CC BY
175
УДК 621.332.(076.5)
КОМПЛЕКСНОЕ ВНЕДРЕНИЕ ИННОВАЦИЙ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ
ТРАНСПОРТЕ РОССИИ
Ковалев А.А., Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), кафедра «Электроснабжение транспорта»,
к.т.н., доцент
Несмелов Ф.С., УрГУПС, кафедра «Электроснабжение транспорта», ассистент Микава А.В., УрГУПС, кафедра «Электроснабжение транспорта», аспирант Кардаполов А.А., УрГУПС, кафедра «Электроснабжение транспорта», ассистент Исаков Н.А., УрГУПС, кафедра «Электроснабжение транспорта», аспирант
В статье подчеркивается актуальность создания и развитие высокоскоростных магистралей в России. Предлагаются к использованию новые технологии по способу испытаний зажимов контактной сети на механическую и термическую прочность. Описываются разработки нового узла крепления фиксатора контактного провода, а так же способа крепления консоли к опорной конструкции. Для защиты новых контактных подвесок от гололедообразования приводятся результаты испытаний нового высокотехнологичного покрытия, а для более динамичного развития высокоскоростных магистралей предлагается метод формирования контракта жизненного цикла инфраструктурного комплекса системы токосъема.
Ключевые слова: контактная сеть; фиксатор; дополнительный стержень; консоль; гололед; жизненный цикл; инфраструктурный комплекс; система токосъема.
INTEGRATED IMPLEMENTATION OF INNOVATION ON RUSSIAN RAILWAYS
Kovalev A., Ph.D., docent, Power supply of transport chair, Ural State University of Railway Transport Nesmelov F., assistant, Power supply of transport chair, Ural State University of Railway Transport Mikava A., the post-graduate student. Power supply of transport chair, Ural State University of Railway Transport
Kardapolov A., assistant, Power supply of transport chair, Ural State University of Railway Transport Isakov N., the post-graduate student. Power supply of transport chair, Ural State University of Railway Transport
The article stresses the urgency of creation and development of high-speed railroads in Russia. Authors offer to use new technologies of testing the terminals of a catenary suspension for mechanical and thermal stability. Authors describe the development of a new holder lock of the contact wires. Also authors describe the methods of mounting the cantilever to the pillar. The test results of a new hi-tech coating have been presented to protection new contact wires against ice-covered ground. The method of formation the life-cycle contract of infrastructure complex of current collection has been proposed for the faster development of high-speed railroads.
Keywords: catenary suspension; lock; extra spool pin; cantilever; ice-covered ground; life-cycle; infrastructure complex; current collection.
ОАО «РЖД» находится в стадии осуществления структурной реформы, которая затрагивает все уровни управления и все сферы деятельности компании. Выделяются дочерние компании, изменяется система управления с учетом требований рынка транспортных услуг с одновременным обеспечением единства управления и безопасности функционирования ОАО «РЖД». Такие масштабные изменения ведущей и крупнейшей железнодорожной компании не имеют аналогов не только в отечественной, но и мировой практике и затрагивают всю систему базисных принципов как железнодорожного транспорта, так и всего транспортного комплекса России, начиная с определения целей, задач и стратегии функционирования в современных условиях и завершая построением адекватной эффективной системы управления компанией. Решается не только серьезнейшая практическая, но и уникальная научно-техническая проблема реинжиниринга и синтеза архитектуры самой компании, адекватной современным геополитическим и макроэкономическим условиям мирового рынка транспортных услуг.
Цель ОАО «РЖД» - обеспечение лидирующей позиции компании на рынке качественных и конкурентоспособных транспортных услуг, полностью удовлетворяющих потребности в грузовых и пассажирских перевозках при условиях минимизации нагрузки на окружающую среду [1]. Реализация такой широкомасштабной цели, поставленной впервые, требует решения ряда крупных научно-технических проблем, определяющих успех достижения цели.
Необходимо отметить, что железнодорожная инфраструктура высокоскоростных магистралей представляет собой сложный комплекс технических систем и должна создаваться с учетом мирового опыта проектирования, строительства и эксплуатации высокоскоростного железнодорожного транспорта, а также особенностей климатических условий России. Задача создания инфраструктуры ВСМ для скоростей движения 400 км/ч приобретает особую сложность в связи с тем, что мировой опыт регулярной эксплуатации ВСМ имеется только при скоростях движения до 350 км/ч [2].
