РЕФЕРАТ
Тема: Разработка иисследования авторегулируемого токоприемника
Алматы, 2008
Повышениескорости электроподвижного состава существенным образом влияет на качествотокосъема при сохранении неизменными взаимодействующих устройств-токоприемника и контактной сети.Объясняется это тем, что главные составляющие контактного нажатия (нажатие вконтакте полоз токоприемника — контактный провод) — динамическая и аэродинамическая — пропорциональны квадратускорости движения э. п. с.
Токосъемпри высоких скоростях движения и неоптимальных параметрах взаимодействующихустройств характеризуется большими и резко изменяющимися в процессе движениязначениями контактного нажатия. Это уменьшает срок службы контактного проводаиз-за появления местных износов и усиления помех приему радио и телевизионных сигналов в зоне электрифицированной железнойдороги.
Повыситькачество токосъема, т. е.стабилизировать и понизить контактное нажатие до оптимального уровня, можноулучшением параметров и конструктивного выполнения как контактной сети, так итокоприемника или обоих устройств вместе. Решается это различными способами.
Высокоскоростноедвижение электроподвижного состава в нашей стране будет внедряться на линиях,контактная сеть которых была спроектирована, исходя из максимальной скоростидвижения 160, а иногда и 120 км/ч. В этих условиях для надежного токосъема, атакже во избежание дорогой, трудоемкой и требующей большого количества«окон» в движении поездов модернизации контактной сети наиболеецелесообразны разработка и применение токоприемника, который позволяет обойтисьбез переустройства контактной сети. Такое наиболее экономичное решение длянадежного токосъема при скоростях движения поезда до 200 км/ч на линии Москва — Ленинград, на ряде участков которой несколько десятилетий назадсмонтирована полукомпенсированная рессорная контактная подвеска, было положенов основу разработок ВНИИЖТа.
Первымэтапом этой работы было определение основных технических требований ктокоприемнику, т. е. определение допустимого значения приведенной массы,диапазона статического нажатия, характера изменения аэродинамической подъемнойсилы, количества рядов контактных элементов на полозе и.т. д.
Допустимоезначение приведенной массы устанавливали экспериментально, серией поездок стокоприемниками разной приведенной массы (в диапазоне от 24,5 до 43 кг) по участкам контактной подвески с разными стрелами провеса контактного привода и с различныминатяжениями проводов. Запись длительностей нарушений контакта между полозом ипроводом и отжатий контактного провода проходящими токоприемниками позволилаопределить, что на участках постоянного тока, оборудованныхполукомпенсированной рессорной контактной подвеской, при скоростях движения 200 км/ч применение на электропоездах токоприемников со средней приведенной массой свыше 26 км недопустимо.
Оптимальноезначение статического нажатия определяли исходя из условий минимального изнашиванияконтактных элементов полоза, чему, очевидно, соответствует минимальноеизнашивание контактного провода. Длительные линейные испытания показали, чтоминимальное изнашивание контактных элементов полоза происходит при статических'нажатиях в зоне 90 Н. Было принято, что рабочее статическое нажатие должнонаходиться в диапазоне 80—110 Н (в ФРГ, например, для токоприемниковвысокоскоростного э. п. с. постоянного тока статическое нажатие принято равным90—120 Н).
С ростомскорости движения и увеличеньем инерционных сил контактное нажатие в моментыпоявления отрицательных динамических составляющих может оказаться равным нулю,т. е. контакт между полозом токоприемника и проводом нарушается. Дляпредупреждения таких явлений целесообразно увеличение аэродинамическойподъемной силы токоприемника.
Оптимальнаяхарактеристика аэродинамической подъемной силы должна быть такой, чтобыэффективно влиять на сокращение длительности отзывов полозов от провода и невызывать увеличения изнашивания элементов скользящего контакта и появлениятаких отжатий контактного провода, при которых возможны аварийные ситуации. Назначение аэродинамической подъемной силы существенным образом влияет месторасположения токоприемника на электроподвижном составе (удаление от лобовойстенки локомотива), а также скорость и направление ветра.
