CC BY
45
средств диагностирования (3); Ст(эл), Ст(дт), С'т(эл), С т(дт) - затраты электрической энергии и топлива на тягу поездов до и после внедрения средств диагностирования; LU]1 - суммарный пробег локомотивов, обслуживаемых с использованием средств технического диагностирования.
Расчет затрат топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов может быть выполнен различными методами, в том числе расчетно-статисгическим, расчетно-анапитическим и экспериментальным. Сами методы и рекомендации по их использованию для эксплуатационных предприятий локомотивного хозяйства подробно представлены в соответствующей литературе [3, 6, 7].
Окончательный выбор мероприятий по повышению топливной и энергетической эффективности производства осуществляется с учетом технико-экономических показателей использования топливно-энергетических ресурсов, материалов, трудовых затрат, обеспечения требуемого качества ремонта и технического обслуживания подвижного состава при безусловном соблюдении экологических норм, требований безопасности и охраны труда.
Список литературы
1. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав показателей. Общие положения [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 2000. - 8 с.
2. Лайкер, Д. Дао Toyota: 14 принципов менеджмента ведущей компании мира [Текст] / Д. Лайкер. - М.: Альпина Бизнес Букс, 2005. - 402 с.
3. Методика проведения энергетических обследований потребляющих устройств, обеспечивающих тягу поездов и ремонтное производство на железнодорожном транспорте: Инструктивно-методические указания комплексной системы энергетического обследования [Текст] / Под общ. ред. В. Т. Черемисина / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2004. - 429 с.
4. Данилов, Н. И. Основы энергосбережения [Текст] / Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков; под ред. Н. И. Данилова / Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2010. - 564 с.
5. Приоритетные задачи энергетической стратегии ОАО «РЖД» [Текст] // Локомотив. 2008.-№8.-С. 2-5.
6. Мугинпггейн, Л. А. Пути снижения удельных расходов топлива и электроэнергии на тягу поездов [Текст] / Л. А. Мугинпггейн, В. И. Рахманинов, И. А. Ябко // Локомотив. 2001. - № 2. - С. 2 - 7.
7. Мугинштейн, Л. А. О нормировании и анализе расхода топливно-энергетических ресурсов в депо [Текст] / Л. А. Мугинштейн, А. В. Лохач // Локомотив. 2002. - №3. - С. 35 - 37.
УДК 621.332
В. В. Томилов, А. В. Беккер, В. Н. Яковлев
ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ЗАРУБЕЖНЫХ МОНОРЕЛЬСОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
В статье описаны виды монорелъсовых систем, представленные крупнейшими международными проект-но-конструкторскнми организациями компаний Hitachi, Bombardie, Scom, Intamin, AG, Siemens, Rowin, International Kish Control Mechanic C.ompan (IKC.M) и др., рассмотрены особенности ycmpoficme токосъема зарубежных монорелъсовых транспортных систем, их расположения на монобалке, возможности их применения в российских условиях, отмечены преимущества монорельсового транспорта в городских и пригородных условиях.
Монорельсовый транспорт - вид транспорта, в котором пассажирские вагоны или грузовые вагонетки перемещаются по балке - монорельсу, установленному на опорах или на эстакаде на некотором расстоянии над землей. Существующий монорельсовый транспорт классифицируют по ряду признаков: по компоновке - навесной («Альвег») или подвесной («Сафе-же») транспорт; по конструкции опорно-ходовой части подвижного состава - с колесной, пневматической, магнитной подвеской или на скользящих опорах; с электрическим приводом или с двигателем внутреннего сгорания с передачей вращения на опорные колеса; с воздушно-реактивным двигателем; с линейным электрическим приводом; с открытой или закрытой ходовой направляющей, установленной симметрично или несимметрично относительно опор [1].
№ 4(8) 2011
Еще одним из видов классификации монорельса может быть разделение на городской и междугородный, последний относится к высокоскоростному виду транспорта, трасса которого отличается значительной протяженностью и малым количеством промежуточных станций.
