеси, якi протiкають в ковзному контакт. Контактна пляма — основ-ний елемент тд час розгляду взаемоди контактного проводу зi струмоприймачем. I! структура визначаеться фiзичними та хiмiчними влас-тивостями матерiалiв контактно! пари «контак-тний провщ - струмознiмальна вставка» [8, 16, 18]. До цих властивостей вщносять загальнi характеристики контакту, такi як об'ем, щшь-нiсть та склад контактуючих елементв. Повер-хнi, яю знаходяться в контактi, характеризують розмiрами та геометрiею, а також класом чис-тоти обробки, крiм того, враховують мехашчш характеристики контактуючих елементв.
Про важливють тако! характеристики фiзи-ко-механiчних властивостей гетерогенних структур, до яких вщносять i вугiльнi матерiа-ли, як показник твердостi, написано достатньо [1, 13]. Загальноприйнятим та широкорозпов-сюдженим для виробiв з вугшьних матерiалiв е визначення (вимiрювання) твердостi методом вдавлювання кульки за методом Бршелля [6], видозмiненим методом Роквелла та методом Шора. Вищевказаними методами користуються ус ведучi свiтовi виробники. Наприклад, в СРСР дiяв ГОСТ 14692-78, в якому твердють вставок для електрорухомого складу вимiрюва-лась видозмiненим методом Роквелла (ИЯе 10/150). Цей метод практично без змш викори-стовуеться у вшх дiючих ТУ кра!н СНД. Однак, багаторiчний досвiд використання вугiльних вставок Новочеркаського електродного заводу показав, що нормований iнтервал значень твер-достi в межах 64 - 93 ИЯе е невиправдано широким. Максимальне значення перевищуе мш-мальне в 1,45 разiв. Такий значний штервал розкиду +/- 14,5 одиниць вщ середнього значення 78,5 ИЯе призводить до:
— поставка партш вставок суттево може вiдрiзнятися одна вiд одно! (на 30-45 %);
— в межах одше! парт! можлива наявнiсть вставок з мшмальними та максимальними зна-ченнями твердостi;
— сама вставка, по довжиш, може мати р> зну твердiсть, оскiльки вимiрювання викону-ють в п'яти точках, з вщхиленням вiд середнього значення +/- 45 %. Наприклад, вимiрювання
дае результати: 57, 64, 75, 90, 93. Середне значення 76, що вщповщае нормативному показ-нику, проте рiзниця мiж мiнiмальним та макси-мальним значенням складае 63 %;
— в процес екiпiрування полозу струмоп-риймача 8 чи 11 вставок можуть бути встанов-леш з рiзною твердiстю;
— нестабшьнють мiцнiсних властивостей вставок вщ партi! до партi!, а також в межах одше! парти, при експлуатацп зумовлюе пiд-вищення !х витрат та за несприятливих погод-них умов збшьшуеться кiлькiсть пропилiв, ско-лiв та iнше;
— дослiдним шляхом встановлено, що при аналiзi зношених вставок, вставки з твердютю 85 ИЯе та вище рiзко збшьшують вiрогiднiсть появи на !х робочш поверхнi слiдiв мiдi з контактного проводу (рис. 3).
Рис. 3 Слщи мiдi на струмозшмальнш частинi вставок
Fig. 3. Traces of copper on the current collector part of the inserts
Таким чином, вставки з такою твердютю здирають полпуру з проводу, тобто захисш вто-ринш структури. А це те, заради чого вставки з вугiльного матерiалу використовуються як ко-взнi контактш елементи на електротранспортi. Крiм того, вставки з шдвищеною твердiстю ма-ють високий коефiцieнт тертя з випливаючими звiдси наслiдками. Наведений аналiз та дослiднi данi дозволяють зробити висновок про необхщ-нiсть зниження нормального iнтервалу значень показника твердост. Стосовно до вказаного методу HRc 10/150 можна досить обгрунтовано для вугiльних вставок типу «А» запропонувати iн-тервал 65-85 HRc, тобто 74,5 +/- 10,5.
В робот було виконано дослщження залеж-ност твердостi вiд питомого електричного опору для комплекту вугшьних струмозшмальних вставок типу «А» та «Б» рiзних виробникiв.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
Визначення питомого електричного опору на струмозшмальнш частит вставки виконано вщповщно до [7] на стенд для дiагностування вугiльних вставок, при струмi 30 А, твердють струмознiмально! частини вставки визначалась у 8 точках по !! довжиш вiдповiдно до [6].
