CC BY
41
Тип дизеля Критерии Точка
А А Оз
Кэ1 223,063 223,152 223,178
10Д100 Кэ2 223,042 223,121 223,147
Кэ3 223,043 223,127 223,149
Кэ1 210,051 209,464 210,051
5Д49 Кэ2 209,364 209,223 209,364
кэ3 209,572 209,224 209,572
кэ] 221,623 221,722 221,701
ПД1М кэ2 221,614 221,735 221,682
Кэ3 221,615 221,756 221,688
Можно сделать вывод о том, что наиболее оптимальным является критерий КЭ2, а рассчитанные по этому критерию характеристики будут наиболее экономичными.
Значения математического ожидания удельного расхода топлива для всех опорных точек отличаются друг от друга незначительно, но для управления тепловозом наиболее подходящей является характеристика, проходящая через опорную точку 1)2, так как эта точка соответствует холостому ходу дизеля.
Таким образом, подводя уровень тепловозной характеристики дизеля к полученной оптимальной кривой посредством микропроцессорной системы управления электропередачей тепловоза, можно добиться наиболее экономичной работы тепловозного дизеля в эксплуатации.
Список литературы
1. Коссов, Е. Е. Оптимизация режимов работы тепловозных дизель-генераторов [Текст] / Е. Е. Коссов, С. И. Сухопаров. -М.: Интекст, 1999. - 184 с.
2. Володин, А. И. Выбор критериев оптимизации универсальных характеристик дизель-генераторных установок тепловозов [Текст] / А. И. Володин, В. Ф. Кузнецов, Хан Рен Ир // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Межвуз. сб. науч. тр. / Новочеркасский гос. ун-т. - Новочеркасск, 2005. - Вып. 5. - С. 28.
3. Володин, А. И. Топливная экономичность силовых установок тепловозов [Текст] / А. И. Володин, Е. А. Фофанов. - М: Транспорт, 1979. - 126 с.
УДК 621.332.531
Е. М. Дербилов, С. В. Заренков, О. А. Ходунова
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА В ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЛЕТАХ СОПРЯЖЕНИЙ АНКЕРНЫХ УЧАСТКОВ ЦЕПНЫХ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК
В статье рассмотрены основные причины возникновения отказов на сопряжениях анкерных участков цепных контактных подвесок. Приведена классификация параметров, показателей, характеристик и критериев плавности перехода с одного контактной подвески на другую в сопряжениях анкерных участков. Предложены и описаны меры по повышению качества токосъема в переходных пролетах сопряжений.
При увеличении скоростей движения большое внимание уделяется конструкции и методам расчета переходных пролетов в сопряжениях анкерных участков, так как именно они становятся причиной ограничения скорости движения [1]. Современная тенденция увеличе-
ния скоростей требует рассмотрения сопряжений не как отдельных, редко расположенных на пути токоприемника участков контактной сети, а как штатных конструкций, встречающихся на пути токоприемника два - три раза в минуту, что служит причиной увеличения разброса контактного нажатия, искрения, повышенного износа контактных проводов в зоне сопряжения и др.
Сопряжением анкерных участков называют соединение двух смежных участков контактной подвески, обеспечивающее беспрепятственный переход токоприемников электроподвижного состава с одного из них на другой. Разделение на анкерные участки и их сопряжение необходимы для компенсации температурных и упругих удлинений проводов, улучшающей токосъем; локализации мест повреждений на перегоне; секционирования (при их совпадении по схеме) [2].
При движении электроподвижного состава по сопряжениям анкерных участков полозы токоприемников сначала скользят по контактным проводам одного анкерного участка, затем (между переходными опорами) касаются проводов обоих участков. Условия токосъема в переходных пролетах ухудшены, так как имеет место концентрация приведенной массы и жесткости контактных подвесок из-за крепления на проводах в переходных пролетах экранирующих полос, защищающих воздушные промежутки от пережогов. Для улучшения условий токосъема применяют полимерные изоляторы, уменьшающие уклон проводов, обеспечивают поочередный подхват проводов токоприемниками и т. д. [2].