В настоящее время проведен ряд предпроектных работ по созданию ВСЖМ-1 Москва - Санкт-Петербург. Рабочей группой, возглавляемой ОАО «Скоростные магистрали» и ОАО «Росжелдорп-роект», разработаны технические требования (нормативы) и спе-
циальные технические условия (СТУ) для проектирования, строительства и эксплуатации ВСЖМ-1. На основании этих документов разработано обоснование инвестиций в строительство ВСЖМ-1 (головной проектировщик - ОАО «Ленгипротранс»). Так как в России отсутствует опыт создания ВСМ, перечисленные документы разработаны на базе международных норм и стандартов, а также данных по зарубежным аналогам [3].
Цель данной работы - решить проблемы, возникающие при создании высокоскоростных магистралей (ВСМ) в суровых Российских условиях, за счет внедрения инновационных технологий. Для достижения вышеуказанной цели требуется решить следующие задачи:
- спрогнозировать, как будет функционировать контактная сеть при высоких скоростях движения, смоделировав ее работу на основе инженерных расчетов применительно к местным условиям;
- создать новый метод монтажа поддерживающих устройств контактной подвески, который будет обеспечивать ее надежную работу при скоростях движения поездов свыше 350 км/ч;
- создать новый способ защиты проводов контактной сети от воздействия внешней среды, особенно в зимний период эксплуатации;
- реализовывать проекты высокоскоростных железнодорожных магистралей с применением контракта жизненного цикла.
Сотрудники научно-исследовательской лаборатории «Системы автоматизированного проектирования контактной сети» Уральского государственного университета путей сообщения успешно справляются с данными задачами.
При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций контактной сети. С помощью таких моделей можно выбрать более прочный материал, необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.
В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы. Первые базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы, к которым относятся, в
частности, метод конечных разностей, метод граничных интегральных уравнений, метод граничных элементов, метод конечных элементов и другие методы, напротив, не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки.
Проблемы моделирования всегда были актуальны при изучении механических свойств материалов с учетом их структуры, поскольку решение этих проблем проводит к количественным зависимостям макроскопических характеристик деформирования, прочности и сопротивления разрушению материала от параметров структуры.
Располагая указанными зависимостями, можно выполнять параметрическую оптимизацию при проектировании новых материалов, конструкций, способов испытаний.
Важную роль в обеспечении качества токосъема занимают такие элементы контактной сети, как фиксаторные узлы и секционный изолятор, являющиеся жесткими точками, и оказывающие ударное воздействие на токоприемник подвижного состава.
Для обеспечение плавного прохождения токоприемника под фиксатором контактного провода при скоростном и высокоскоростном движении необходимо учесть следующие требования [4]:
- вес деталей фиксатора, непосредственно связанных с контактным проводом, должен быть минимальным;
- форма фиксатора должна быть такой, чтобы обеспечивался надежный проход токоприемника при максимальном отжатии им контактной подвески;
- части фиксаторов, связанные с контактным проводом, должны его перемещение как вдоль пути (температурные деформации), так и по высоте;
- фиксатор должен иметь устройства, предотвращающие их опрокидывание при действии максимального ветра.
При проходе электроподвижного состава большой массы в системе токосъема возрастают токи, что приводит к увеличению стрел провеса, пережогам контактных проводов. Эластичность контактных проводов в местах крепления подвески минимальна. При одинаковых по длине прилегающих пролетах фиксаторы практически не перемещаются, т.е. узлы волн сосредоточиваются у опор. В то же время при различных по длине пролетах перемещение фиксаторов достигает 100 - 150 мм, а перемещение грузов компенсаторов 150 - 200 мм, что связано с передачей энергии колебаний из одного пролета в другой и с усилением тем самым ее рассеяния. Это приводит к «перекосу» фиксатора, а в некоторых случаях и обрыву контактного провода. Эластичность ухудшается.
Для решения этой проблемы были применены методы компьютерного моделирования и создана модель нового узла крепления фиксатора контактной (рисунок 1).
Рис. 1. Узел крепления дополнительного стержня фиксатора контактного провода
Каждое ушко стойки дополнительного стержня выполнено в форме эллипса с вырезом, большой диаметр которого равен двум диаметрам ушка стойки дополнительного стержня, выполненного в форме кольца с вырезом, вырез эллипса в рабочем состояние ушка стойки дополнительного стержня расположен ближе к стойке.
Таким образом, в результате такого перемещения увеличивается подвижность контактного провода контактной подвески,
уменьшается местный износ контактного провода, улучшается токосъем.
Кроме того предлагаемая конструкция узла крепления дополнительного стержня к стойке дополнительного стержня позволяет соблюдать допустимый зигзаг контактного провода относительно оси железнодорожного пути и высоту расположения контактного провода над уровнем головки рельса.
