Асимметричный токоприёмник с улучшенными динамическими показателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат наук Ецков Тимофей Александрович

• Ецков Тимофей Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ецков Тимофей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Обзор и анализ литературных источников по теме исследования

1.2 Общие сведения о токоприёмниках

1.3 Динамические показатели токоприёмника

1.4 Формулировка целей и задач исследования, рабочей гипотезы

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОКОПРИЁМНИКА

2.1 Методы и средства исследования. Общие принципы построения численной модели

2.2 Моделирование механической системы токоприёмника

2.3 Моделирование аэродинамической подсистемы механической системы токоприёмника

2.4 Электрическая система токоприёмника

2.5 Сравнение численной модели токоприёмника с аналогами и её

ограничения

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ТОКОПРИЁМНИКЕ

3.1 Исследование аэродинамических сил

3.2 Исследование статического контактного нажатия

3.3 Исследование влияния аэродинамических сил на контактное нажатие

3.4 Исследование влияния аэродинамических сил на силы реакций в шарнирах

3.5 Исследование электрических процессов в контакте «полоз токоприёмника - контактный провод»

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОКОПРИЁМНИКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1 Разработка алгоритма проектирования токоприёмника

4.2 Анализ результатов. Рекомендации по модернизации токоприёмников с кулисным механизмом шарнира нижней тяги на основании

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ ТОКОПРИЁМНИКА С КУЛИСНЫМ МЕХАНИЗМОМ, ВЫПОЛНЕННЫХ В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ МБСАБАМБ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ВНЕШНИЙ ВИД ТЕЛ, СОСТАВЛЯЮЩИХ

ТОКОПРИЁМНИК В ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ

ПРИЛОЖЕНИЕ В СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г АППРОКСИМАЦИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ КРЫЛЬЯ И ПОДВИЖНЫЕ РАМЫ ТОКОПРИЁМНИКА

ПРИЛОЖЕНИЕ Д РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРИЁМНИКА С КУЛИСНЫМ МЕХАНИЗМОМ

ШАРНИРА НИЖНЕЙ ТЯГИ НА ОСНОВАНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Е РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРИЁМНИКА С НЕПОДВИЖНЫМ ШАРНИРОМ НИЖНЕЙ ТЯГИ НА ОСНОВАНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж РЕЗУЛЬТАТЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ТОКОПРИЁМНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ И АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Асимметричный токоприёмник с улучшенными динамическими показателями»

ВВЕДЕНИЕ

Обоснование выбора темы. Развитие железнодорожного машиностроения относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Указ Президента РФ № 899 от 07.07.2011 г. [1], тема № 7). Одной из важных задач в железнодорожном машиностроении является обеспечение на железнодорожном электроподвижном составе надёжного и экономичного токосъёма, особенно при высоких скоростях движения у пассажирского подвижного состава. В связи с необходимостью дальнейшего повышения скорости движения требуется разработка новых токоприёмников (далее - ТП) с улучшенными динамическими показателями (аэродинамической характеристикой, динамическим контактным нажатием полоза на контактный провод и др.), являющихся тяговыми электрическими аппаратами в соответствии с термином 13 ГОСТ 19350 [2]. Эта проблема обуславливает необходимость её углублённого исследования и определяет научный интерес к выбранной теме.

Актуальность темы исследования. Транспортное машиностроение -динамично прогрессирующая область народного хозяйства. Её развитие ставит задачи, которые обостряют старые (традиционные) проблемы и требуют решения ряда новых. При этом методы решения многих задач имеют ограничения, которые зачастую связаны с текущим состоянием науки, техники и технологий. Развитие техники позволило существенно увеличить точность и полноту численных моделей, разрабатываемых при проектировании и конструкторском сопровождении технических объектов. Такие модели позволяют прогнозировать свойства (показатели) объекта при изменении параметров описывающей его модели и, как следствие, находить оптимальные значения параметров и реализовывать их в наилучшей конструкции объекта. Это особенно актуально в отраслях, где предъявляются повышенные требования к техническим объектам, в том числе - в транспортном машиностроении.

Согласно стратегии развития железнодорожного транспорта в России до 2030 года планируется создать Национальную систему высокоскоростного движения. В настоящее время на линии Санкт-Петербург - Москва эксплуатируется высокоскоростной поезд «Сапсан» (скорость движения 200 км/ч, а на отдельных участках - до 250 км/ч), на линии Санкт-Петербург - Хельсинки -высокоскоростной поезд «Аллегро» (скорость движения 200 км/ч). Планируется строительство Высокоскоростной железнодорожной магистрали - ВСЖМ № 1 (Москва - Санкт-Петербург) только для движения высокоскоростных поездов и ВСМ № 2 (Москва - Екатеринбург) [1 - 5].

Увеличение скоростей движения электроподвижного состава приводит к росту аэродинамического и динамического воздействия на тяговый электрический аппарат - ТП электроподвижного состава, а увеличение мощности вновь разрабатываемого электроподвижного состава - к увеличению значений снимаемых токов. Это обуславливает снижение качества токосъёма: увеличивается износ контактирующих элементов и как следствие - усиливается загрязнение окружающей среды продуктами их износа; снижается надёжность работы системы токосъёма; возрастает аэродинамический шум; растут эксплуатационные расходы на обслуживание контактной сети и ТП.