На рис. 4 та 5 наведет результата досл> дження твердост струмознiмально! частини комплекту вставок типу А та Б вщповщно.
ДВ Одиниш Бршеля
^__
1 2 3 4 5 6 7 g
Номер точки
Рис. 4. Розподш твердосп струмозшмально! частини вупльних вставок типу А по 11 довжиш
Fig. 4. Distribution of hardness of current collector inserts, type A in its length
PJ3 Одиниш Бр1неля
Номер точки
Рис. 5. Розподш твердосп струмозшмально! частини вупльних вставок типу Б по 11 довжиш
Fig. 5. Distribution of hardness of current collector inserts, type B in its length
Як видно з отриманих результатв досл> джень, бшьша частина дослщжених вставок типу «А» не вщповщае за показником твердост нормативним документам для вставок такого типу (за умови HB 10/250/30, максимальне число твердосп становить 50 одиниць за шкалою Бршелля). Використання таких ковзних контак-тiв в експлуатаци призведе до рiзкого збшь-шення мехашчно! та електрично1 складово1
зносу контактного проводу та вугiльних вставок i, як результат, до марнотратного використання ресурсу струмозшмальних вставок.
Результати дослщжень вставок типу «Б» по-казують занижен мiцнiснi характеристики, це позитивно впливае на зносостшюсть контактного проводу, свщчить про електродугову стш-юсть матерiалу, але i водночас про рiзке скоро-чення пробiгу полозiв, обладнаних такими струмознiмальними елементами.
При подальшому дослiдженнi були додат-ково визначеш значення твердостi та питомого електричного опору для шших зразюв вставок, побудованi експериментальнi залежностi мiж цими величинами (рис. 6, 7).
НВ Однннш Бриеля
• у = 66,4 71я(х) - 171,06
#
•
•
25 2 6 27 28 29 3 0 31 32 33 34 35 36 37
р. МКОМ'М
Рис. 6. Експериментальна залежшсть HB ввд ПЕО вупльних струмозшмальних вставок типу «А»
Fig. 6. Experimental dependence HB from PEO of coal current collector inserts type «A»
jjg Одиншд Бршеля
*
•
* У= 10t2081n(X> - 13,911
•
10 15 20 25 30 35 40 45 50
p, мкО.ч м
Рис. 7. Експериментальна залежшсть HB ввд ПЕО вупльних струмозшмальних вставок типу «Б»
Fig. 7. Experimental dependence HB from PEO of coal current collector inserts type «Б»
В ходi виконано! роботи з дослщження вупльних струмозшмальних вставок був встанов-лений зв'язок мiж 1х твердютю та питомим еле-ктричним опором, на пiдставi чого запропоно-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
вана методика сортування вставок за твердютю. Блок-схему методики наведено нижче (рис. 8).
Рис. 8. Методика сортування вупльних вставок за твердютю
Fig. 8. Method of coal inserts sorting by hardness
Використання методики сортування вугшьних струмозшмальних вставок за твердютю та застосування спещально! схеми для !х розм> щення на полозi струмоприймача не може ви-ршити питання економiчностi та ресурсозбе-реження при робот вугшьних вставок, якють виготовлення яких далеко не завжди вщповщае техшчнш документаци виробника i, вщповщно, iснуючим нормам [6]. Водночас використання запропоновано! методики може ошташзувати роботу вугшьних струмозшмальних вставок, оскшьки вiдомi обмеження для меж !х експлуа-тацi! та вид цiльово! функцй якого необхiдно досягти.
Наукова новизна та практична значимкть
Отриманi результати дослщжень вугiльних струмознiмальних вставок визначають необхщ-нiсть використання методики для сортування вугшьних струмозшмальних вставок та використання спещально! схеми при екшровщ полозу струмоприймача. Це дозволить ошташзу-вати !х роботу, знаючи обмеження для меж екс-плуатацй та вигляд цшьово! функцй, яко! необ-хiдно досягти. Запропонованi заходи дозво-ляють зменшити штенсивнють електричного та механiчного зношування матерiалiв пари тертя «контактний провщ - вставка струмоприймача». А використання спецiалiзованого комплек-
су для дослщження пари тертя дозволить проводите науков! роботи по визначенню штенси-вност! зношування контактних поверхонь пари тертя та коефщента тертя при р!зних зовн!шн!х факторах.
