Совершенствование токоприемников на основе моделирования их взаимодействия с контактными подвесками

• Автор: Ефимов, Денис Александрович
• Шифр специальности: 05.22.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 162 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Обзор и анализ методов моделирования взаимодействия токоприемника с контактной подвеской
1.1. Обзор тематической литературы
1.2. Проблемы, решаемые при исследовании взаимодействия токоприемника с
контактной подвеской
1.3. Цели моделирования
1.4. Модели контактной подвески
1.5. Выводы и задачи по совершенствованию моделей
2. Развитие концепции обеспечения качества токосъема
2.1. Критерий качества токосъема
2.2. Регулирование нажатия токоприемника с учетом термодинамических процессов в паре трения «контактный провод — токосъемная пластина»
2.3. Экономическая эффективность применения регулирования статического нажатия токоприемника с учетом термодинамических процессов в паре трения
«контактный провод - токосъемная пластина»
3. Исследование пары трения «контактный провод - токосъемная пластина».
3.1. Физические процессы, происходящие в паре трения «контактный провод — токосъемная пластина»
3.2. Исследование вольтамперных характеристик пары трения «контактный
провод - токосъемная пластина»
3.2.1 .Результаты эксперимента
4. Моделирование взаимодействия контактной подвески и токоприемника
4.1. Моделирование статических процессов
4.1.1. Статическая характеристика токоприемника
4.1.2.Статическая характеристика каретки
4.1.3.Методика расчета привода токоприемника с регулируемой статической характеристикой
4.1.4. Учет изгибной жесткости проводов контактной подвески
4.1.5.Расчет геометрии цепной контактной подвески с учетом изгибной жесткости проводов
4.1.6. Расчет эластичности цепной подвески с учетом изгибной жесткости
проводов
4.2. Моделирование динамических процессов при взаимодействии контактной подвески и токоприемника
4.2.1. Составление модели контактной подвески
4.2.2.Методика составления динамической модели токоприемника
4.2.3.Модель токосъемного устройства
4.2.4.Результаты моделирования динамического взаимодействия токоприемника с
контактной подвеской
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ А Справка о внедрении результатов диссертационного
исследования
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Программа эксперимента
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты моделирования динамического взаимодействия токоприемника с контактной подвеской
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Железные дороги занимают особое место в экономике Российской Федерации, оно обусловлено географическими, метеорологическими, историческими и другими факторами, а так же недостаточным развитием и дороговизной альтернативного транспорта. В структуре железных дорог важнейшее место занимают участки с электротягой. Увеличение грузо-и пассажиропотока - актуальная задача, стоящая перед отраслью. Основной путь для ее решения - более широкое применение скоростного и тяжеловесного движения. Одна из главных проблем при этом, увеличение мощности, передаваемой по тяговой сети. В этих условиях повышается токовая нагрузка на системы энергоснабжения, тяговую сеть, а так же на токоприемники подвижного состава. При скоростном движении, в свою очередь, повышаются динамические усилия, возникающие между контактной сетыо и токоприемниками. Все это приводит к увеличению износа контактных проводов и токосъемных пластин токоприемников.
Развернутая длина контактных проводов в России составляет 145,5 тыс. км, из них 82 тыс. км электрифицированы на постоянном токе. При среднем сроке службы контактного провода на участках постоянного тока равном 34 года ежегодно необходимо заменять 2400 км провода. В результате ежегодные безвозвратные потери меди только на участках постоянного тока составляют 640 т. Пробег металлокерамических контактных вставок составляет 40 тыс. км. При суточном пробеге электровоза 1000 км в год необходимо заменять контактные вставки девять раз [44].
Таким образом, помимо усиления систем энергоснабжения, модернизации тяговой сети встает вопрос о проектировании токоприемников для тяжеловесного и скоростного движения, обеспечивающих надежный и качественный токосъем с минимальным износом в паре трения «контактный провод - токосъемная пластина» (далее по тексту КПТП).

Сравним рассеиваемую энергию в контактной паре для случаев без регулирования статического нажатия токоприемника и с регулированием по ранее полученному закону (9). Как известно, аэродинамическая составляющая контактного нажатия токоприемника пропорциональна квадрату скорости движения [51]. Примем коэффициент пропорциональности равным 0,00096.
В программе MATLAB автором было рассчитано уменьшение рассеивания энергии в контактной паре при регулировании статического нажатия токоприемника, приходящегося на одну токосъемную пластину, по закону (9). Сравнение проводилось с энергией, выделенной при стабильном нажатии токоприемника с учетом аэродинамической составляющей. При этом, в случае с регулированием, аэродинамическая составляющая контактного нажатия считалась скомпенсированной за счет снижением статического нажатия токоприемника.
Динамическая составляющая контактного нажатия — величина случайная и зависит как от скорости движения и величины статического нажатия, так и других факторов. К основным факторам, влияющим на динамическую составляющую, можно отнести неравномерность эластичности контактной подвески и вертикальные перемещения локомотива, вызванные неровностями пути. Динамическая составляющая контактного нажатия описывается нормальным законом распределения. Причем величина среднеквадратичного отклонения в диапазоне скоростей от 0 до 160 км/ч изменяется линейно от 0 до примерно 40 I I [97]. При расчете максимальное нажатие было принято 90 Н, а минимальное изменялось в зависимости от скорости движения по формуле

Р — р _i_ тах
1 пип ' у ’

где <тП1ач - среднеквадратическое отклонение контактного нажатия при максимальной скорости, Н;
Ртах~~ максимальная скорость движения, км/ч.