Поэтому задачи совершенствования методов расчёта ТП с улучшенными динамическими показателями и разработки технических решений, позволяющих осуществлять съём допустимого длительного тока одним ТП при скорости движения 200 км/ч и более, являются актуальными.

Наиболее рациональное решение вышеуказанных задач возможно только с применением методов численного моделирования и современных вычислительных средств, следовательно - с использованием численных моделей. Применение численных моделей на этапе проектирования ТП позволяет получить ответы на целый ряд вопросов без создания макетного образца ТП и проведения дорогостоящих и длительных экспериментов. Как указывают признанные специалисты [6], расчётные численные модели полезны при разработке новых

систем с увеличенными требованиями к исполнению, поскольку области проведения тестов и испытаний ограничены.

Кроме того, поскольку специализированное программное обеспечение (ПО), предназначенное для расчёта параметров ТП (например, PACAT фирмы Faiveley Transport), является коммерческой тайной компаний-разработчиков ТП и недоступно сторонним исследователям, для отечественных производителей разработка собственного ПО для расчёта ТП или численного моделирования ТП на базе существующего ПО является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. В России разработкой численных моделей ТП и контактных подвесок занимаются: АО «ВНИИЖТ», ОАО «ВЭлНИИ», АО «Универсал - контактные сети», Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС), Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)), Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС) и другие научные и производственные организации. За рубежом этим вопросом занимаются Production (совместно с Миланским политехническим институтом - PolIMi, Италия), Faiveley Transport Lekov (Франция, Чехия), Siemens/MElecS (Австрия), Schunk (Германия), Stemmann Technik/Wabtec (Германия, США), Brecknell Willis (Великобритания). Большое внимание уделяется исследованию аэродинамического воздействия на ТП и его взаимодействию с контактной сетью. При этом в численных моделях ТП зачастую представляется упрощённо, а исследованию внутренних процессов в нём уделяется недостаточно внимания. Поэтому численные модели и методы проектирования ТП нуждаются в совершенствовании.

Работы многих отечественных специалистов посвящены различным аспектам проектирования ТП с улучшенными динамическими показателями. Данные вопросы рассматриваются в работах И.А. Беляева, В.А. Вологина, П.Г. Тюрнина, Н.В. Мироноса, В.П. Михеева, Г.П. Маслова, А.В. Ефимова, А.В. Плакса, К.Г. Марквардта, Ю.Е. Купцова, О.А. Сидорова и других авторов.

В работе представлена и обосновывается численная модель асимметричного ТП электроподвижного состава.

Объектом исследования является тяговый электрический аппарат -асимметричный ТП электроподвижного состава.

Предметом исследования являются электрические, механические и аэродинамические процессы в ТП электроподвижного состава при различной скорости движения и высоте подъёма ТП.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции асимметричного ТП с улучшенными динамическими показателями путём его численного моделирования с учётом инерционных характеристик элементов кинематической схемы, сил реакций в шарнирах и аэродинамических сил, действующих на отдельные элементы ТП; совершенствование алгоритма проектирования ТП.

Задачи диссертационной работы:

1) выполнить анализ существующей классификации динамических показателей ТП;

2) разработать численную модель, предназначенную для расчёта электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП;

3) выполнить расчётно-теоретические исследования электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП и оценить влияние различных факторов (скорости движения, высоты подъёма ТП, размеров звеньев ТП) на основные характеристики ТП по ГОСТ 32204 [7] (статическое контактное нажатие, продольное отклонение центра полоза от вертикали, сумма вертикальной составляющей аэродинамической силы на поднятый ТП и активного статического нажатия);

4) разработать ТП с улучшенными динамическими показателями, выполнить необходимые экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности результатов расчётов, полученных по разработанным численным моделям;

5) на основе полученных данных предложить рекомендации по проектированию и испытаниям ТП, по модернизации серийных ТП.

Научная новизна полученных результатов:

1) разработана и обоснована комбинированная численная модель анализа протекающих в ТП физических процессов, отличающаяся от известных тем, что она на основе расчёта аэродинамических и механических полей, одновременного учёта влияния сил тяжести, моментов инерции и аэродинамических характеристик звеньев кинематической схемы, сил реакций и трения в шарнирах позволяет получить электрические и механические характеристики ТП, что значительно сокращает время проектирования ТП и количество необходимых опытных образцов (сходимость расчётных и экспериментальных данных 4,1 %);

2) получены оригинальные аэродинамические характеристики ТП, отличающиеся от известных тем, что при их расчёте учитывались как вертикальная, так и горизонтальная компоненты векторов аэродинамических сил, приложенных к подвижным элементам ТП, а сами аэродинамические силы определялись на сетках с общим числом конечных элементов более 79 млн. (0,5 млн. у существующих моделей). Это позволяет учесть увеличение механических усилий в шарнирах (до 52 % при скорости движения 200 км/ч) и избежать ошибок при выборе подшипников;

3) проведены анализ и исследование механических, аэродинамических и электрических процессов, протекающих в ТП, позволившие выработать рекомендации по выбору оптимальной кинематической схемы и конструктивному исполнению асимметричных высокоскоростных ТП, обеспечивающих высокие значения динамических показателей вновь создаваемых ТП;

4) предложен усовершенствованный алгоритм проектирования высокоскоростного ТП, отличающийся тем, что при выборе подшипников шарниров используются значения сил реакций в шарнирах, полученные с одновременным учётом сил тяжести и моментов инерции подвижных рам и аэродинамических сил, значительно повышающий достоверность результатов проектирования, что в конечном итоге снижает затраты на проектирование и сокращает его сроки.