Висновки
1. Р!зка структурна неоднор!дн!сть матер! -алу струмозн!мальних вставок та коливання щшьносп вставки по довжин!, при значних струмових навантаженнях у точц! контакту м!ж контактним проводом та вугшьною вставкою, викликае р!зке зб!льшення електрично! складово! зносу (вигорае матер!ал вставок, з'яв-ляються п!дпали, каверни, кратери !, як результат, пропили), результат ди яко! може призвес-ти до появи аваршних ситуацш та зупинки руху по!'зд1в.
2. Вщсутнють едино! методики для пере-в1рки якосп виготовлення струмозшмальних елеменпв, широк! меж! розкиду !х параметр!в по твердост! та питомому електричному опору, недобросов!сне ставлення виробниюв до якост! свое! продукц!! унеможливлюе рац!ональне використання струмозн!мальних елеменпв в екс-плуатац!!.
3. Вщповщно до отриманих результат!в досл!джень пропонуеться вуг!льн! струмозш-мальн! вставки под!ляти за значенням твердост! на групи та розташовувати на полоз! струмоприймача за спещальною схемою.
4. Для уточнення та шдтвердження запропоновано! методики дослщження характеристик контактних пар тертя пристро!в струмозшмання та !х пор!вняльно! оцшки необх!дно розробити спец!ал!зований стенд, на якому можна було б виконувати комплексш досл!дження роботи контактно! пари «контактний провщ -струмозшмальна вставка».
5. Струмозшмальш елементи, як! викорис-товують для електрифшованих зал!зниць, бшь-шою м!рою не вщповщають техшко-екс-плуатац!йним вимогам, що висуваються до вставок для забезпечення надшност та довго-в!чност! системи «контактний провщ - струмозшмальна вставка». В ход! виконано! роботи був встановлений зв'язок м!ж !х твердютю та питомим електричним опором. На шдстав! отриманих результапв дослщжень ! виконаного анал!зу пропонуеться в нормативнш докумен-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
тацп змшити дiапазон числових значень твер-
дост вугшьних струмознiмальних вставок.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Берент, В. Я. Материалы и свойства электрических контактов в устройствах железнодорожного транспорта / В. Я. Берент. - Москва : Ин-текст, 2005. - 408 с.
2. Большаков, Ю. Л. Д1агностування вупльних струмозшмальних вставок в умовах експлуатаци / Ю. Л. Большаков, А. В. Антонов // Електрифжащя транспорту. - 2015. - № 9. -С. 15-22.
3. Большаков, Ю. Л. Перспективные направления создания современных углеродных материалов для вставок токоприемников электротранспорта / Ю. Л. Большаков, И. С. Гершман, В. Г. Сы-ченко // Електрифшащя транспорту. - 2013. -№ 5. - С. 19-23.
4. Большаков, Ю. Л. Шдвищення ресурсу вупльних струмозшмальних вставок струмоприй-мач1в швидшсного електрорухомого складу в умовах експлуатаци / Ю. Л. Большаков, А. В. Антонов // Наука та прогрес транспорту. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. транспорту. - 2015. - № 4 (58). - С. 57-70. 10.158.02/STP2015/49321.
5. Вологин, В. А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. - Москва : Интекст, 2006. - 256 с.
6. ГОСТ 9012-5-2007. Металлы. Методы измерения твердости по Бринеллю. - Москва : Стан-дартинформ, 2007. - 39 с.
7. ГОСТ 32680-2014. Токосъемные элементы контактные токоприемников электроподвижного состава. - Москва : Стандартинформ, 2015. - 14 с.
8. Колесов, С. Н. Материалы и взаимодействие контактной подвески и токоприемника / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. - Днепропетровск : ДНУЖТ, 2006. - 284 с.
9. Купцов, Ю. Е. Беседы о токосъеме и его надежности, экономичности и о путях совершенствования / Ю. Е. Купцов. - Москва : МодернА, 2001. - 256 с.
10. Купцов, Ю. Е. Применение угольных вставок на токоприемниках электроподвижного соста-
ва / Ю. Е. Купцов // Труды ЦНИИ МПС. - Москва : Транспорт, 1968. - Вып. 337. - С. 4-25.
11. Ли, В. Н. Определение качества изготовления угольных вставок токоприемников / В. Н. Ли,
E. В. Матыцын // Електриф1кац1я транспорту. -2012. - № 3. - С. 71-73.
12. Токосъемные вставки для токоприемников железнодорожного транспорта / И. С. Гершман, Н. В. Миронос, М. А. Мельник, Е. И. Гершман // Вестн. ВНИИЖТа. - 2012. - № 4. -С. 3-10.
13. Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм.
- Москва : Изд-во иностр. лит., 1961. - 464 с.
14. Яндович, В. Н. Сравнительный анализ контактных подвесок в странах Евросоюза и Украины: организация надежного токосъема /
B. Н. Яндович, В. Г. Сыченко, А. В. Антонов // Електрифжащя транспорту. - 2014. - № 7. -
C. 67-77.
15. Auditeau, G. Carbon of high destiny for current collection / G. Auditeau // Revue Generale des Chemins de Fer. - 2010. - № 200. - P. 9-19.
16. Auditeau, G. Wearout current collection contact / G. Auditeau // Elektrische Bahnen. - 2013. - № 3.
- P. 186-194.
17. Biesenack, H. Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste-Ausgangspunkte zur Bestimmung des elektrischen Verschleißes / H. Biesenack,
F. Pintscher // Elektrische Bahnen. - 2005. - № 3.
- P. 138-146.
18. Kubo, S. Wear Properties of Metal/Carbon Composite Pantograph Sliders for Conventional Electric Vehicles / S. Kubo, H. Tsuchiya, J. Ikeuchi // Quorterly Report of RTRI. - 1997. - Vol. 38, № 1. - Р. 25-30.
19. Lee, J. H. Development and Verification of a Dynamic Analysis Model for the Current-Collection Performance of High-Speed Trains Using the Absolute Nodal Coordinate Formulation / J. H. Lee, T. W. Park // Trans. оf the KSME. - 2012. - № 36 (3). - P. 339-346.
20. Zhou, N. Investigation on dynamic performance and parameter optimization design of pantograph and catenary system / N. Zhou, W. Zhang // Finite Elements in Analysis and Design. - 2011. - Vol. 47. - Iss. 3. - P. 288-295. doi: 10.1016/j.finel.-2010.10.008.
Ю. Л. БОЛЬШАКОВ1*, А. В. АНТОНОВ2
'"ООО «Глория», пр. Ленина, 108-а, Запорожье, Украина, 69004, тел. +38 (0612) 34 80 45, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-1513-2992
2Каф. «Электроснабжение железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел. + 38 (056) 373 15 25, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-5701-6087
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТОКОСЪЕМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ТРИБОСИСТЕМЫ «КОНТАКТНЫЙ ПРОВОД - УГОЛЬНАЯ ВСТАВКА»
Цель. Научная работа посвящена детализированному анализу взаимосвязей в точке контакта пары трения «контактный провод - токосъемная вставка». В работе необходимо: 1) исследовать качество изготовления натурных образцов токосъемных элементов разных производителей; 2) сузить диапазон твердости для угольных вставок; 3) разработать методику сортировки угольных токосъемных вставок по структурному параметру. Методика. Проведенная работа основывается на использовании положений теории надежности технических систем и электромеханических процессов. Результаты. В работе исследованы взаимосвязи в точке контакта пары трения «контактный провод - токосъемная вставка», установлена связь между твердостью и удельным электрическим сопротивлением. Предложено сузить диапазон твердости угольных вставок. Разработана методика сортировки угольных токосъемных вставок по твердости, а в ходе исследований установлено несоответствие токосъемных вставок существующим нормативным требованиям. Предложено экипировать полозы токоприемников токосъемными элементами по специальной схеме и разработать специализированный исследовательский комплекс, на котором можно будет проводить исследования взаимодействия пары трения «контактный провод - токосъемная вставка». Научная новизна. В ходе проведенного исследования токосъемных вставок установлена резкая структурная неоднородность материала и колебания плотности вставки по длине. Установлена зависимость между твердостью вставок и удельным электрическим сопротивлением. Проведен анализ и сделан вывод о необходимости снижения нормального интервала значений показателя твердости. Основываясь на результатах проведенных исследований, получены экспериментальные зависимости и предложена методика для сортировки угольных токосъемных вставок по структурному параметру. Практическая значимость. Полученные результаты исследований угольных токосъемных вставок определяют необходимость использования методики для сортировки угольных токосъемных вставок и использования специальной схемы при экипировке полоза токоприемника. Это позволит оптимизировать их работу, зная ограничения для границ эксплуатации и вид целевой функции, которой необходимо достичь. Предложенные меры позволяют уменьшить интенсивность электрического и механического износа материалов пары трения «контактный провод - вставка токоприемника». А использование специализированного комплекса для исследования пары трения позволит проводить научные работы по определению интенсивности износа контактных поверхностей пары трения и коэффициента трения при различных внешних факторах.
