CC BY
105
108
Общетехнические задачи и пути их решения
ционной надежности мостов : межвуз. сб. научн. трудов. - Днепропетровск : Транспорт, 1988. -С.167-173.
2. Учет взаимодействия сооружения с грунтом при расчете металлических пролетных строений мостов на вертикальные сейсмические воздей-
УДК 656.254.16:656.21
Ю. А. Кравцов, Е. В. Архипов
Московский государственный университет путей сообщения
А. Б. Чегуров
ЗАО «Нейроком»
М. Е. Бакин
Московский государственный университет путей сообщения
МЕТОДИКА РАСЧЁТА КОНТРОЛЬНОГО РЕЖИМА РЕЛЬСОВОЙ ЦЕПИ С УЧЁТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТОКА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С АСИНХРОННЫМ ТЯГОВЫМ ПРИВОДОМ
Для рабочей полосы путевого приёмника получено выражение, по которому производится расчёт тока гармоники, приводящей к замыканию контактов исполнительного реле. Приведены блок-схемы алгоритмов определения критических характеристик контрольного режима и расчёта допустимого уровня гармоники тягового тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом.
тяговый электропривод, рабочая полоса частот, путевой приемник, сигнал, путевой генератор, гармоника тягового тока, коэффициент влияния, обрыв рельсовой нити, сбой, полином, контактный провод.
ствия / А. М. Уздин, В. В. Кондратов // Сейсмостойкое строительство : научно-техн. реф. сб. -Сер. 14, вып. 4. - М. : ЦИНИС, 1982. - С. 18-23.
3. Вибрации в технике : справочник. Т. 1. Колебания линейных систем. - М. : Машиностроение, 1978. - 352 с.
Введение
Эксплуатируемые на российских железных дорогах рельсовые цепи разработаны в то время, когда на электроподвижном составе применялся тяговый привод с коллекторным двигателем постоянного тока [1]. При этом все гармоники тягового тока были кратны 50 Гц. Рабочие полосы частот путевых приёмников защищены от воздействия гармоник тягового тока с помощью фильтров. Поэтому критерии обеспечения нормального, шунто-
вого и контрольного режимов работы рельсовых цепей разработаны при условии, что на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот действует только полезный сигнал.
В настоящее время прослеживается тенденция применения на тяговом подвижном составе асинхронного двигателя при электроснабжении как на постоянном токе, так и на переменном [2]. Поскольку регулирование тяги осуществляется путем изменения частоты тока, потребляемого асинхронным двигателем, гармоники тока электровоза воз-
2013/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
109
никают в очень широком диапазоне частот, в том числе и в том, в котором работают рельсовые цепи.
Для обеспечения работоспособности автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации нормируются допустимые уровни гармоник тягового тока в рабочей полосе [3]. Разработаны технические решения по обеспечению электромагнитной совместимости электроподвижного состава и устройств интервального регулирования движения поездов по требованиям безопасности [4]. Известны методы расчёта уровня гармоник тягового тока в рабочей полосе путевых приёмников в несимметричной рельсовой цепи в нормальном режиме [1], [5].
Экспериментальная проверка условий работоспособности рельсовых цепей проводится на основе обработки записей тягового тока и сравнения полученных результатов c нормируемым значением. На современном этапе при анализе записей тока электровоза его составляющие на частотах рельсовых цепей представляют в виде простых гармоник. Они чаще всего определяются двумя способами: как реакция длительностью не менее 0,3 с полосового фильтра и как составляющая в математической аппроксимации сигнала тягового тока рядами Фурье при эффективной длительности окна не менее 0,3 с с учётом перекрытия окон [4].
В настоящее время неизвестны данные об экспериментальном подтверждении соответствия результатов обработки записей тока ЭПС указанными выше способами фактическим значениям в рабочей полосе путевых приёмников максимальных уровней эквивалентных синусоидальных сигналов, нарушающих работу устройств интервального регулирования. В связи с этим разработана методика обработки записей тягового тока, позволяющая оценивать работоспособность рельсовой цепи с учётом фактической помехоустойчивости путевых приёмников [6], [7].
Математическое моделирование, описывающее влияние тягового тока на симметричные рельсовые цепи при работе в контрольном режиме, отсутствует. Поэтому необходи-
мо разработать методику расчета рельсовой цепи в контрольном режиме для возможных значений первичных параметров рельсовой линии и различных мест обрыва с учётом того, что на входе путевых приёмников в рабочей полосе частот действуют одновременно и полезный сигнал, и гармоника тока электроподвижного состава.