Фиксаторы контактного провода, в свою очередь, крепятся на консоли.
Точность регулировки положений консолей по монтажным чертежам в зависимости от температуры при монтаже и расстояния до средней анкеровки должна составлять ±30 мм. При технологии работ с расчетом мерных струн на основе высокоточных промеров фактических высот и зигзагов несущего троса, точность установки несущего троса по высоте может быть допущена в пределах ±100 мм от проектной. При этом, после монтажа и регулировки консолей должны выполняться высокоточные замеры фактических высот от уровня головки рельса (УГР) до оси несущего троса в месте крепления в поворотном зажиме. Точность измерения высоты несущего троса относительно уровня головки рельса должна быть ± 1 мм. В том случае, если нет возможности проведения указанных замеров, все консоли должны быть выставлены в проектное положение с точностью ± 5 мм по высоте несущего троса [1]. Приведенные выше требования достигаются за счет установки консоли на опоре в требуемой точке.
Известные на сегодняшний день способы монтажа консолей не позволяют провести точные измерения расстояния от уровня головки рельса до точки крепления консоли на опоре, и соответственно установить поддерживающие устройства в нужном месте, а значит отклонение положения несущего троса по вертикали может не укладываться в допуски (± 5 мм) и предстоит последующая высокоточная регулировка всей контактной подвески как единой системы. Следует также отметить, что на сегодняшний день в России известны требования лишь для скоростей движения до 250 км/ ч, а значит допуски для скоростей свыше 250 км/ч будут в разы меньше значения ± 5 мм, что в свою очередь ужесточает требования по установке консолей в проектное положение.
В настоящее время НИЛ «САПР КС» решили эту проблему и разработали способ монтажа консоли на опоре. Данный способ позволяет значительно повысить точность постановки консоли в проектное положение, исключить необходимость дополнительной ее регулировки по высоте опоры. [5].
Помимо проблем совершенствования прочностных характеристик поддерживающих конструкций контактной сети, а так же уменьшения доли разрегулировок их в пространстве, необходимо учитывать и другие особенности. Во время эксплуатации большое влияние на систему токосъема оказывают коррозионные и гололедные воздействия. К основным проблемам, которые вызывает гололед, относятся: увеличение механической нагрузки на элементы конструкций тяговой сети, нарушение электрического контакта между нижней частью контактного провода и токоприемником и как следствие появление электрической дуги пережог контактных проводов.
Борьба с гололедом на проводах контактной сети и линий электропередач в настоящее время производиться электрическими, химическими и механическими способами. Существует ряд отрицательных моментов применения таких методов: опасность отжига проводов, высокий расходы электроэнергии, низкая производительность, неполное удаление гололеда, опасность повреждения и деформации контактных проводов [6].
Для решения этих проблем в УрГУПС был проведен ряд лабораторных испытаний высокотехнологичного покрытия в климатической камере. Целью испытаний было определить возможность его применения для защиты проводов контактной сети и линий электропередач в условиях воздействия внешней среды. Результаты экспериментов подтвердили теорию.
В наибольшей степени, покрытие зарекомендовало себя как антикоррозионное, антиконденсатное и антиобледенительное. Материал применялся для нестандартного оборудования с температурой поверхности до +1800 ОС. (Температура деструкции покрытия +2600 ОС).
Чтобы доказать теорию о применимости материала для проводов, были подобраны образцы для испытаний - два провода марки МФ-100, использующихся, как контактные провода (КП) электрических железных дорог и три провода марки ПБСМ-70, А-95 и А-
120, которые применяются как на контактной сети (виде несущих тросов), так и на ЛЭП (рис. 4). Длина образцов составила 1 м. Все провода на 50 % покрывались антигололедным материалом, кроме одного контактного провода, который оставался эталонным.
Для имитирования образования гололеда в климатической камере произвели повышение влажности воздуха до максимально возможной в камере - 99 % и начали резкое понижение температуры воздуха до -5 ОС. Данная температура поддерживалась в течение 80 минут, этого время хватило для образования небольшого слоя льда на поверхности образцов. Гололедообразования видны явным образом, форма гололеда овальная, ввиду отсутствия ветра в камере. Толщина его варьируется от 1 до 2 мм по всей поверхности контактных проводов и чуть больше на несущих тросах. В местах нанесения покрытия толщина слоя гололеда намного меньше, чем на участках без него, однако стоит, отметь, что при очистке гололеда от провода механическим воздействием, в местах, где было нанесено покрытие, удаление гололеда происходило почти мгновенно, чем от проводов без покрытия.