Строительство монорельсовых систем за рубежом обусловлено его преимуществами по сравнению с прочими видами транспорта: провозная способность, экологичность, комфортабельность и интегрируемость в существующую городскую структуру и др. [2]. Кроме того, монорельс является актуальным видом транспорта в тех местах, где прочие виды транспорта исчерпали свои возможности за отсутствием свободной площади, особенно в мегаполисах, либо экономически не выгодны, например, многоуровневые ветки метро.
В настоящее время основными международными проектно-конструкторскими организациями монорельсовых систем являются такие фирмы, как японская Hitach, канадская Bombardier, австралийская Scomi, швейцарские Intamin и AG, немецкая Siemens, корейская Rowin, International Kish Control Mechanic Company (IKCM) и др.
Для монорельсов с колесным и электромагнитным опиранием системы токосъема с жестким токопроводом (СТЖТ) являются наиболее целесообразным способом передачи электроэнергии, что обусловило их широкое использование в эстакадных транспортных системах [3, 4].
СТЖТ применяются также для передачи электроэнергии на борт подвижного состава метрополитена, на передвижные краны и магистральные электрические железные дороги, где возникает необходимость в минимизации вертикальных габаритов контактной подвески.
Наибольшее распространение в мире получила конструктивная схема «Альвег» (рисунки 1 -5), имеющая некоторые преимущества, в том числе по безопасности, по сравнению с «Сафеже».
Рисунок 1 - Монорельсовая система А1уе§ в Диснейленде Калифорнии: а - схема расположения; б - внешний вид
Рисунок 2 - Монорельсовая система А1уе§ в Сиэтле: а - схема расположения; б - внешний вид
50 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^
Рисунок 3 - Монорельсовая система Bombardier в Лас-Вегасе: а - схема расположения; б - внешний вид
Рисунок 4 - Монорельсовая система Hitachi на острове Сентоза, Сингапур: а - схема расположения; б - внешний вид
Рисунок 5 - Монорельсовая система Hitachi в Куала-Лумпуре, Малайзия: а - схема расположения; б - внешний вид
Монорельсовая система устроена следующим образом (см. рисунки 1-5): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на железобетонную пустотелую монобалку 4 при помощи опорных и ведущих колес 5. Направляющие колеса 6 обеспечивают горизонтальную стабилизацию экипажа относительно монобалки 4. Перемещение осуществляется от электрического двигателя, передающего вращающий момент на опорные колеса 5 [5].
В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 7, взаимодействующих с жесткими токопроводами 8, закрепленными через изоляторы 9 на кронштейнах 10. Более подробная информация о конструкции системы токосъема представлена ниже.
Устройство монорельсовой системы, разработанной в 1959 г. еще существовавшей компанией Alveg, в калифорнийском Диснейленде показано на рисунке 1. Система токосъема представляет собой два токопровода 8, закрепленных на двух кронштейнах 10 с изоляторами 9 и расположенных с одной стороны монобалки контактными поверхностями друг к другу.
Та же компания выполняла строительство монорельса в городских условиях Сиэтла [5]. Отличие данной системы состоит в использовании более мощной балки Alweg Large. Система электроснабжения - постоянного тока с напряжением в токопроводах 8 «+» и «-» 600 В соответственно, расположенных с одной стороны направляющей, один над другим, как показано на рисунке 2, и закрепленных на одном кронштейне 10.
Монорельсовая система Диснейленда во Флориде, разработанная компанией Bombardier, имеет систему электроснабжения постоянного тока напряжением 750 В. VVVF-двигатели (переменного тока с регулируемой частотой) запитаны через инвертор от системы из двух жестких проводов 8 с боковой контактной поверхностью, расположенных по обе стороны направляющей в нижней части под спойлерами подвижного состава [5]. Аналогичная система, показанная на рис. 3, была использована при строительстве современного монорельса Лас-Вегаса.
Монорельсовые системы в Диснейленде Токио, а также в Сингапуре на о. Сентоза (см. рисунок 4), прототипом которых является система «Альвег», разработаны фирмой Hitach. Система электроснабжения постоянного тока ± 750 В включает в себя два жестких токопровода 8, расположенных по обе стороны монобалки типа Hitachi-Small между верхними и нижними направляющими колесами.