1 Методика расчёта уровня гармоник тягового тока в полосе пропускания путевого приемника рельсовой цепи с изолирующими стыками в контрольном режиме
При анализе работы рельсовых цепей с учетом воздействия тягового тока и его гармонических составляющих используются уравнения распространения напряжений и токов в рельсовой линии с учетом взаимной индуктивности контактного провода и рельсов. При этом приведённое в [1] решение системы дифференциальных уравнений для токов и напряжений рельсовой линии с учётом первичных параметров и коэффициентов распространения волн земляного и фазового тракта имеет следующий вид:
U1x = A1chy1 x + A2 shy1 x + A3chy 2 x + A4 shy 2 x;
U2 x = M (A1chy1 x + A2 shy1 x) +
+N ( A3chy 2 x + A4 shy 2 x);
Ix = Уп( A1shyix + A2chy ix) +
Z
+У12 (A3 shy 2 x + A4chy 2 x) + Ik ;
Z1 + Z м
12 x = У21( A1shyix + A2chy ix) +
Z
+У22 (A3shy2x + A4shy2x) + Ik z MKZ >
где I I - токи в первой и второй рельсовых нитях с положительным направлением от питающего конца к нагрузке; U1x, U2x - напряжения первой и второй рельсовых нитей относительно земли с положительным направлением от рельсов к земле; 1к - ток, протекаю-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/1
110
Общетехнические задачи и пути их решения
щий в контактном проводе с положительным направлением от тяговой подстанции.
Эквивалентная электрическая схема станционной рельсовой цепи, примыкающей к отсосу тяговой подстанции и в наибольшей степени подверженной воздействию обратного тягового тока электроподвижного состава, в контрольном режиме приведена на рисунке 1.
На схеме рисунка 1 введены следующие обозначения:
Z , Z - входные сопротивления, учитывающие влияние смежных рельсовых цепей, определяются по формуле Zbx1 2 =-;
’ 4Ун
Z^, Z^ - приведенное сопротивление аппаратуры источника и приема сигнала рельсовых цепей соответственно; R3 т п - сопротивление заземляющего контура тяговой подстанции.
Пусть начало координат будет в месте обрыва рельсовой линии, тогда граничные условия для определения постоянных интегрирования будут иметь вид:
при х = l1
Iк - Iнвх - 11н - 12н = 0;
f и ’ - и ’ Л
^ 1н ^ 1н
2н
V
Z'
^1н
2 -I" +I" = 0Л 72н ^ Ын Ы
и' + и'
^1н ^ ^2н , I' , I' = J .
'"’"Ын + 72н _ I к
2Z'
^вх1
при х = 0
11к = 0;
I" = I" • I' - I" = 0'
1 2к 1 2н ’ 1 2 к 1 2н Ы
и2к = и2Н; и2к - ин = 0;
I" = 0;
1н
при х = -l2
I" -1 -1* = 0;
Ык -|н-
1н
I" -1 -1 = 0;
12к -'н
2н
и" - и"
Т" —Т" _о_1^___2к_ — D-
Ык 72к Z z ~ Ы
н2
и" + и"
11 , 11 ^ 1к ^ ^ 2к = I .
Ык + 72к 2Z ~ 1к-’
11н I н1 12н 0;
12н - I н1 -12н = 0;
Z = R || Z ^вхэ _ Лзтп 11^вх 2-
На основании приведённых граничных условий находятся постоянные интегриро-
Z
\z_
Рис. 1. Схема замещения рельсовой цепи с изолирующими стыками, примыкающей к отсосу тяговой подстанции
2013/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
вания А[, Л'2, A3, А4 , A", A2, А3", А;, что в дальнейшем позволяет определить любой ток или напряжение в цепи в зависимости от тока в контактном проводе.
Определим ток, протекающий через аппаратуру генерации и приема сигнала рельсовых цепей: при х = I
U' - U'
_ и2н .
7н1 _
н1
IН1 = — [ A3ch( г 2 Lf)+А4 sh(y 2 А)];
н1
при х = -I
U" - U"
т _и 1к ^2к .
Ан2 _ ’
н2
Iн2 _
н2
[А^Мц2(L3 -Ly)) -
- a;sh(y 2 (L3 - L1))].