Однако применяемые в настоящее время меры по улучшению качества токосъема в переходных пролетах сопряжений анкерных участков являются недостаточными. Свидетельством тому являются результаты проведенного анализа отказов технических средств Омской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги по итогам работы за 3,5 года (с 2007 по 2010 г.). Наибольшее число отказов в работе технических средств составляют устройства контактной сети (рисунок 1).
В числе основных причин нестабильности положения с обеспечением безопасности движения можно назвать сверхнормативные сроки использования основных фондов и то, что темпы старения оборудования и устройств электроснабжения опережают темпы обновления.
Для анализа нарушений работы Омской дистанции электроснабжения выполнен мониторинг отказов в работе контактной сети за названный выше период времени. По контактной сети зафиксировано наибольшее количество повреждений сопряжений анкерных участков и воздушных стрелок контактной сети - 14 случаев, или 38 %, и обрывов проводов контактной подвески (несущего, контактного и усиливающего) - 11 случаев, или 30 % (рисунок 2).
Рисунок 1 - Отказы в работе технических средств Рисунок 2 - Анализ отказов контактной сети в Омской Омской дистанции электроснабжения дистанции электроснабжения по видам устройств
по видам устройств
Отказы, произошедшие на сопряжениях анкерных участков и на воздушных стрелках контактной сети, имеют в первую очередь эксплуатационный характер, более половины из которых - девять повреждений (64 %) - произошло из-за неправильной регулировки поло-
жения проводов контактной подвески, по два отказа допущено из-за нарушения работы компенсирующих и фиксирующих устройств и один отказ отнесен к прочим причинам.
Детальный анализ и исследование повреждений контактной сети на сопряжениях анкерных участков позволил выявить следующие основные причины их возникновения:
- разрегулировка элементов сопряжений в связи с особенностями их конструкций;
- изменение натяжения проводов и длины переходной зоны в зависимости от температуры;
- отсутствие в типовых проектах жестких требований по расстановке поперечных соединителей и струн в зоне сопряжения;
- несовершенство методов расчета и монтажа сопряжений анкерных участков;
- повышение скоростей движения и тяговых нагрузок электроподвижного состава.
Прежде чем описывать меры по улучшению качества токосъема в переходных пролетах,
необходимо выявить параметры и показатели сопряжений контактных подвесок, которые в значительной степени влияют на процесс взаимодействия токоприемника с контактной сетью в зоне сопряжения при движении электроподвижного состава.
Классификация параметров, динамических показателей, статических характеристик и критериев плавности перехода с одной контактной подвески на другую в сопряжениях анкерных участков контактной сети приведена на рисунке 3.
Количество пролетов в сопряжении
Длина переходного пролета /пп
Длина конструктивной переходной зоны
Угол отклонения отходящих ветвей от оси пути у
Сопряжения анкерных участков контактных подвесок
Динамические показатели
Длина действительной переходной зоны /д.п з.
Скорость распро странения поперечной волны в переходном пролете
Износ контактных проводов
Статические характеристики
Изменение эластичности контактных подвесок в переходном пролете
Эластичность контактных подвесок в переходном пролете
Расстояние между сопрягаемыми контактными подвесками в плане /
Изменение натяжения
проводов и тросов контактных подвесок ТнЪ КН1,ТН2, КН2
Критерии плавности
перехода с одной контактной подвески _на другую_
Угол, под которым токоприемник встречается с ниспадающей ветвью а
Возвышение точки пересечения осей контактных проводов в переходном пролете А
Нажатие токоприемника при проходе переходного пролета Рт
Возвышение нерабочих контактных проводов над рабочими на переходных опорах А/?к
Рисунок 3 - Классификация параметров, показателей, характеристик и критериев плавности перехода с одной контактной подвески на другую в сопряжениях анкерных участков
Количество переходных пролетов на сопряжениях анкерных участков определяется расчетной длиной зоны подъема контактных проводов и требованиями к плавности перехода токоприемника с контактного провода одного анкерного участка на контактный провод другого анкерного участка. В настоящее время нет единого мнения по количеству переходных пролетов в сопряжениях скоростных контактных подвесок. Увеличение количества переходных пролетов способствует уменьшению угла, под которым токоприемник встречает контактный провод следующей по ходу движения контактной подвески. Минимальное количество переходных пролетов позволяет сократить протяженность зоны повышенной жесткости, в которой токоприемник взаимодействует одновременно с двумя контактными подвесками.