Расчетнымпутем с использованием результатов испытаний в аэродинамической трубе и налинии ряда токоприемников было установлено, что аэродинамическая подъемная силатокоприемника в горизонтальном встречном потоке воздуха, имеющем скорость 55,6м/с, должна равняться 70—80 Н.
Наэлектропоезде ЭР200 токоприемник не будет снимать ток свыше 800 А. Проведенныеранее автором линейные тепловые испытания различных полозов наэкспериментальном кольце ВНИИЖТа, где обеспечивалось высокое постоянствонагрузки, позволили установить [1], что в данном случае на токоприемникедостаточно применение одного полоза с тремя рядами пластин (медных,металлокерамических или угольных); при этом превышение температуры пластин(вставок) над температурой окружающего воздуха не окажется большерегламентированного ГОСТ 12058—72. «Токоприемники электроподвижногосостава магистральных железных дорог».
Такимибыли основные технические требования к токоприемнику электропоезда ЭР200.
Наибольшуютрудность при разработке нового токоприемника представляло обеспечение малойприведенной массы, так как диапазон высот подвешивания контактного провода наэлектрифицированных дорогах постоянного тока колеблется от 5550 до 6800 мм.
Конструктивноерешение задачи было найдено созданием токоприемника в виде двух подвижныхсистем, расположенных одна над другой. В токоприемнике использован принципавторегулирования: при наличии пневматических элементов верхняя подвижная — система управляет нижней.
Однаконижняя система приходит в движение только при значительных перемещениях верхней(т. е. при больших изменениях высоты подвешивания контактного провода). Прималых перемещениях верхней системы, когда высота подвеса контактного проводаизменяется не более чем на ±300 мм относительно его положения, соответствующегосреднему положению верхней системы, нижняя система остается неподвижной.
Конструктивноверхняя подвижная система выполнена в виде двух пятизвенников, нижняя — в видедвух параллелограммов. Каждая система имеет свой привод. В отличие от обычногодля токоприемников привода, примененного в верхней системе, в привод нижнейсистемы включен золотник 15 шток которого механически связан посредством тяг с однимиз главных валов 18 верхней системы. Нахождение поршня в средней частизолотника обеспечивает перекрытие воздухопровода поэтому при малом перемещенииполоза, а следовательно, и поршня нижняя система не изменяет своего положения.
Прибольшом подъеме рам верхней системы поршень золотника, перемещаясь вправо,открывает доступ сжатому воздуху в пневматический цилиндр 13, и рамы нижнейподвижной системы также поднимаются. Подъем нижних рам продолжается до тех пор,пока поршень золотника, перемещаясь влево (из-за подъема этих рам принеизменной теперь высоте полоза), не перекроет канал воздухопровода 16. Вслучае большого опускания рам верхней системы поршень золотника начинаетсмешаться влево и тем самым в определенный момент обеспечит связь пневматическогоцилиндра 73 через золотник с атмосферой; в результате подвижные рамы нижнейсистемы опускаются (до тех пор, пока поршень золотника, перемещаясь вправовследствие распускания рам верхней системы, не перекроет канал воздухопровода16).
Приведеннаямасса авторегулируемого токоприемника равна сумме приведенной массы верхнейподвижной системы и массы полоза. Это очевидно, когда нижняя системанеподвижна, а для переходного режима, когда нижняя система изменяет свою высоту(например, при проходе токоприемником искусственного сооружения с низкимрасположением контактного провода), это надо доказать.
Специальнымитеоретическими [2], а затем и экспериментальными исследованиями [3] былодоказано, что и в переходном режиме можно исключить влияние массы нижнейподвижной системы на динамику контакта, если обеспечить определенную скоростьперемещения этой системы.
Дляэтого исходя из массы рам нижней подвижной системы, объема цилиндра еепневмопривода и максимальной скорости движения э. п. с. достаточно рассчитатьплощадь окна золотника. При оптимальном сечении окна на значение приведенноймассы авторегулируемого токоприемника в переходных режимах, так же как и принеизменном положении нижней системы, не влияет значение массы нижней системы.