Ключевые слова: токосъемные элементы; графит; твердость; удельное электрическое сопротивление; износостойкость; ресурс; полоз токоприемника
YU. L. BOLSHAKOV1*, A. V. ANTONOV2
1*Gloriya LLC, Lenin Av., 108-a, Zaporizhzhia, Ukraine, 69004, tel. + 38 (0612) 34 80 45, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-1513-2992
2Dep. «Power Supply of Railways», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel. + 38 (056) 373 15 25, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-5701-6087
INVESTIGATION OF PROPERTIES OF CURRENT COLLECTOR ELEMENTS AND THEIR EFFECT ON THE PERFORMANCE OF TRIBOSYSTEM «CONTACT WIRE - CURRENT COLLECTOR ELEMENT»
Purpose. The paper is devoted to the detailed analysis of interrelations at the contact point of friction pair «contact wire - current collector insert». In the work it is necessary: 1) to examine quality of manufacturing of specimens of current collector elements from different manufacturers; 2) to narrow the range of hardness for carbon inserts; 3) to develop a technique of sorting carbon current collector inserts for the structural parameters. Methodology. The executed work was based on the use of the theory of reliability of technical systems and electromechanical processes. Findings. The paper studies the interrelation at the contact point of friction pair «contact wire - current col-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
lector insert», the connection was established between the hardness and electrical resistivity. It is proposed to narrow the range of carbon inserts hardness. The method of sorting coal collector inserts in hardness was developed, and the research has revealed the discrepancy of current collector inserts with existing regulations. It was proposed to equip the pantographs slide with current collector elements using special scheme and to develop a specialized research facility, which will be possible to conduct studies of the interaction of the friction pair «contact wire - current collector insert». Originality. In the course of the study the current collector inserts the sharp structural heterogeneity and fluctuations of the density of the material along the length of the insert were established. The dependence between hardness of inserts and electrical resistivity was established. It was analyzed and concluded about the need to reduce the values of the normal range of hardness. Based on the results of the research, the experimental dependences were obtained and proposed the method for sorting carbon current collector inserts for the structural parameters. Practical value. The obtained results of coal current collector inserts define the need to use method for sorting the coal current collector inserts and the use of a special scheme for equipping pantograph slide. It will allow optimizing their work, knowing the limitations for edges in exploitation and the type of the objective function that should be achieved. The proposed measures can reduce the intensity of the electrical and mechanical wear of materials friction pair «contact wire - current collector inserts». The use of specialized research facility for the study of the friction pair, will allow carrying out the studies to determine the intensity of wear of contact surfaces of the pair of friction and the coefficient of friction at various external factors.
Keywords: current collector elements; graphite; hardness; electrical resistivity; wear; resource; pantograph
REFERENSES
1. Berent V.Ya. Materialy i svoystva elektricheskikh kontaktov v ustroystvakh zheleznodorozhnogo transporta [Materials and properties of the electrical contacts in the devices of railway transport]. Moscow, Intekst Publ., 2005. 408 p.
2. Bolshakov Yu.L., Antonov A.V. Diahnostuvannia vuhilnykh strumoznimalnykh vstavok v umovakh eksplua-tatsii [Diagnosing of carbon current collector inserts under operating conditions]. Elektryfikatsiia transportu -Electrification of Transport, 2015, no. 9, pp. 15-22.
3. Bolshakov Yu.L., Gershman I.S., Sychenko V. G. Perspektivnyye napravleniya sozdaniya sovremennykh uglerodnykh materialov dlya vstavok tokopriyemnikov elektrotransporta [Perspective directions of modern carbon materials development for pantograph inserts at e-transport]. Elektryfikatsiia transportu - Electrification of Transport, 2013, no. 5, pp. 19-23.
4. Bolshakov Yu.L., Antonov A.V. Pidvyshchennia resursu vuhilnykh strumoznimalnykh vstavok strumopryima-chiv shvydkisnoho elektrorukhomoho skladu v umovakh ekspluatatsii [Increase the resource of current collection elements of the electrified high-speed transport in operating conditions]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2015, no. 4 (58), pp. 57-70.