Теоретическая значимость диссертационной работы:

1) разработанная численная модель позволяет расширить знания о механических, аэродинамических и электрических процессах в ТП электроподвижного состава вследствие повышения точности моделирования;

2) обоснована необходимость учёта влияния продольной и вертикальной компонент аэродинамических сил, действующих на отдельные элементы ТП (звенья кинематической схемы), на силы реакций и силы трения в шарнирах, а также на контактное нажатие и, следовательно, на переходное контактное сопротивление, при расчётах ТП с улучшенными динамическими показателями.

Практическая значимость диссертационной работы:

1) выработаны рекомендации по выбору кинематической схемы асимметричных ТП, который является первым этапом разработки ТП с улучшенными динамическими показателями;

2) разработаны предложения по модернизации конструкции существующих ТП с кулисным механизмом, которые могут быть использованы организациями, проектирующими ТП;

3) предложенная численная модель ТП позволяет частично автоматизировать процесс проектирования ТП; определять силы реакции в шарнирах в зависимости от размеров подвижных рам ТП, скорости подъёма/опускания и скорости движения с целью выбора рациональной конструкции шарнирных соединений; осуществлять предварительный подбор аэродинамических компенсаторов (крыльев) перед аэродинамическими испытаниями; определять переходное электрическое сопротивление и температуру в контакте «полоз ТП - контактный провод»;

4) усовершенствованный алгоритм проектирования ТП позволяет находить оптимальную конструкцию ТП (вид кинематической схемы, размеры её звеньев, тип подшипников в шарнирах, обеспечивающие наибольшую износостойкость);

5) результаты численного моделирования аэродинамических характеристик подвижных звеньев ТП (подвижных рам, кареток, полозов,

аэродинамических крыльев), статического контактного нажатия, сил реакций в шарнирах рекомендуется использовать при проектировании, модернизации и испытаниях ТП.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы: системный подход, метод конечных элементов, метод перебора, метод физического моделирования, метод планирования эксперимента, алгебра матриц, аналитическая геометрия, положения теоретической механики, положения прикладной аэродинамики, теория пограничного слоя, численное моделирование на ПЭВМ с использованием программных комплексов «Универсальный механизм 7» и AnSys. Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах ТП с использованием метода планирования эксперимента и подтверждены результатами испытаний на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская - Майкоп» (СКЖД) в 2015 г.

Положения, выносимые на защиту:

1) комплексная численная модель для расчёта электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП электроподвижного состава при различной скорости движения и высоте подъёма ТП;

2) результаты теоретического исследования и анализа электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП;

3) усовершенствованный алгоритм проектирования ТП.

Степень достоверности полученных результатов. Степень достоверности результатов, защищаемых в настоящей работе, обуславливается использованием известных физических закономерностей и апробированных методик, а также подтверждается сходимостью с данными экспериментальных исследований опытных образцов ТП на стенде для проверки статической характеристики и на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская - Майкоп» (СКЖД).

Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались на Всероссийской научно-

практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и ТП электрического транспорта» (г. Омск, 2011 г.); XXIII Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (г. Ялта, 2013 г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «ВЭлНИИ»:

1) при проектировании магистральных ТП тяжёлого типа ТАс 24-НЭВЗ 200 и лёгкого типа ЛАс 25-НЭВЗ 200 с конструкционной скоростью 200 км/ч. Получен патент на полезную модель асимметричного ТП для электроподвижного состава постоянного тока и двойного питания с максимальной скоростью движения до 200 км/ч [8];

2) при аэродинамических испытаниях опытных образцов вышеуказанных ТП на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская - Майкоп» (Северо-Кавказская железная дорога (далее - СКЖД)) для предварительного подбора аэродинамических компенсаторов (крыльев).

ООО «ИНТЕЛПРО ТМХ» планирует использовать результаты диссертационной работы при проектировании высокоскоростных ТП, в т.ч. с конструкционной скоростью движения до 400 км/ч.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 1 6 печатных работ (три без соавторов), в том числе: 11 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК (две без соавторов), один патент на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в разработке численных моделей для расчёта аэродинамического воздействия на подвижные элементы ТП, выполнении с их помощью расчётов аэродинамических сил, анализе и обработке полученных результатов, разработке численной модели механической системы ТП для двух типов кинематических схем асимметричного типа, проведении с их помощью численных экспериментов, анализе полученных результатов, участии в разработке конструкторской документации опытных образцов ТП с конструкционной скоростью движения 200 км/ч, участии в стендовых испытаниях опытных образцов ТП, подготовке основных публикаций по выполненной работе. Предложенные

автором технические решения реализованы в конструктивных решениях совместно со специалистами ОАО «ВЭлНИИ» Л.В. Бадиковой, Т.Ю. Волоховой, И.Л. Кострубиным, П.В. Поповым.