Разработанные фирмой Hitachi монорельсы Токио-Хенеда, Инуяма (напряжение в токопроводах - 1500 В постоянного тока) в Японии, Куала-Лумпур (с 2007 г. обслуживается фирмой Scomi) в Малайзии (см. рисунок 5) имеют систему электроснабжения ± 750 В из двух то-копроводов с нижней плоскостью токосъема [5].
Еще одним распространенным видом навесного монорельса является система со стальной направляющей (рисунки 6-8) [5].
Монорельсовые системы, представленные на рисунках 6 и 7, устроены следующим образом: кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на железную пустотелую монобалку 4 при помощи опорных и ведущих колес 5. Направляющие катки 6 обеспечивают горизонтальную стабилизацию экипажа относительно монобалки 4 и исключают сход состава. Контркатки 7 обеспечивают повышенное сцепление тележки с монобалкой. Перемещение осуществляется от электрического двигателя, передающего вращающий момент на опорные колеса 5.
В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 8, взаимодействующих с жесткими токопроводами 9 охватывающего типа, закрепленными через изоляторы 10 на кронштейнах 11.
На рисунке 6 изображены схема и внешний вид монорельсовой системы в Сиднее. Каждый вагон в составе имеет двигатель постоянного тока мощностью 37 кВт, расположенный над опорными колесами 5. Система электроснабжения представляет собой два токопровода 9 ±500 В соответственно, расположенных по обе стороны монобалки 4 с нижней контактной поверхностью.
Аналогичную конструкцию имеет монорельс в Испании - в Сарагосе (см. рисунок 7). Отличие этого монорельса заключается в наличии четырех токопроводов, а система электроснабжения является дистанционно управляемой [5].
52 ИЗВЕСТИЯ ТрансйШН^^И^И
¿чУУУУУУУр
Рисунок 6 - Монорельсовая система Сиднея, Австралия а - схема расположения; б - внешний вид
Рисунок 7 - Монорельсовая система Ъ^агшп в Сарагосе, Испания а - схема расположения; б - внешний вид
На рисунке 8 представлен проект монорельсовой системы игЬапаШ:, строительство которой с 2008 г. осуществляет корейская фирма Яолуш на западном побережье Южной Кореи в городе Инчхон [5].
а б
Рисунок 8 - Проект монорельсовой системы Urbanai.it в Инчхоне: а - схема расположения; б - внешний вид
Устройство монорельса (см. рисунок 8): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая опирается на железную или железобетонную пустотелую мо-нобапку 4 при помощи опорных и ведущих колес 5. Направляющие катки 6 обеспечивают горизонтальную стабилизацию экипажа относительно У-образного стального рельса 7, расположенного сверху монобалки 4, и исключают сход состава. Перемещение осуществляется от электрического двигателя, передающего вращающий момент на опорные колеса 5.
В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 8, взаимодействующих с жесткими токопроводами 9, закрепленными через изоляторы 10 на кронштейнах 11 и установленными на рельсе 7.
К следующему поколению монорельсов можно отнести системы на магнитном подвешивании М^1еу. Функцию опорных и стабилизирующих колес здесь выполняет магнитное поле, что дает ряд преимуществ [6]. Движение осуществляется линейным двигателем, расположенным либо на поезде (система «короткий статор»), либо на пути («длинный статор»), В первом случае для питания статора на подвижном составе требуются токоприемники. К такой системе можно отнести японскую НЗБТ (высокоскоростная транспортная система).
НЗБТ устроена следующим образом (рисунок 9): кузов 1 посредством элементов подрессоривания 2 установлен на тележке 3, которая с помощью постоянных магнитов 9 притягивается к стальным рельсам 8, расположенным на поперечных балках 4, и к железобетонной эстакаде 5. Передвижение осуществляется за счет линейного двигателя, обмотки 6 которого расположены на тележке 3 и взаимодействуют с реактивной алюминиевой шиной 7, закрепленной на стальном рельсе 8.