Подобные проблемы возникают при определении допустимого возвышения точки пересечения осей контактных подвесок в переходном пролете, при выборе оптимальной величины возвышения нерабочих контактных подвесок над рабочими на переходных опорах, при решении необходимости наличия рессорных тросов в конструкции контактных подвесок на сопряжениях анкерных участков, при выборе оптимального расстояния между сопрягаемыми контактными подвесками в плане и т. д.
Критериями плавности перехода токоприемника с контактного провода одного анкерного участка на контактный провод другого анкерного участка являются угол а, под которым токоприемник встречается с ниспадающей ветвью контактного провода следующей по ходу движения подвески и возвышение А точки пересечения осей контактных проводов сопрягающихся подвесок в одном переходном пролете относительно прямой, соединяющей между собой оси рабочих контактных проводов на обеих переходных опорах (рисунок 4).
б
Рисунок 4 - Схема расположения проводов сопрягающихся подвесок в одном переходном пролете неизолирующего сопряжения: а - вид сбоку; б - вид сверху
В настоящее время не существует объективных требований (как российских, так и международных) по допустимой величине угла а при высоких скоростях движения. Минимальный угол а может быть обеспечен, если на сопряжении будет не менее двух переходных пролетов. Значения критериев плавного перехода токоприемника с одной контактной подвески на другую в переходном пролете сопряжения, принятые в странах Европы, приведены в таблице.
Критерии плавного перехода токоприемника с контактного провода одной подвески на контактный провод другой подвески
Тип подвески и скорость движения ЭПС Критерии плавности перехода Неиз ол иру ющи е сопряжения ( АЬК = 0,3 м на прямой и АЬК = 0,35 м на кривой) Изолирующие сопряжения ( АЬК = 0,35 м на прямой и кривых)
один переходной пролет два переходных пролета один переходной пролет два переходных пролета
Полукомпенсированные и компенсир ованные: М-120 + МФ-100, М-120 + 2МФ100. Vэпc <120 км/ч а <0,7°, 0 < А < 40 мм 40 м < 1т < < 70 м 35 м </ш, 1т < <40 м 55 м < /ш < <70 м 45 м < /пь /ш < 55 м
Компенсир ованные: М-120+ НлФ(МФ)-100, М-120 + 2НлФ(2МФ)-100. 120 км/ч < Уэпс <160 км/ч а <0,7°, 0 < А < 40 мм 45 м < 1т < < 70 м 35 м </ш, 1т < <45 м 65 м < /ш < <70 м 45 м < /пь /п2 < 65 м
В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе) на протяжении многих лет ведется работа по улучшению качества токосъема при высоких скоростях движения электроподвижного состава, в том числе и в переходных пролетах контактной сети.
Основными путями повышения надежности токосъема в переходных пролетах скоростных контактных подвесок являются следующие:
использование параметров и показателей сопряжений, полученных в результате расчета методом конечных элементов с учетом расположения в пространстве элементов конструкции сопряжений, а также натяжения и физических свойств проводов, входящих в состав сопрягаемых контактных подвесок;
выбор рациональных мест присоединения питающих фидеров, продольных и поперечных электрических соединителей к контактным подвескам;
использование специальных устройств для выравнивания эластичности в переходном пролете;
экспериментальная проверка параметров и показателей сопряжений перед вводом участка в эксплуатацию;
дооснащение эксплуатирующихся на данном участке токоприемников системой автоматического регулирования нажатия.