Стержнирам верхней подвижной системы авторегулируемого токоприемника в 2 раза корочестержней рам серийных токоприемников. Поэтому и приведенная масса этой системыпримерно в 2 раза меньше приведенной массы рам токоприемников П-1, П-3, Т-5,составляя 9,5 кг. Приведенная масса всего авторегулируемого токоприемникаСп-6М, оборудованного полозом с четырьмя рядами медных пластин (такоеколичество рядов принято для увеличения пробега полоза до предельного износапластин), равна 24,5 кг, а это меньше массы, определенной техническимитребованиями.
Здесьследует отметить, что несколько позднее двухступенчатые(«двухэтажные») токоприемники были разработаны и во Франции (фирмойФэвлей). Однако в отличие от токоприемника, разработанного во ВНИИЖТе, втокоприемнике фирмы Фэвлей авторегулирование не применимо и стабилизацияположения нижней системы осуществляется только достаточно мощным демпфером. Притаком выполнении приведенная масса складывается не только из массы полоза иприведенной массы верхней системы, но и части приведенной массы нижней системы.Это доказывается, в частности, тем, что средние значения отжатий контактногопровода у опор и размаха вертикальных перемещений полоза в пролетах прискоростях свыше 215—263 км/ч оказались в основном больше, чем при испытанияходной верхней системы, установленной на крыше электровоза на неподвижномосновании. Это говорит о целесообразности применения авто регулирования вдвухступенчатых токоприемниках при применении их на высокоскоростном электроподвижномсоставе.
Линейныеиспытания макетов токоприемников с разными полозами показали, что непременнымусловием обеспечения стабильного контакта между полозом и контактным проводомявляется расширение полоза по крайней мере до 400 мм. В авторегулируемых токоприемниках типов ТСп-1М и Сп-6М ширина полоза принята равной 440мм
В первыхобразцах авторегулируемого токоприемника каретка была выполнена с применениемпакетов листовых пружин, что объяснялось их демпфирующими свойствами,способствующими гашению высокочастотных колебаний. Однако впоследствии листовыепружины из-за их усталостных разрушений были заменены на спиральные и кареткастала иметь вид, показанный на рис. 11.
Важнойособенностью авторегулируемых токоприемников является их способностьавтоматически опускаться при ударе полоза движущегося э. п. с. о какое-либопрепятствие на контактном проводе. Действие этой системы основано на нарушениисимметрии верхней подвижной системы в результате удара. Вследствие этого при любомискажении симметрии поршень золотника смещается в ту сторону, при которойнижняя подвижная система опускается.
Испытаниятокосъема на электропоезде ЭР200, проводившиеся неоднократно (сначала наполигоне Белореченская — Майкоп, а затем на линии Москва — Ленинград),позволили оценить качество контакта токоприемника с проводом при различныхконтактных подвесках (компенсированных, полукомпенсированных, рессорной,рычажной) и разных скоростях движения. Эти испытания показали, что во всехслучаях передний токоприемник имеет более устойчивый контакт с проводом, чемпоследний; например, на участках с типовой рессорной компенсированной подвескойнаибольший коэффициент отрыва для переднего токоприемника составил 0,2 %, а дляпоследнего 0,3—0,4 %.
Наибольшаястабильность контакта при максимальной скорости движения наблюдалась пристатическом нажатии 90—110 Н. В этом случае при скорости движения 210 км/ч по участкам с компенсированными подвесками коэффициент отрыва не превышал 0,08 и 0,26 %соответственно для первого и третьего токоприемников. Для последнеготокоприемника несколько больший коэффициент отрыва зарегистрирован на участкахс полукомпенсированными подвесками, искусственно введенными в режиммаксимальной и минимальной температуры окружающего воздуха соответственно 0,31и 0,40 %. Последние значения свидетельствуют, что авторегулируемыетокоприемники (нормально запараллельные на электропоезде между собой)обеспечивают надежный токосъем при скоростях до 200 км/ч не только на участках с компенсированными, но и с полукомпенсированными контактнымиподвесками.
Приопытных поездках электропоезда посредством датчиков, смонтированных на опорахконтактной сети (на стационарных и временных специально установленных всерединах и четвертях пролетов), были измерены отжатия контактных проводовпроходящими токоприемниками. Результаты этих измерений представлены на рис.12.зависимостью Ah (v).