В силовую цепь подвижного состава электроэнергия поступает от токоприемников 10, взаимодействующих с токопроводами 11, закрепленными через изоляторы 12 посредством кронштейнов 13 на эстакаде 5.
Рисунок 9 - Монорельсовая система Маглев в Японии: а - схема расположения; б - внешний вид
Анализ расположения систем токосъема показывает, что для эксплуатации существующих монорельсовых дорог достаточно двух токопроводов, что существенно снижает экономические затраты на их сооружение.
Для монорельсов с системой токосъема с плоским контактом используются жесткие токо-провода, представляющие собой контактный рельс (рисунки 10, 11), и взаимодействующие с ними токоприемники. Разработкой одной из таких систем с 1912 г. занимается немецкая фирма Vahle, название которой происходит от имени ее автора - инженера Паула Вале [7].
Рисунок 12 - Расположение системы подогрева токопроводов: а - медноголового; б - медноголового со стекловолокном
Рисунок 13 - Глухой стык токопровода F45/200 со стекловолокном
Рисунок 10 - Система токосъема Vahle
Рисунок 11 - Натурные жесткие токопровода Vahle монорельса Сиэтла: а - марка F45/200; б - F45/100 В соответствии с пропускаемым током (200 - 1500 А), условиями окружающей среды рассчитывается площадь контактного рельса, выполняемого в различных модификациях: Т-образный и Т-образный полый, нормального исполнения и вытянутый, с медным оголовником, медным со стекловолокном (в условиях повышенной влажности и коррозийности), алюминиевым (экономичные из-за малого веса и достаточной проводимости) и цельномедный (при повышенных значениях номинального тока и коррозийности среды). Кроме того, для всех токопроводов может использоваться искусственный подогрев (рисунок 12). Длина секции контактного рельса составляет 7 или 14 м. Глухой стык токопровода представлен на рисунке 13.
Каждому типу токопроводов соответствуют свои токоприемники, которые исполняются в нескольких сериях; на рисунке 14 приведены основные - GSV (тяжелого типа) с двойным контактным элементом и DVD (легкого типа). В качестве токосъемного башмака используются угольные контактные элементы.
Рисунок 14 - Токоприемники Vahle: а - GSV (тяжелого типа); б - DVD (легкого типа)
№ 4(8) 2011
Для жестких токоироводов с системой бокового контакта китайской фирмой China Shanghai Sky&Sea Pantograph Manufacturing разработаны токоприемники SCG-100, представляющие собой асимметричные пантографы постоянного тока (1500 В, 400 А) для скоростей до 100 км/ч (рисунок 15) [8].
а б
Рисунок 15 - Токоприемники SCG-100 для системы токосъема Hitachi: а - анодный; б - катодный
Анодный пантограф является управляемым и оснащен пневматическим цилиндром (рабочее давление - 0,35 - 0,5 МПа), устройством аварийного опускания и пружинами вторичного подрессоривания. Уменьшение износа контактных элементов достигается регулярным смазыванием рабочей поверхности токоприемника.
Анализ существующих конструкций зарубежных систем токосъема показывает, что токопро-вода можно использовать неизолированными, без защитных кожухов на перегонах, где доступ посторонних лиц ограничен высотой эстакады, на станциях применение изоляции должно соответствовать условиям техники безопасности из расчета расположения токоведущих элементов. Несущая часть подвески по возможности должна быть выполнена из электропроводного материала и должна участвовать в передаче электрической энергии, увеличивая общее сечение проводов. Токопровода биметаллической конструкции при эксплуатации в условиях значительного диапазона изменения температур требуют установки системы подогрева, что экономически не всегда выгодно, особенно в российских условиях. Применение плоского контакта требует использования токоприемников с шарнирной связью основания в плоскости контактного нажатия. При использовании системы токосъема с боковым контактом, так называемым side-contact, применяются токоприемники и токопровода только с плоскостным контактом.
Широкое применение монорельсового транспорта в российских условиях, на взгляд авторов статьи, тормозится как экономическими обстоятельствами, так и отсутствием соответствующих стандартов и квалифицированных кадров, что является причинами приоритета строительства метрополитена.