Подробно вопросом аналитического определения эластичности контактных подвесок в трех- и четырехпролетных изолированных и неизолированных сопряжениях занимались доктора техн. наук В. А. Вологин [1] и В. П. Михеев [2]. Однако предложенные ими методы не позволяют достоверно рассчитывать эластичность в переходных пролетах современных скоростных контактных подвесок. Традиционные методы используют приближенные формулы и эмпирические коэффициенты, полученные во времена СССР экспериментально для широко применяемых типовых контактных подвесок, рассчитанных на скорости до 160 км/ч.
Развитие вычислительной техники в последние десятилетия позволило построить детальные математические модели взаимодействия токоприемников и контактной подвески -как статические, так и динамические. Названные модели позволяют определять параметры системы токосъема с высокой точностью, в том числе - рассчитывать эластичность контактной подвески [3].
Для математического описания проводов использована модель предварительно натянутого стержня в рамках классической теории Эйлера - Бернулли. Дифференциальное уравнение изгиба такого стержня в локальной системе координат О'Х'У, связанной с осью стержня, имеет вид:
+ = (1)
ах ах
где х' - продольная координата оси стержня; V' - поперечное перемещение оси стержня; Е -модуль упругости; 3 — момент инерции сечения; Н- натяжение; д^х^ - распределенная поперечная нагрузка.
Если пренебречь изгибной жесткостью стержня, выражение (1) преобразуется в дифференциальное уравнение гибкой нити:
-Н^ + д'{х') = 0. (2)
с!х
Продольное растяжение проводов описывается уравнением:
¿/V
+ = 0, (3)
с!х
где и' - перемещение вдоль оси провода; площадь поперечного сечения провода; т\х') -распределенная продольная нагрузка.
Описание математической модели контактной подвески на основе конечных элементов приведено в статье [4].
Предлагаемый метод расчета эластичности в переходных пролетах, в отличие от ранее применявшихся, не содержит специальных эмпирических формул и коэффициентов, позволяет гибко задавать параметры контактной подвески и обеспечивает значительно лучшую точность. С помощью разработанной пространственной модели сопряжений контактных подвесок появилась возможность рассчитывать параметры и показатели сопряжений с учетом расположения в пространстве элементов их конструкции, а также натяжения и физических свойств проводов, входящих в состав сопрягаемых контактных подвесок, выбирать рациональные места присоединения питающих фидеров, продольных и поперечных электрических соединителей к контактным подвескам.
Исследования, проведенные в ОмГУПСе, показывают, что эластичность контактной подвески в месте установки поперечных электрических соединителей (ПС) имеет нелинейный характер, поэтому значительные отжатия контактных проводов в зоне крепления ПС токоприемником негативно сказываются на износе контактных пластин и проводов, вызывая удары, поджоги и местный износ устройств токосъема. Применение новых конструкций ПС в переходном пролете сопряжений позволит в значительной степени улучшить эластичность контактных подвесок.
Существующие конструкции ПС имеют следующие недостатки: отсутствуют устройства компенсации нелинейности эластичности, передаваемой на контактную подвеску поперечным соединителем в месте его крепления; при монтаже возникают сложности правильного крепления и регулировки в соответствии с проектом.
На рисунке 5 представлены внешний вид и схема подключения предлагаемого ПС рычажного типа [5]. Применение данного ПС позволяет повысить качество токосъема за счет обеспечения равномерной эластичности контактной подвески в месте его крепления. Дня достижения указанного эффекта ПС, состоящий из отрезка троса 1, расположенного полукольцом, дополнен Г-образным рычагом 6. Отрезок троса одним концом крепится с помощью соединительного зажима 2 на несущем тросе 3, а другим - с помощью питающего зажима 4 к контактному проводу 5. Одна сторона Г-образного рычага закреплена с помощью соединительного зажима на несущем тросе, а другая - посредством звеньевой струны 7 и струновых зажимов 8 - с контактным проводом. При этом рычаг расположен в плоскости, угол наклона которой по отношению к плоскости контактной подвески находится в диапазоне от 90 до 120°, а ось вращения Г-образного рычага совпадает с осью несущего троса. Г-образный рычаг крепится к несущему тросу с помощью питающего зажима таким образом, чтобы обеспечить скручивание несущего троса вокруг своей оси, создавая вращающий момент в вертикальном направлении. Длина рычага и звеньевой струны определяется расчетным путем.