В результате испытаний можно сказать, что покрытие:
- выполняет антигололедные функции применительно к проводам контактной сети и ЛЭП;
- обладает высокой прочностью и легкостью;
- отлично сцепляется с проводами;
- просто в нанесении;
- является эластичным.
Уже проведены испытания на реальных участках Свердловской железной дороги.
Дополнительно специалисты НИЛ «САПР КС» решают задачу по возможности автоматизации процесса нанесения материала на раскатанные провода контактной сети, а так же разрабатывают технологию, позволяющую «пропитку» проводов, находящихся в бухте.
затраты на обслуживание устройств системы токосъема, повысить ее надежность.
Совершенствование конструкций, защита их от воздействия внешней среды непременно должны повысить надежность высокоскоростных контактных дорог. Но это не единственные задачи которые надо решать.
Реализация проекта высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСЖМ-1) планируется по схеме государственно-частного партнерства (ГЧП) на основе контракта жизненного цикла (КЖЦ), известного также под аббревиатурой DBFM (DesignBuildFinanceMaintain - «проектирование, строительство, финансирование, эксплуатация») [2].
Жизненный цикл (ЖЦ) включает в себя научные исследования на стадии разработки, проектирование, изготовление, эксплуатацию, демонтаж и утилизацию [7].
Поэтому необходим переход на новый уровень проектирования, производства и строительства высокоскоростных магистралей (ВСМ) на базе современных принципов управления жизненным циклом наукоемкой продукции.
На сегодняшний день, на основе [8] разработан программный продукт, при помощи которого рассчитываются показатели эффективности (стоимость жизненного цикла, полезный экономический эффект, лимитная цена) отдельных элементов контактной сети. Применение данной программы дает возможность заранее определить экономический эффект от использования нового образца техники по сравнению с ее аналогом, который морально и технически устарел. В ближайшем будущем планируется адаптация данного программного продукта для всего инфраструктурного комплекса системы токосъема как единой системы.
Заключение. В настоящий момент, молодыми учеными УрГУПС ведутся работы по повышению надежности и качеству обслуживания инфраструктурного комплекса системы токосъема. Все предлагаемые инновационные разработки уже внедряются на железнодорожных магистралях, а при положительном результате эксплуатации станет возможным применять их на новых участках ВСМ.
Литература:
1 Кудряшов, Е.В. Развитие инфраструктуры энергообеспечения железнодорожного транспорта / Е.В. Кудряшов, А.Т. Бурков, А.В. Мизинцев // Транспорт Российской Федерации (Наука и транспорт). - 2010. - № 3 (28). - С. 28-33.
2 Кудряшов, Е.В. Создание контактной сети для высокоскоростного движения на базе современных принципов управления жизненным циклом наукоемкой продукции / Е.В.Кудряшов, В.А.
Иванов, А.Н. Ковалев // Материалы пятого Международного симпозиума «Элтранс-2009»: Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте. - СПб. : ПГУПС, 2010. - С. 73-82.
3 Троицкий, В.А. Институциональные механизмы межгосударственного сотрудничества в свете меняющейся геополитической реальности / В.А. Троицкий // Известия российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. - 2009. - № 104. - Р. 156-169.
4 Кудряшов, Е.В. Требования к регулированию контактной подвески для скоростей движения 200-250 км/ч / Е.В. Кудряшов // Материалы пятого Международного симпозиума «Элтранс-2009»: Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте. - СПб. : ПГУПС, 2010. - С. 290-299.
5 Галкин, А.Г. Мониторинг инфраструктурного комплекса системы токосъема в процессе эксплуатации / А.Г. Галкин, А.А. Ковалев, А.В. Микава // Инновационный транспорт. - 2012. - № 1(2).
6 Несмелов, Ф.С. Разработка технологии борьбы с гололе-дообразованием на контактных проводах промышленного железнодорожного транспорта / Ф.С. Несмелов, А.А. Ковалев, А.А. Кар-даполов // Промышленная энергетика. - М. : НТФ Энергопрогресс, 2011. - № 10. - С. 26-31.
7 Галкин, А.Г. Применение контракта жизненного цикла для инфраструктурного комплекса системы токосъема / А.Г. Галкин, А.А. Ковалев, А.В. Микава // Транспорт Урала. - 2012. - № 3 (34). -С. 85-90.
8 Кострикин, К.О. Стоимость жизненного цикла железнодорожного подвижного состава / К.О. Кострикин, И.А. Скок // Экономика железных дорог. - 2012. - № 1.