Введем коэффициент влияния К определяющий долю гармоники тягового тока электровоза частотой f оказывающей мешающее влияние на аппаратуру генерации и приема сигнала рельсовых цепей:
KВЛ1 _
Ih1 ; К 2 _ Iн 2
Ik вл2 Iк
(1)
Коэффициент влияния К^ позволяет определить ту часть тока электроподвижного состава, которая оказывает воздействие на аппаратуру рельсовой цепи в контрольном режиме.
2 Критерий чувствительности
рельсовой цепи к обрыву рельсовой нити с учетом воздействия тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом
В связи с внедрением современных типов тяговых электроприводов в рабочей полосе частот путевого приемника могут одновре-
менно присутствовать сигнал от путевого генератора и гармоники тягового тока.
При заданных типе, частоте f и длине L рельсовой цепи коэффициент влияния, как следует из рисунка 1, является функцией двух аргументов: сопротивления изоляции Яиз и расстояния Lq до места обрыва рельсовой линии, K (R , L ).
Ток на входе приемника от путевого генератора при оборванной рельсовой линии также является функцией этих же двух аргументов при фиксированных типе, частоте и длине РЦ I (R , L ) [1].
' н. о.р 4 из5 оу L J
Для путевых приемников типа ПП1 рельсовых цепей тональной частоты экспериментально получена зависимость (рис. 2) тока гармоники на входе приемника I частотой, совпадающей с несущей амплитудно-манипулированного сигнала от ГП, приводящей к замыканию контактов исполнительного реле, от величины остаточного входного тока !н о р от путевого генератора при работе рельсовой цепи в контрольном режиме.
Представленные экспериментальные данные можно аппроксимировать полиномом первой степени и получить следующую аналитическую зависимость, где значения токов, мА:
Ih, =-1,485-Iнар +3,509.
(2)
На основании выражения (2) формула для расчета критерия чувствительности рельсовой цепи к обрыву рельсовой нити Ко р ап с учетом воздействия тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом примет вид:
K
Кв(-1,485-1нор + 3,509)- К
о.р.ап
1000 - Квл -1к
(3)
где Кв - коэффициент возврата приемника; Ктк - коэффициент снижения тока при передаче сигнала через устройства согласования в конце рельсовой линии [1]; I на входе приемника типа ПП1, приводящей к сбою в контрольном режиме РЦ, от величины остаточного входного тока !н о р; Кш - коэффициент влияния, определяемый по формулам (1);
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/1
112
Общетехнические задачи и пути их решения
I СКЗ, мА
н.о.р 7
Рис. 2. Зависимость минимального уровня гармоники тягового тока
1к - ток гармоники в контактном проводе СКЗ, А.
Ток 1н ор может быть выражен следующим
образом: 1н.0.р = ,
Кпок|
Еэмакс = 0,001- 1р • Кз • \Ктк| • Ки • |Zno|, (4)
где Zпо, Z - приведенные сопротивления передачи основной схемы замещения рельсовой цепи в нормальном и контрольном режимах; 1р - ток срабатывания приемника, мА; Кз - коэффициент запаса; Ки - коэффициент колебаний напряжения на выходе путевого генератора в зависимости от напря-
жения питающей сети
К = UMaKC
V
мин J
С учетом (4) получим:
Кв(3,509 |Ктк| • |Zn0K| -1,485 • 103 • 1р • Кз • |Ктк| • Ки ■ \Zn01)
" 1000 • К1 • |Z„„,| • 1к '
(5)
К
При расчёте контрольного режима определение критического места обрыва и критического сопротивления изоляции необходимо проводить с учетом воздействия гармоник тягового тока электроподвижного состава.
Блок-схема алгоритма определения критических характеристик контрольного режима при заданных значениях параметров схемы рельсовой цепи и тока гармоники электроподвижного состава с частотой, совпадающей с несущей амплитудно-манипулированного сигнала контроля рельсовой цепи, приведена на рисунке 3. Расчеты производятся последовательно для различных мест обрыва рельсовой нити L*, L* + AL* и т. д. Сначала задаются исходным расстоянием до места обрыва . Для него рассчитывается минимальное значение К* ,(R*,, L*) в зависимости от сопротивления изоляции. После определения Ко*р ап1(А*з1, L**1) аналогично рассчитывается К*р ап2(А*з2, L**2) при следующем значении расстояния до места обрыва.