Рисунок 5 - Поперечный электрический соединитель рычажного типа: а - схема подключения; б - общий вид
При нажатии токоприемника на контактный провод за счет вращающего момента, создаваемого несущим тросом, происходит поворот рычага в вертикальном направлении и обеспечивается беспрепятственное перемещение контактного провода вверх.
Подбор параметров предлагаемой конструкции поперечного соединителя позволяет обеспечить равномерную его эластичность во всем диапазоне перемещений контактного провода, что значительно улучшает эластичность контактной подвески в целом.
На рисунке 6 приведены эпюры эластичности ПС рычажного типа и обычного ПС.
Эластичность предлагаемого ПС рычажного типа позволит токоприемнику проходить участок контактной подвески при вдвое уменьшенном контактном нажатии, чем при обычном ПС, что свидетельствует о снижении значения жесткости в точке крепления ПС и выравнивании эластичности в пролете контактной подвески. Использование предложенного ПС предполагается в местах локального выравнвания эластичности контактной подвески, требующих особого внимания (воздушные стрелки, сопряжения, средние анкеровки). Поэтому настройка данного ПС не будет вызывать значительных трудностей в процессе эксплуатации.
На рисунке 7 приведены значения эластичности в характерных точках пролета //mm, //max, '/mid - минимальной, максимальной и под струной в середине пролета. Дополнительно приведены коэффициенты неравномерности эластичности кэ, относительной неравномерности U и неравномерности относительно максимального значения в середине пролета под струной
4.0 даН 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0.0
Обычный ПС
хЧ
ПС рычажного
типа --1-1-
110
115
120
125
130
140
Рисунок 6 - Сравнение эпюр эластичности ПС рычажного типа и обычного ПС
кэ = 1,70
С ПС рычажного типа U - 25,85% Z90 Umid = 3,31%
кэ = 2,24 Без ПС U = 38,32% Umid = 3,65%
Рисунок 7 - Сравнение эпюр эластичности в переходном пролете сопряжения: а - с установкой ПС рычажного типа; б - без установки ПС
Значения коэффициентов определяются формулами:
п1 ах .
к =
и = Ппюх 77111111-100%; ^
^7тах '7т,п
Umid = 1]m,d ~77111111 • 100%. ^
^mid + min
Рассмотренные выше меры по повышению качества токосъема в переходных пролетах сопряжений анкерных участков относятся в большей степени к совершенствованию расчетов и конструкции рассматриваемых сопряжений контактных подвесок. Однако следует отметить, что качество токосъема зависит также от конструкции и параметров токоприемников, эксплуатирующихся на данном участке. Следовательно, повысить качество токосъема можно, рассматривая данную проблему относительно конструкции токоприемников электроподвижного состава.
В ОмГУПСе длительное время ведутся работы по проектированию и эксплуатации токоприемников, оснащенных системой автоматического регулирования нажатия [6]. Длина конструктивной переходной зоны (участок переходного пролета, в котором токоприемник движется по двум контактным подвескам одновременно) в значительной степени зависит от силы нажатия токоприемника. Изменяя величину контактного нажатия при проходе токоприемника по сопряжению, можно добиться уменьшения разброса контактного нажатия и скорости распространения поперечной волны в переходном пролете.