Соответствие паспорту научной специальности. Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам 1 и 5 паспорта специальности 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты:

- формуле паспорта специальности, так как в диссертации рассматриваются вопросы «исследования по физическим и техническим принципам создания и совершенствования... электрических, контактных... аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии», «комплексные исследования научно-технических, производственных проблем проводятся с целью повышения энергетической эффективности, технологичности, экологической и эксплуатационной безопасности аппаратов»;

- областям исследования паспорта специальности, в частности:

пункту 1: «Анализ и исследование физических явлений, лежащих в основе функционирования электрических, электромеханических преобразователей энергии и электрических аппаратов», поскольку в диссертации исследуются механические, аэродинамические и электромеханические процессы, лежащие в основе функционирования электрического аппарата - ТП;

пункту 5: «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надёжность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов», поскольку в диссертации предложен улучшенный алгоритм проектирования ТП.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 174 наименований, восьми приложений. Общий объём работы 307 страниц, включая 121 страницу приложений, 247 иллюстраций и 20 таблиц.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1 Обзор и анализ литературных источников по теме исследования

Вопросы проектирования ТП с улучшенными динамическими показателями и его взаимодействия в системе «ТП - контактная сеть» рассмотрены в работах большого количества авторов [9-117].

Изучение научно-технической и патентной информации показывает, что за период 1987-2017 гг. конструкторские решения в создании ТП шли по двум направлениям: создание симметричных конструкций ТП (пантографов) и асимметричных. При этом к настоящему моменту, фактически, симметричные ТП не разрабатываются ввиду достоинств асимметричных.

Разработкой и исследованием численных моделей ТП с различными кинематическими схемами занимались отечественные специалисты П.Г. Тюрнин, Н.В. Миронос, А.Т. Тибилов, Е.В. Авотин, И.Н. Титух [9, 13], А.О. Шимановский, И.И. Каплюк [14], В.А. Мещеряков, А.Н. Смердин, А.С. Голубков [107], иностранные специалисты Liviu Hacman [19], A. Bautista, P. Pintado [20].

Исследованием взаимодействия ТП с контактной сетью занимались отечественные специалисты Н.В. Миронос, И.Н. Титух, П.Г. Тюрнин [9], Г.Н. Колесников, Д.А. Кувшинов [10], Ю.А. Антонов, К.К. Ким [11],

A.О. Шимановский, И.И. Каплюк [15], А.В. Ефимов, Д.А. Ефимов, А.Г. Галкин, Н.А. Кузнецов, А.В. Паранин [16, 17], Л.В. Бадикова, О.Н. Понасенко, П.В. Попов, П.Г. Колпахчьян, Д.Ю. Погорелов [18], А.В. Плакс [24-28],

B.А. Вологин [25], В.П. Михеев, Г.П. Маслов [26, 29, 30, 33, 54], А.В. Ефимов [39, 43], А.Г. Галкин [42], И.А. Беляев [49], К.Г. Марквардт [32, 58], О.А. Сидоров, А.Е. Аркашев, И.В. Ларькин [108, 113] А.К. Кузнецов [52-57], а также иностранные специалисты: Joao Pombo [21], Р. Ниблер, Р. Моррис, Ф. Нитхаммер, И. Кумезава, Л. Паскуччи и другие. В подавляющем большинстве исследований описаны модели ТП с числом степеней свободы не более трёх, в которых происходят только вертикальные движения подвижных масс, при этом процессы в

шарнирах ТП игнорируются или предельно упрощаются. Одним из исключений являются исследования А.О. Шимановского и И.И. Каплюк, в которых ТП моделируется кинематической схемой, а при взаимодействии полоза с контактным проводом контактная зона моделируется методом конечных элементов. Вместе с тем, специалисты ОмГУПС указывают, что разработанные к настоящему моменту методики для расчёта динамического контактного нажатия ТП на КС имеют ограниченную область применения [107].

Методы расчёта аэродинамических характеристик ТП и учёт аэродинамических сил при расчёте его взаимодействия с контактной подвеской рассмотрены в работах Г. П. Маслова, М.А. Капраловой (Дятловой) [23, 26, 33, 34, 104], В.П. Михеева [26, 29-31], О.А. Сидорова [36], А.П. Старикова [61-63], А.В. Широковой [61, 64], А.Н. Смердина, А.Е. Чепурко [22, 106, 109], А.В. Паранина [65], В.А. Вологина [25], А.В. Плакса [24, 27, 28], К.Г. Марквардта [32], В.Н. Ли [34, 35], В.М. Павлова, В.А. Нехаева [36-38], А.Г. Галкина [39-42], А.В. Ефимова [39, 43, 44], И.А. Беляева [45-50], А.В. Фрайфельда [51], А.К. Кузнецова [52-57], Ю.А. Дрозда [59, 60]. Среди иностранных авторов такие исследования проводились М. Эбботтом [67], Б. Алоттой [68] и многими другими.

Исследованиями влияния климатических параметров среды на аэродинамическую характеристику ТП занимались Г.П. Маслов, А.В. Мальцева, А.П. Старикова, М.А. Капралова [110, 112].