Еслиучесть, что типовые сочлененные фиксаторы контактной сети постоянного токадопускают отжатие контактного провода 300 мм (а в некоторых случаях и более) при компенсированной подвеске и 275 мм при полукомпенсированной в режиме наинизшейтемпературы окружающего воздуха (—40° С), то на основании приведеннойзависимости можно сделать вывод, что во всех случаях типовые сочлененныефиксаторы обеспечивают надежный проход авторегулируемых токоприемников,установленных на электропоезде ЭР200.
Такиерезультаты испытаний токосъема явились основанием для отказа от планировавшейсяранее замены полукомпенсированной подвески в компенсированную на ряде перегонови станций линии Москва — Ленинград.
Динамическоеисследование авторегулируемого токопртемника в переходном режиме
В последниегоды в связи с дальнейшим возрастанием скоростей движения электроподвижногосостава актуальное значение приобретает динамическое исследование токоприемникадля определения влияния отдельных параметров его на качество токосъема иоптимизации их. Одним из решений проблемы токосъма при высоких скоростяхдвижения является применение двухступенчатого авторегулируемого токоприемника.
Даннаястатья посвящена динамическому исследованию авторегулируемых токоприемников впереходном режиме, т. е. когда одновременно срабатывают верхняя и нижняяступени, и авторегулируемый токоприемник можно рассматривать как механизм спятью степенями подвижности. Обобщенными координатами такого механизма будутгоризонтальное х0и вертикальное у0перемещения основаниятокоприемника, угловое перемещение нижней системы j, абсолютное вертикальное перемещениеверхнего шарнира В верхней системы уВ и абсолютное вертикальное перемещение подрессоренного полозауд.
Длядинамического исследования переходного режима воспользуемся уравнением Лагранжавторого рода.
/> (1.19)
где Т-кинетическая энергия токоприемника; П -потенциальная энергия упругихэлементов; qі— обобщенная координата; Qi-отнесенная к обобщенной координатесила или момент.
Требуетсяопределить приведенные к обобщенной координате силы и моменты. Для этогосоставим уравнение суммарной мощности всех действующих на токоприемник сил и моментов.
Воздействиекузова на основание токоприемника заменяем силой реакции R0, составляющиекоторой />. С учетом этого суммарная мощность N
/>( 1.20)
где РN — контактное нажатие; />аэродинамическая подъемнаясила полоза; /> приведенная к точке Ваэродинамическая подъемная сила верхней ступени; />приведеннаяк точке В сила трения верхней ступени; ТВ — сила натяжения подъемных пружин верхней системы;
tЦ — сила возвратной пружиныпневмоцилиндра; РЦ — силадавления воздуха на поршень пневмоцилиндра; fЦ — сила трения в пневмоцилиндре; Мтр.н — момент от сил трения на главныхосях нижней ступени; Маэ.н—момент на оси нижней ступени от аэродинамического воздействия встречноговоздушного потока; Gп — масса полоза; Gl, G2, G3, G4, — масса звеньев; />вертикальныескорости в точках соответственно А, В, Д, S., S2, S3, S4; a — угол между стержнем AM и горизонталью; Q— угол между стержнем AM и рычагом подъемной пружины верхней системы.
Следуетотметить, что в уравнении (2) знаки перед силами трения /> и fЦ, а также моментом трения Мтр.н должны выбираться такими, чтобы мощности всегда былиотрицательными, так как для их преодоления требуются дополнительные затратыэнергии. Так, при движении верхней системы вниз (/>вотрицательна), при движении поршня пневмоцилиндра справа налево (/>-отрицательна), а нижнейсистемы по часовой стрелке (j отрицательна) ониберутся со знаком плюс, при противоположных направлениях движения — со знакомминус. При движении электроподвижного состава в указанном на рис.13 направлении(влево) Маэ.н нужнобрать со знаком минус, в противоположном направлении — со знаком плюс.