По результатам исследования влияния нажатия токоприемника при проходе сопряжений на качество токосъема даны рекомендации по совершенствованию конструкции системы автоматического регулирования для токоприемника АИСТ, разрабатываемого ОмГУПСом в рамках проекта «Разработка и организация высокотехнологичного производства нового магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» (договор № 13.G25.31.0034 от 7 сентября 2010 г.), реализуемого при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
В качестве датчика приближения сопряжения рекомендуется использовать видеорегистратор, оснащенный программным обеспечением для распознавания видеоинформации «Тех-носканер» (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2008612517 от 21.05.08 / О. А. Сидоров, В. М. Павлов, А. Н. Смердин, А. С. Голубков. Программное обеспечение для распознавания видеоинформации «ТехноСканер 2.0»), Это позволит автоматически подавать сигнал в систему авторегулирования о приближающемся сопряжении по наличию компенсаторных грузов и двух контактных подвесок. Регулирование нажатия токоприемника будет осуществляться автоматически на основе анализа текущей ситуации: скорости движения электроподвижного состава, типа сопряжения и контактной подвески, интенсивности искрения, значения силы нажатия токоприемника при подходе к сопряжению и т. д.
В заключение можно сделать вывод о целесообразности применения разработанных мер по совершенствованию расчетов и конструкций сопряжений анкерных участков и токоприемников электроподвижного состава как в проектных организациях, так и в условиях эксплуатации для обеспечения надежного, экономичного и экологичного токосъема в переходных пролетах сопряжений анкерных участков цепных контактных подвесок.
Список литературы
1. Вологин, В. А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети [Текст] / В. А. Во-логин. - М.: Интекст, 2006. - 256 с.
2. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи: Учебник [Текст] / В. П. Михеев. М.: Маршрут, 2003. - 416 с.
3. Кудряшов, Г. В. Проектирование контактных подвесок на основе статических конеч-ноэлементных моделей [Текст] // Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации
контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта: Сб. науч. ст. с между-нар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - С. 196 - 206.
4. Кудряшов, Е. В. Метод расчета эластичности контактной подвески на основе простой конечноэлементной модели. Измерения эластичности [Текст] / Е. В. Кудряшов, С. В. Заренков, О. А. Ходунова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№4(8).-С. 16-26.
5. Пат. № 110343 на полезную модель (РФ), МПК В 60 М 1/225. Поперечный электрический соединитель контактной сети / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, И. Е. Чертков, С. В. Заренков, А. В. Тарасенко, Е. М. Дербилов. Заявлено 20.05.2011; Опубл. 20.11.2011. Бюл. № 32.
6. Пат. № 83970 на полезную модель (РФ), МПК В 60 Ь 5/00, В 60 Ь 5/02. Токоприемник электроподвижного состава / О. А. Сидоров, И. Е. Чертков, А. Е. Аркашев, Е. М. Дербилов. Заявлено 15.12.2008; Опубл. 27.16.2009. Бюл. № 18.
УДК 629.47:658.2
С. М. Овчаренко, П. С. Корнеев, В. А. Четвергов
ВЛИЯНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ НА РАСХОД ТОПЛИВА ДИЗЕЛЕМ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
В статье приведены результаты исследования параметров переходных процессов тепловозного дизеля ПД1М. Получена теоретическая модель расчета коэффициента влияния переходных процессов дизеля на расход топлива. Исследовано влияние количества переходных процессов на расход топлива по результатам опытных поездок.
Эксплуатация маневровых локомотивов связана с частой сменой режима работы дизель-генераторной установки (ДЕУ). По данным источника [1] общая продолжительность работы дизеля маневрового тепловоза на переходных режимах может достигать 20 - 40 % от общего времени работы. Анализ экспериментальных данных, полученных по нескольким локомотивным депо промышленного железнодорожного транспорта, позволяет утверждать, что за 10 - 12 ч работы маневрового локомотива количество переключений п позиций контроллера машиниста (переходных процессов) может достигать 2500 (рисунок 1).
0,25 -
0,2
0,15
0,1
£
0,05
100 340 580 820 1060 1300 1540 1780 2020 ед. 2500
Рисунок 1 - Диаграмма распределения количества переключений позиций контроллера машиниста за смену для маневрового локомотива
п =1041 а = 441