Исследованием электромеханических процессов в контактах занимались Р. Хольм [69], Ю.Е. Купцов [66], В.Я. Берент, И.С. Гершман, А.В. Зайчиков [74-75], Д.А. Ефимов, А.Г. Галкин, А.В. Паранин [17], Г.С. Абакумова, О.В. Атаева, М.Б. Бакалейников [70], И.Е. Андреев [71-72], В.А. Балакин [73],

A.Н. Бредихин, М.В. Хомяков [76], Н.Б. Демкин [77], С.А. Некрасов [78], И.С. Таев [79], А.В. Чичинадзе, Н.К. Мышкин, В.В. Кончин, М. Браунович [80-82] и другие.

Экспериментальными исследованиями токосъёма при интенсивном аэродинамическом воздействии занимались профессора В.П. Михеев [31, 83, 84],

B.А. Вологин [25], Г.П. Маслов [33, 83 - 87], А.Г. Галкин [88], специалисты

И.А. Беляев [12], В.М. Павлов [88, 89, 90], А.Н. Смердин [88], А.С. Голубков [92] и другие.

Иностранными авторами также проводились исследования в данной области. Это труды М. Икеды, М. Судзуки [93], И. Ли [94], Р. Грегори [95], М. Папи [96], А. Коллины [95, 97, 98], Ф. Ресты [95, 97], И. Накакуры [100], А. Идо, Т. Куриты, И. Вакабаяши [101], Д. Ло, Ч. Яна [102, 103].

Итальянскими специалистами под руководством А. Коллины и Р. Грегори были проведены исследования ТП CX25 фирмы Faiveley в аэродинамической трубе Миланского политехнического университета. Авторами также были применены средства вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics (CFD)-анализ) [95].

Также исследуется влияние характеристик ТП на акустическое загрязнение окружающей среды. Из последних можно отметить работу Ю.С. Бойко [99], в которой разработаны математические модели, описывающие зависимость шумовых характеристик поезда от скорости его движения, проведены исследования эффективности акустических экранов. За рубежом данный вопрос также активно исследуют. И. Накакура и И. Минами из Central Japan Railway Company, Tokyo проводили исследования аэродинамического шума и аэродинамической составляющей контактного нажатия, создаваемых пантографом Series 700 скоростного электропоезда Shinkansen и прототипа N700. В данной работе авторами предлагается метод компенсации вертикальной составляющей аэродинамической силы путём применения верхнего узла ТП специальной формы [100]. А. Идо, Т. Курита и И. Вакабаяши рассчитывали уровень звукового воздействия на ТП [101].

Профессором Г.П. Масловым для оценки аэродинамических свойств ТП использовались такие параметры как аэродинамический коэффициент лобового сопротивления Cx и аэродинамический коэффициент подъёмной силы Cy (или Cz, если рассматривается течение жидкости в трёхмерном пространстве) [104]. Данные коэффициенты прямо пропорциональны аэродинамическим силам, действующим на ТП или на его отдельные элементы.

Специалистами ОмГУПС В.М. Павловым, А.Н. Смердиным и А.С. Голубковым влияние аэродинамических сил на качество токосъёма определялось путём записи контактного нажатия и регистрации вертикальной составляющей аэродинамической силы при проведении аэродинамических испытаний на скоростной линии Октябрьской железной дороги [88, 92] при помощи измерительного ТП с использованием средств тензометрии. Все экспериментальные исследования проводятся либо с помощью специальных установок (больших и малых аэродинамических труб) для обдувания ТП или его отдельных элементов, либо путём проведения аэродинамических испытаний.

Наиболее перспективным направлением исследований аэродинамического воздействия на ТП специалисты считают применение методов вычислительной гидродинамики (CFD) с использованием твердотельных трехмерных моделей ТП и их отдельных элементов [22]. В настоящее время активно развиваются вычислительные мощности и коммерческие программные средства, а также совершенствуются методы расчёта процессов обтекания газом или вязкой жидкостью твердых тел, а именно, появляются гибридные методы, сочетающие в себе как моделирование, так и непосредственный расчёт ламинарных и турбулентных течений. Также совершенствуются методики задания граничных условий, параметров среды, формирования расчётной сетки [95, 97, 98].

Особое внимание исследователи уделяют необходимости обеспечения стабильного контактного нажатия полоза на контактный провод [9, 108], в том числе путём обеспечения рациональной аэродинамической характеристики [109-112] и разработки системы авторегулирования ТП [113]. Вопросы выбора конструкции ТП и отдельных его элементов изучаются сотрудниками ВНИИЖТ [114], ОмГУПС [115] и других научных организаций. Прорабатывается рациональная конструкция верхнего узла (кареток и полоза) [91, 116] и устройств защиты [117]. В вышеуказанных исследованиях широко применяются численные модели ТП.