5. Vologin V.A. Vzaimodeystviye tokopriyemnikov i kontaktnoy seti [Interaction of pantographs and contact network]. Moscow, Intekst Publ., 2006. 256 p. doi: 10.158.02/STP2015/49321.
6. GOST 9012-59 - 2007. Metally. Metody izmereniya tverdosti po Brinellyu [State Standard. Metals. Methods of Brinell hardness]. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 39 p.
7. GOST 32680 - 2014. Tokosemnyye elementy kontaktnyye tokopriyemnikov elektropodvizhnogo sostava [Current collector contact elements of pantographs in electric rolling stock]. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 14 p.
8. Kolesov S.M. Materialy i vzaimodeystviye kontaktnoy podveski i tokopriyemnika [Materials and interaction of overhead catenary and pantograph]. Dnepropetrovsk, DNUZhT Publ., 2006. 284 p.
9. Kuptsov Yu.Ye. Besedy o tokoseme i yego nadezhnosti, ekonomichnosti i o putyakh sovershenstvovaniya [Discussions about current collector and its reliability, efficiency, and ways of improving]. Moscow, Modern-A Publ., 2001. 256 p.
10. Kuptsov Yu.Ye. Primeneniye ugolnykh vstavok na tokopriyemnikakh elektropodvizhnogo sostava [Coal inserts application on the pantographs of electric rolling stock]. Trudy Tsentralnogo nauchno-issledovatelskogo instituta Ministerstva putey soobshcheniya [Proc. of Central Research Institute of Traffic Ministry]. Moscow, Transport Publ., 1968, issue 337, pp. 4-25.
11. Li V.N., Matytsyn Ye.V. Opredeleniye kachestva izgotovleniya ugolnykh vstavok tokopriyemnikov [Quality determination of coal inserts manufacturing of pantographs]. Elektryfikatsiia transportu - Electrification of Transport, 2012, no. 3, pp. 71-73.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 6 (60)
12. Gershman I.S., Mironos N.V., Melnik M.A., Gershman Ye.I. Tokosemnyye vstavki dlya tokopriyemnikov zheleznodorozhnogo transporta [Current collector inserts for pantographs of railway transport]. Vestnik Vse-rossiyskogo nauchno-issledovatelskogo instituta zheleznodorozhnogo transporta [Proc. of All-Russian Scientific Research Institute of Railway Transport], 2012, no. 4, pp. 3-10.
13. Kholm R. Elektricheskiye kontakty [Electrical contacts]. Moscow, Izdatelstvo inostrannoy literatury Publ., 1961. 464 p.
14. Yandovich V.N., Sychenko V.G., Antonov A.V. Sravnitelnyy analiz kontaktnykh podvesok v stranakh Yevro-soyuza i Ukrainy: organizatsiya nadezhnogo tokosema [Comparative analysis of overhead catenary in the European Union and Ukraine: organization of reliable current collection]. Elektryfikatsiia transportu - Electrification of Transport, 2014, no. 7, pp. 67-77.
15. Auditeau G. Carbon of high destiny for current collection. Revue Generale des Chemins de Fer, 2010, no. 200, pp. 9-19.
16. Auditeau G. Wearout current collection contact. Elektrische Bahnen, 2013, no. 3, pp. 186-194.
17. Biesenack H., Pintscher F. Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste-Ausgangspunkte zur Bestimmung des elektrischen Verschleißes. Elektrische Bahnen, 2005, no. 3, pp. 138-146.
18. Kubo S., Tsuchiya H., Ikeuchi J. Wear Properties of Metal/Carbon Composite Pantograph Sliders for Conventional Electric Vehicles. Quorterly Report of RTRI, 1997, vol. 38, no. 1, pp. 25-30.
19. Lee J.H., Park T.W. Development and Verification of a Dynamic Analysis Model for the Current-Collection Performance of High-Speed Trains Using the Absolute Nodal Coordinate Formulation. Trans. of the KSME, 2012, no. 36 (3), pp. 339-346.
20. Zhou N., Zhang W. Investigation on dynamic performance and parameter optimization design of pantograph and catenary system. Finite Elements in Analysis and Design, 2011, vol. 47, issue 3, pp. 288-295. doi: 10.1016/j.finel.2010.10.008.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. Г. К. Гетьманом (Украта), д.т.н., проф.
М. В. Хворостом (Украта)
Надшшла до редколегп: 16.09.2015
Прийнята до друку: 26.11.2015