Из полученного множества значений К* (R*. L*) выбирается минимальное, при этом (R^ , L*) являются искомыми критическими характеристиками контрольного режима. Для всех реальных значений длин рельсовых цепей, используемых в эксплуатации, при фиксированной частоте сигнала аналогичным образом рассчитываются критические характеристики контрольного режима при воздействии гармоник тягового тока.
2013/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
113
Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения критических характеристик
контрольного режима
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/1
114
Общетехнические задачи и пути их решения
Блок-схема алгоритма расчёта допустимого уровня гармоники тягового тока на фиксированной частоте при заданной длине рельсовой цепи приведена на рисунке 4. В этом случае задаются различными значениями тока гармоники I Для каждого значения определяют K при критических месте обрыва и
сопротивлении изоляции, которые считаются известными в результате выполнения алгоритма по блок-схеме рисунка 3. Значение 1к, при котором K = 1, является максимально
о. р.ап
допустимым.
Библиографический список
1. Теория, устройство и работа рельсовых цепей / А. М. Брылеев, Ю. А. Кравцов, А. В. Шиш-ляков. - М. : Транспорт, 1978. - 344 с.
2. Обеспечение электромагнитной совместимости электроподвижного состава постоянного тока нового поколения с устройствами железнодорожной автоматики в условиях польских железных дорог : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. Бялонь. - М., 2001. - 30 с.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма расчёта допустимого уровня гармоники тягового тока
2013/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
115
3. Нормы безопасности на железнодорожном транспорте. НБ ЖТ ЦТ 04-98. Электровозы. Требования по сертификации. Введ. 07.08.98. -М., 2003. - 172 с.
4. Обеспечение электромагнитной совместимости электроподвижного состава и устройств интервального регулирования движения поездов по требованиям безопасности / Ю. А. Кравцов, В. С. Антоненко, В. М. Сафро, Е. Г. Щербина, А. А. Антонов // Вестник МИИТа. - Вып. 10. -М. : МИИТ, 2004. - С. 27-30.
5. Расчёт влияния тягового тока на тональные рельсовые цепи без изолирующих стыков /
Ю. А. Кравцов, Е. Г. Щербина, П. Е. Мащенко // Вестник РГУПС. -2007. - № 2. - С. 47-57.
6. Исследование помехоустойчивости путевых приёмников тональных рельсовых цепей / Ю. А Кравцов, В. И. Линьков, П. Е. Мащен-ко, А. Е. Щербина // Наука и техника транспорта. - 2009. -№ 1. - C. 86-91.
7. Методика оценки работоспособности рельсовых цепей тональной частоты при воздействии тока электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом / П. Ф. Бестемьянов, Ю. А. Кравцов, Е. Г. Щербина, А. Б. Чегуров // Вестник РГУПС. -2012. - № 1. - C. 87-92.
УДК 629.4.023
В. А. Кручек, Х. R Косимов
Петербургский государственный университет путей сообщения
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА RAM ЛОКОМОТИВОВ И ПРОДЛЕНИЕ ИХ СРОКОВ СЛУЖБЫ
Безопасная эксплуатация транспортного средства определяется остаточной прочностью деталей, узлов и конструкций. Статья посвящена моделированию и анализу напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза. Рассмотрены оценка остаточного ресурса и продление сроков службы рам локомотивов.
подвижной состав, рама тепловоза, срок службы, несущие конструкции, прочность.
Введение
В связи с увеличением скоростей движения на железнодорожном транспорте и веса поездов (грузонапряженности) возрастают нагрузки на элементы экипажной части локомотивов, в том числе на рамы тепловозов. Структура элементов металлоконструкции механической части железнодорожного подвижного состава представляет собой ряд сложных пространственных конструкций с большим количеством разнообразных по конфигурации соединений и концентраторов напряжений, воспринимающих широкий спектр эксплуатационных нагрузок. Их размеры и форма определяются усилиями, де-
формациями и напряжениями в них, а также другими характеристиками состояния, которые формируются под действием нагрузок различного вида и характера, определяемых параметрами, назначением и условиями эксплуатации подвижного состава. В зависимости от этих показателей данные элементы рассчитываются на прочность и жесткость при статических и динамических нагрузках. Необходимые несущая способность и надежность конструкции должны обеспечиваться при возможно меньшей массе.
Для решения задач ресурсосбережения и сокращения эксплуатационных расходов на железнодорожном транспорте требуется повышение прочности и надежности конструк-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2013/1