Согласно приведённым исследованиям, асимметричный ТП имеет различные аэродинамические характеристики при движении в противоположных направлениях («коленом вперёд» и «коленом назад» для одноступенчатого

асимметричного ТП). Это различие может привести к увеличению механического износа контактных вставок и контактного провода или к увеличению электрического износа данных элементов при движении в одном из направлений. Чтобы это предотвратить используют либо систему автоматического регулирования контактного нажатия, либо управляют аэродинамическими силами при помощи специальных устройств [105, 106].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ецков Тимофей Александрович, 2018 год

- N

II. м -1-

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 —1260 мм / 1644 мм ---1310 мм / 1694 мм--1360 мм / 1744 мм

---1410 мм / 1794 мм ---1460 мм / 1844 мм

а)

б)

Рисунок Е.4 - Семейство статических характеристик токоприёмника при различной длине нижней тяги Ь5.8, выровненных по активному статическому нажатию при высоте подъёма 1500 мм: а) характеристики пассивного статического нажатия; б) характеристики активного статического нажатия

а)

б)

Рисунок Е. 5 - Семейство статических характеристик токоприёмника при различном продольном смещении (по оси Ох) шарнира «5» нижней тяги на основании, выровненных при высоте подъёма 1500 мм: а) характеристики пассивного статического нажатия; б) характеристики активного статического

165 160 155 150 145 140 135 130 125 120 115 110

.Рстат.п, Н

\

ч 4 ч \

> \ . \

N \ \ Ч . N

ч ■ч^ „ N - -—

---

__• — . - — • —ч — : : ; 1 — ; Е-»

/ ' . • ■—

/ '

" ' / II. М

0.3 0.4 0.5

- 203 мм —

- 209 мм

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

204 мм---205 мм---206 мм —

210 мм--211мм--212 мм

а)

1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

207 мм 208 мм 213 мм

б)

Рисунок Е.7 - Семейство статических характеристик токоприёмника при различной длине малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) Ь6-8, выровненных при высоте подъёма 1500 мм: а) характеристики пассивного статического нажатия; б) характеристики активного статического нажатия

а)

135 130 125 120 115 110 105 100

Рстат.а, н

_ .

"V * ** ч _ —..

-- -- . — . 5а '— ' V

— ~ — 2 = =ь — := : ^ -

/О • . гГ^г - V ^ \ у Гч> . N 4 > О

/■> Г \ V \\ \ 4 \ \ V V

/ /, /> / N \ \\ > V \

/ н \ , м '

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

-11.8° ---12.8° ---13.8° ---14.8° ---15.8° -16.8°

17.8°--18.8°--19.8°--20.8° ---21.8°

б)

Рисунок Е.8 - Семейство статических характеристик токоприёмника при различном значении угла малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) а8-6-9, выровненных при высоте подъёма 1300 мм: а) характеристики пассивного статического нажатия; б) характеристики активного статического нажатия

а)

145 140 135 130 125 120 115 110 105 100

.Рстат.а, н

4 -Ч '—

—__

* \

— — -- --- -- ___ -- - ■ — - ■—__^

.— -- —■ — ___ - — ■ —__г ~ - _ • —^ . -

—" - -- - — . -- — __ ' * Г

— — • - . — — • — . - Г." —

■ — — ■ — ■ - Г — •

✓ у . у /

Н, м

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

--1° --2° --3° --4° --5°

б)

1260 1285 1310 1335 1360 1385 1410 1435 1460

ДБа а дрп < 2Ртр макс Рисунок Е. 10 - Зависимости характеристик AFa, AFп, 2^гр_макс от длины нижней

рамы ¿3-6

Рисунок Е. 12 - Зависимости характеристик ДГа, AFп, 2Ртр_макс от увеличения

длины нижней Ь3-6 и верхней Ь6-9 рам

1022 1023 1024 1025 1026 1027 1028 1029 1030 1031 1032

ДБа ДБп ♦ 2Ртр_макс

288 11

- >и -

с . / /

\ к / / /

)П - / / /

\ \ 1 .и 1 1 У 1 / !/ _

X —X — 3- - г- " — 1 к 1 / у 1 / у У

1 \ 1 1 п .

1

1 1 г 1 i 1 1

э

-е- \л'5, мм -1-

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

■ ДБа ДБл ♦ 2Ртр_макс Рисунок Е. 14 - Зависимости характеристик AFa, AFп, 2^тр_макс от продольного смещения (по оси Ох) шарнира «5» нижней тяги

11

Ю

1 16

1 л

1 14

л .А п

р

—с и. о —

=(т Н Ь —! 1—

л

ч 1

мм

-о.

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

■ ДБа А ДБп ♦ 2Ртр_макс

30 25 20 15 10 5 0

л /........../

/

к / /

% 1 i 1/ ' 1 y

г- - У - л __

\| 1- i l/ 1 /

L 1 У

1

i L 1 1 1

Ló-8, MM —1-

203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213

■ AFa а дрп ♦ 2Ртр макс

Рисунок Е. 16 - Зависимости характеристик AFa, AFn, 2^гр_макс от длины малого

плеча верхней рамы (к нижней тяге) L6-8

11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 18.5 19.5 20.5 21.5

ДБ а А ДБп ♦ 2Гтр макс

Рисунок Е. 18 - Зависимости характеристик ДРа, AFп, 2^Гр_макс от угла поворота

кулачков

Е.2 Значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма ТП и его зависимость от размеров звеньев ТП приведены на рисунках Е.19-Е.34. Как указывалось в 3.2, ТП с фиксированным шарниром нижней тяги на основании нет соответствия одновременно всем установленным критериям качества ТП по ГОСТ 32204 [7] -во всех исследованных случаях, кроме одного (при угле малого плеча верхней рамы а8-6-9=20,8°) не соблюдается требование к продольному отклонению верхнего шарнира от вертикали. Следует добавить, что в этой конфигурации двойное значение трения в шарнирах 2Ртр.макс близко к минимальному в семействе характеристик, но разница между наибольшим и наименьшим значениями статического контактного нажатия (как активного ДРа, так и пассивного ДРп) не соответствуют установленным критериям качества.