Параметрыпружины (ее жесткость с, длина рычага r и угол Q между рычагами пружин и нижних рам) подбираются так,что момент от сил натяжения ТВотносительно главных осей верхней ступени при любой рабочей высотеуравновешивает момент относительно этих же осей от сил массы звеньев и полоза,а также некоторой оптимальной силы статического нажатия Рсm, приложенной в точке В. На основании этого из построенного повернутого планаскоростей верхней ступени ( рис. 14 ) с применением теоремы Жуковского суммавсех моментов относительно точки Р равна
/>
Умноживобе части этого уравнения на масштаб плана скоростей и приняв во внимание, что
/>
получим
/>
Если вэтом выражении все скорости выразить через обобщенные скорости, то послесоответствующих математических преобразований
/>
где Rц — длина рычага, к которому присоединен шатун отпневмоцилиндра; />— угол междустержнем нижней подвижной системы и рычагом, к которому присоединен шатун отпневмоцилиндра; d—угол между штоком пневмоцилиндра и шатуном; l- отношение расстояния между шарниром О и центром массS1 стержня нижней ступени к полной длине этого стержня l1.
В этомвыражении коэффициент перед обобщенными скоростями представляет собой силы,приведенные к соответствующим обобщенным координатам, входящим в уравнениеЛагранжа второго рода, т. е.:
/>
/>
/>
/>
/>
где GB.С — полная масса верхней ступени сподвижным основанием
GB.C=GП+2G4+2G3+G2
Полученныезначения приведенных к обобщенным координатам сил в дальнейшем можноиспользовать в динамической модели двухступенчатого авторегулируемоготокоприемника.
Порядокдинамического расчета компенсированных контактных подвесок скорстных и высокоскоростныхмагистралей
Расчетыкомпенсированной подвески предлагается проводить в следующей последовательности
1)особенности конструкции варианта, задаваемые параметры, значения скоростидвижения поезда и токовых нагрузок;
2) определение погонных нагрузокпроводов подвески с учетом заданных метеоданных;
3) определение стрел провеса несущихтросов и контактных проводов для заданных натяжений в нормальном режиме;
4) определение стрел провеса несущихтросов и контактных проводов для заданных натяжений при гололеде;
5) определение длин пролетных струнзаданных параметров подвески;
6) определение предварительных провесоврессорных струн при заданных параметрах подвески;
7) определение допустимости ветровыхотклонений контактной подвески при заданных параметрах и изменениях натяженийпроводов (или допусков);
8) определение жесткости подвески впролете для заданных параметров подвески;
9) оценка влияния изменений параметров жесткости подвески накритерии ее оптимальности для различных вариантов;
10) проверка вариантов подвески покритическим скоростям и коэффициентам надежности и экономичности;
11) оценка влияния на критерииоптимальности жесткости подвески количества и расположения струн;
12) проверка вариантов количества ирасположения струн на критические скорости и коэффициенты надежности иэкономичности;
13) выявление оптимального вариантаподвески с определенными параметрами;
14) определение для оптимального вариантаподвески:
а) стрелпровеса несущего троса;
б) длинструн и вспомогательных тросов рессорных струн;
в) коэффициентаэкономичности;
г) ветровыхотклонений;
15) проверка необходимости мероприятий по предотвращению автоколебанийоптимального варианта подвески.
Предлагаемыйпорядок работ по созданию подвесок контактной сети для скоростей 250—300 км/чсвязан с выбором конструктивных решений и расчетами рациональных статических идинамических характеристик из условий надежного и экономичного взаимодействия стокоприемниками Варианты последовательного выполнения условий подобных методовбыли разработаны и применены в ОмГУПС при расчете скоростной ПКС постоянноготока КС-200.
Предлагаемаяпоследовательность расчетов является разделом рассмотренного порядка созданияПКС и базируется на том, что характеристики и параметры современных скоростныхПКС априорно нормированы. К примеру, длина пролета 65 м; рессорный трос от 16 до 22м; число струн в пролете от 6 до 14шт.; натяжения проводов и тросовпорядка 10—27 кН.
Расчетыкомпенсированной ПКС предлагается проводить с определением коэффициентовэкономичности и надежности; проверок на ветроутойчивостъ и гололед, с учетом параметровтокоприемника и т.д.