Однако в зарубежных странах этот давно неэкзотический вид транспорта является актуальным и востребованным. При разработке его конструкций используются новейшие технологии аэрокосмической промышленности. Необходимо отметить, что именно этот вид транспорта способен выполнять свои транспортные функции при отсутствии гравитационного поля Земли.
Список литературы
1. Сидоров, О. А. Системы контактного токосъема с жестким токопроводом [Текст] / О. А. Сидоров: Монография. -М.: Маршрут, 2005. - 106 с.
2. Сидоров, О. А. Методы исследования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта [Текст] / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков: Монография / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2009. - 154 с.
56 ИЗВЕСТИЯ ТрансйШН^^И^И
3. Tomilov, V. Moscow monorail road [Текст] / V. Tomilov. Mobility-Sustainability-Safety // Transport science meeting with eastern European and Russian students. - Dresden, 2005. - C. 25.
4. Михеев, В. П. Совершенствование систем контактного токосъема с жестким токопрово-дом [Текст] / В. П. Михеев, О. А. Сидоров: Монография / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2003.- 182 с.
5. Бочаров, В. И. Основы проектирования электроподвижного состава с магнитным подвесом и линейным тяговым электроприводом [Текст] / В. И. Бочаров, Ю. А. Бахвалов, И. И. Талья / Ростовский гос. ун-т. - Ростов-на-Дону, 1992. - Ч. 2. - 296 с.
УДК 621.313
В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. В. Долгова
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ИЗНОСА КОЛЛЕКТОРИО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
В статье рассмотрены особенности применения теории подобия для создания физической модели коллек-торно-щеточного узла тягового электродвигателя ТЛ-2К1. Вопрос моделирования рассмотрен с позиции (щенки механической и электроэрозионной составляющих прогресса изнашивания для модельной электрической манаты П31М. Получены численные значения параметров прогресса изнашивания коллекторно-щеточного узла и масштабные соотношения, связывающие натурный объект и модель.
Тяговый электродвигатель (ТЭД) является одним из важнейших элементов электрического подвижного состава. От надежности работы ТЭД в конечном счете зависят бесперебойность и рентабельность работы железнодорожного транспорта, поэтому вопросам исследования параметров и характеристик ТЭД а также показателей его надежности посвящено значительное число работ ученых и практиков.
Одной из важных задач исследователей является создание математических моделей, позволяющих достоверно описывать процессы, происходящие в ТЭД. Анализ работы электродвигателей производят либо путем математического моделирования (выполняется численный эксперимент, например, рассчитывается распределение силовых линий магнитного поля в станине машины), либо с помощью проведения непосредственного испытания ТЭД на испытательной станции или специализированном стенде. Отметим, что математические модели имеют определенные допущения, которые могут привести к отклонению рассчитанных значений от полученных экспериментальным путем. С другой стороны, использование непосредственных испытаний позволяет оценить характеристики ТЭД, но при этом затрачивается значительная мощность и такие испытания, в том числе износовые, сложны в практическом осуществлении.
Таким образом, возникает задача создания моделей, сочетающих в себе приемлемую точность и возможность проведения натурных испытаний при минимальных затратах электроэнергии. Решить эту задачу может известная теория подобия и анализа размерностей, занимающая промежуточное положение между двумя подходами, представленными ранее, и позволяющая получить модель дорогостоящего и энергозатратного объекта в виде, приемлемом для осуществления научных экспериментов. Основной характеристикой подобных объектов являются критерии подобия, с помощью которых устанавливаются закономерности взаимнооднозначных соответствий модели и оригинала. Получить критерии подобия в случае, если уравнение процесса представляется в виде функциональной зависимости между параметрами системы и процесса, можно на основе л-теоремы [1,2].
В качестве объекта исследования в настоящей статье рассмотрим ТЭД ТЛ-2К1, для которого оценим параметры модели с помощью теории подобия. Поскольку в электрических машинах постоянного тока происходят процессы, в основной своей части сходные по физике, выберем в качестве модели также машину постоянного тока - электродвигатель средней мощ-