Рисунок Е. 19 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различной

длине нижней рамы Ь3.6

1250 1275 1300 1325 1350 1375 1400 1425 1450 1475 Рисунок Е.20 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от

длины нижней рамы L3-6

Рисунок Е.21 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различной

длине верхней рамы Ь6-9

1644 1669 1694 1719 1744 1769 1794 1819 1844 Рисунок Е.22 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от

длины верхней рамы L6-9

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

—. ■ с- ■ч ч ч

ч Ч N Ч > \ \ 1

к. 1 \ I - / / / /

///

IV Щ

Л.15, МЯ

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 -1260 мм / 1644 мм ---1310 мм / 1694 мм--1360 мм / 1744 мм

---1410 мм / 1794 мм ---1460 мм / 1844 мм

Рисунок Е.23 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различной

длине нижней Ь3-6 и верхней Ь6-9 рам

0 25 50 75 100 125 150

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

■ .' V- ч,Ч ' Ч

■. ч \ ■о Ч Ч \ Ч Ч ч\ Ч V ч • \ \

\ || 1 ) 1 / / 1 ' /

/ / • / / / '/ // '/ /

( 1 а 1 / ; 1 / / 1 1 // Г / // ч

\ д. 1 \\ ' \ \ X 1 . 1

\ Ч ' Л ч\\ \

Ч! 1 ч XI; >, ми

-100 -90 -80 -70 -60 ---1022 мм ---1023 мм

-1026 мм -1027 мм

--1030мм --1031мм

-50 -40 -30 ---1024 мм

--1028 мм

1032 мм

-20 -10 0 ---1025 мм

1029 мм

Рисунок Е.25 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различной

длине нижней тяги Ь5-8

1022 1023 1024 1025 1026 1027 1028 1029 1030 1031 1032 Рисунок Е.26 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от

длины нижней тяги Ь5-8

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

----5 мм ----4 мм ----Змм ----2 мм ----1мм 0 мм

--1мм--2мм--Змм--4мм--5мм

Рисунок Е.27 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза

от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма при различном продольном

смещении (по оси Ох) шарнира «5» нижней тяги на основании

Х15 .макс, мм

и

7 п

/ и

! 5

п

и

8 г ->

/\а5, мм -1-

5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Рисунок Е.28 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от продольного смещения (по оси Ох) шарнира «5» нижней тяги на основании

к. ъ^к

щ 'Я > V

V ' \ Л \ЧЛ

1 / \ \ 11 И / П ■ /

! // // ( / ■ / / Г Л // > / * //

'// 11 / ' (1 7' / {

V1 1! V \ \ 1

ч > >4 V О ч

чч ь ч Хи 5, МП

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

г ^^

^ / * — V

N Л4 N \\ \ ч \ \ \4 \ >1

\ • \ \ ■ | Ч 1 1 1 / 11 // / (

11 ¡1 т й // /

I1, 1. И' Г! /// //

\ / ^

1

г V, ; Г 111

1*111

■100 -90

----5 мм

— 1 мм

-80 -70

--4 мм 2 мм

-60

-3 мм 3 мм

-50

-40

-2 мм •4 мм

-30 -20

----1 мм

5 мм

■10 0 — О мм

Рисунок Е.29 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма при различном вертикальном смещении (по оси 02) шарнира «5» нижней тяги на основании

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Рисунок Е.30 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от вертикального смещения (по оси 02) шарнира «5» нижней тяги на основании

2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

щ tí > -V

i-

f

4 Я?

á 1

'l ' v\ \ SN

ч № ife t

<5 Xu 5, мб

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

---203 мм---204 мм---205 мм---206 мм---207 мм 208 мм

--209 мм--210мм--211мм--212 мм--213 мм

Рисунок Е.31 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различной длине малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) Ь6-8

203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 Рисунок Е.32 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от длины малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) L6-8

Рисунок Е.33 - Семейство характеристик продольного отклонения центра полоза от вертикали в диапазоне рабочей высоты подъёма токоприёмника при различном значении угла малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) а8-6-9

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Рисунок Е.34 - Зависимость наибольшего значения продольного отклонения центра полоза/траектории верхнего шарнира в диапазоне рабочей высоты от угла малого плеча верхней рамы (к нижней тяге) а8-6-9

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (справочное)

РЕЗУЛЬТАТЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ТОКОПРИЁМНИКОВ

Ж.1 Результаты аэродинамических испытаний опытных образцов ТП с кулисным механизмом (тяжёлого и лёгкого типа), приведены в таблице Ж. 1 и на рисунках Ж.1-Ж.8 [147].

Таблица Ж.1 - Экспериментальные значения аэродинамической составляющей контактного нажатия токоприёмников тяжёлого и лёгкого типов с различной конфигурацией аэродинамических крыльев

Аэродинамическая составляющая контактного

Высота Скорость нажатия Ра, Н, для токоприёмника

подъё- движения тяжёлого типа с лёгкого типа с

ма, мм V, км/ч конфигурацией крыльев конфигурацией крыльев

1 2 3 4 1 2 3 4

-200 33 12 8 39 38 24 27 34

-180 29 11 8 31 31 21 24 30

160 24 9 7 24 25 19 21 26

-140 20 8 6 18 20 16 18 23

-120 16 7 5 12 15 14 15 19

-100 13 6 4 8 11 12 13 16

400 0 0 0 0 0 0 0 0 0

100 2 12 9 20 7 16 20 16

120 4 16 15 25 9 20 25 19

140 6 22 22 30 11 25 30 22

160 8 27 31 35 13 29 36 25

180 11 34 40 41 15 34 41 29

200 14 40 51 48 17 39 48 32

Аэродинамическая составляющая контактного

Высота Скорость нажатия Ра, Н, для токоприёмника

подъё- движения тяжёлого типа с лёгкого типа с

ма, мм V, км/ч конфигурацией крыльев конфигурацией крыльев

1 2 3 4 1 2 3 4

-200 27 29 13 38 36 41 41 44

-180 22 24 11 32 32 37 34 37

160 17 20 10 25 29 33 28 31

-140 13 16 9 21 23 29 22 25

-120 10 12 8 17 20 25 17 20

-100 7 9 6 14 16 20 12 15

600 0 0 0 0 0 0 0 0 0

100 4 19 24 10 5 13 15 16

120 8 22 30 15 8 18 21 20

140 10 25 37 18 9 24 28 25

160 12 27 45 25 11 31 37 30

180 15 33 53 30 15 38 46 36

200 16 38 61 37 18 47 57 41

-200 48 26 15 50 37 56 49 50

-180 39 24 13 40 33 46 42 38

160 32 21 11 32 29 38 37 28

-140 25 18 10 29 26 30 31 19

-120 19 16 8 25 22 23 26 12

-100 14 13 7 20 18 17 21 7

800 0 0 0 0 0 0 0 0 0

100 5 18 29 18 3 20 17 22

120 6 21 36 22 8 26 24 27

140 10 26 42 28 11 32 32 32

160 12 32 49 34 13 39 41 37

180 14 39 56 40 17 46 51 43

200 18 42 63 44 20 54 63 49

Ря, Н

► 1 —1— 1 1

1? коленом "коленом"

\ вперёд

ч навад

\ ч-и с

\

\ 1П

\ V

ь и

1 ч, \

1 ч 1 э >п

1 1

V ч 1и с »

1 1.

1 и п . а л У . 1

Л

■ ч и 1 1"

—. NN ч [

N Г-Й к' Г, км/ч

N - -т

200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

—•— 800 мм - ■ -600 мм -а- -400 мм

Рисунок Ж. 1 - Семейство аэродинамических характеристик токоприёмника тяжёлого типа с кулисным механизмом, конфигурация 1 (без крыльев) при

различной высоте его подъёма 11

— -1- -1- шен -1-1 1 и -1-1-1-1-1-1- - -

"КС ом' 1П 'коленом л

РТЯЧЯ л итте! / I

/

/

/ (

■ 1 и с У г /

\ 'Ч 1 / 1

/■

V) у

> /

✓ у -

* Л ✓ У ✓

' 1 1 к [

1 1- 1 1, .и с ✓ >

■О4« > ✓

3 ✓ км/ч

200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

—800 мм - ■ - 600 мм —- 400 мм

Рисунок Ж.3 - Семейство аэродинамических характеристик токоприёмника тяжёлого типа с кулисным механизмом, конфигурация 3 (оба крыла по 100 мм направлены в сторону пневмопривода) при различной высоте его подъёма

Рисунок Ж. 4 - Семейство аэродинамических характеристик токоприёмника тяжёлого типа с кулисным механизмом, конфигурация 4 (одно крыло 180 мм, второе 60 мм, крылья направлены в разные стороны, большее крыло направлено в сторону пневмопривода) при различной высоте его подъёма

tu

"коленом" "коленом"

N ¡перёд

Vj назад Е

1 у -!>л

\ \

i L \

ч t \

\

к \ N IU

\ ч

j 1 ■ч \

ч ч \ ✓

к \ п , л 1

ч и \

ч < f

\

ч ц км/ч

* h=

200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

—<800 мм - ■ - 600 мм —* - 400 мм

Рисунок Ж. 5 - Семейство аэродинамических характеристик токоприёмника лёгкого типа с кулисным механизмом, конфигурация 1 (без крыльев) при

различной высоте его подъёма

-1-1-1-1- —г—г— — JU —1—1—1—1—1—1—1— -

ч "■КТ1 ПРНПМ " "ртрппм"

\ /

назад >0 вперед /

N у i i -/

п s V —^ 10 / t

> \ i / i f-1 У

1 i0 -J и *

N \1 t л / *—

N 1 t- » Чч ч / / А t

-1 к О К - IU / i

1 ■ ч ч ч ч 1 Г,

i ч, ч N —Ж ч ч— 0 » А I

L_ ч --

S ч U v, км/ч

У

200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

—<800 мм - ■ - 600 мм —* - 400 мм

и

11 коленом "коленок л"

60 тзтТРПРЛ

/ /

>0 i

'1 i

/ г