Рельсовые сети систем тягового электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.09, доктор технических наук Григорьев, Василий Лазаревич

• Григорьев, Василий Лазаревич
• доктор технических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук Григорьев, Василий Лазаревич

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ

СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЛЬСОВЫХ СЕТЕЙ ТЯГОВОГО

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В МЕСТАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ.

1.1. Рельсовая сеть в системе тягового электроснабжения.

1.2. Обзор и анализ методов повышения электропроводности рельсовых стыков.

1.3. Механические и электрические параметры рельсовых стыков, расчетные схемы стыков для различных видов электрифицированного рельсового транспорта.

1.4. Разработка метода расчета переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков.

1.5. Исследование зависимостей переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков от величины нажатия и состояния поверхностей контактирования накладок и рельсов.

Выводы по первой главе.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ РЕЛЬСОВЫХ СЕТЕЙ.

2.1. Современное состояние вопроса.

2.2. Исследование тепловых процессов в электрических соединениях рельсовой сети.

2.3. Тепловой расчет электрических соединений в местах установки дроссель-трансформаторов.

2.4. Тепловой расчет стыковых электрических соединителей.

2.5. Результаты тепловых стендовых испытаний электрических соединителей.

2.6. Технические мероприятия, уменьшающие вероятность превышения температуры электрических соединителей рельсовой сети в аварийных режимах работы системы тягового электроснабжения магистральных железных дорог.

Выводы по второй главе.

3. ОБОБЩЕННЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ.

3.1. Характеристики и параметры тарельчатых пружин, определяющие возможность их применения в качестве средства стабилизации нажатия накладок к рельсам.

3.2. Обзор и анализ методов расчета тарельчатых пружин.

3.3. Анализ влияния конструктивных параметров тарельчатых пружин на их характеристики.

3.4. Разработка нового метода расчета тарельчатых пружин с наибольшей удельной потенциальной энергией деформации.

Выводы по третьей главе.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ ПРИ ПРИЛОЖЕНИИ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ.

4.1. Исходные предпосылки.

4.2. Факторы, определяющие изменение механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков.

4.3. Исследование особенностей изменения механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков при ударных воздействиях.

4.4. Статистические характеристики токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по четвертой главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ

СТЫКОВ.

5.1. Исследование токопроводящих рельсовых стыков с целью определения диагностических параметров, оценивающих их состояние.

5.2. Показатели надежности, определяющие состояние токопроводящих рельсовых стыков.

5.3. Теоретические исследования моделей надежности токопроводящих рельсовых стыков.

5.4. Определение показателей надежности токопроводящих рельсовых стыков статистико-корреляционным методом.

5.5. Разработка методов и устройств диагностики для контроля электропроводного состояния рельсовых стыков.

Выводы по пятой главе.

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ КОМПЛЕКСНО УДОВЛЕТВОРЯЮЩИХ РАБОТЕ РЕЛЬСОВОЙ СЕТИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ПУТИ, СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДОВ И ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

6.1. Требования к токопроводящим рельсовым стыкам.

6.2. Разработка средства стабилизации механических и электрических характеристик токопроводящих рельсовых стыков.

6.3. Разработка рациональных конструкций токопроводящих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по шестой главе.

7. РЕЗУЛЬТАТЫ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ

ТОКОПРОВОДЯЩИХ РЕЛЬСОВЫХ стыков с ТАРЕЛЬЧАТЫМИ ПРУЖИНАМИ.

7.1. Анализ работы рельсовой сети системы тягового электроснабжения и железнодорожного пути на полигоне с конструкциями рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

7.1.1. Магистральные железные дороги.

7.1.2. Трамвай.

7.1.3. Промышленный железнодорожный транспорт.

7.1.4. Метрополитен.

7.2. Анализ работы системы регулирования движением поездов (СЦБ) на полигоне пути с конструкциями рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

Выводы по седьмой главе.

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ РЕЛЬСОВЫХ СТЫКОВ С ТАРЕЛЬЧАТЫМИ ПРУЖИНАМИ.

8.1. Принципы комплексной оценки эффективности применения конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами.

8.2. Разработка методики расчета потерь электрической энергии в зоне рельсовых стыков.

8.2.1. Магистральные железные дороги.

8.2.2. Трамвай.

8.3. Определение зависимости расхода электрической энергии на тягу поездов от состояния рельсовых стыков.

8.4. Расчет экономической эффективности применения конструкций рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами на звеньевом пути магистральных железных дорог.

Выводы по восьмой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рельсовые сети систем тягового электроснабжения»

На современном этапе строительства и эксплуатации электрифицированного транспорта наиболее остро стоит проблема экономии цветных металлов и электрической энергии. Задача рационального использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве как в России, так и за рубежом относится к числу наиболее острых и актуальных. Указом президента России № 472 от 07 мая 1995г. приняты "Основные направления энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010г.". В целом программа направлена на перевод экономики России с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития [129]. На это направлено Постановление Коллегии МПС РФ № 35 от 21-23 декабря 1994г. Указанием МПС от 12 января 1995г. № Н-100у на первое место выдвигаются вопросы внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий. К важнейшей составляющей этого вопроса можно отнести мероприятия, и в частности в рельсовой сети, по снижению расходов цветных металлов, потерь, расхода электрической энергии, а также ее рационального использования в системах тягового электроснабжения.

На это направлены Постановление Правительства Российской Федерации от 02 ноября 1995г. № 1087 "О неотложных мерах по энергосбережению" и Указание МПС от 09 декабря 1995г. № А-938у, а также Федеральный закон Российской Федерации "Об энергосбережении", принятый Государственной Думой 13 марта 1996г. и Указание МПС от 04 апреля 1996г. № 131 пр-у. Это говорит о серьезном внимании государства к рассматриваемым вопросам. Согласно этим документам МПС в рамках программы "Экономия" необходимо утвердить нормативы сбережения энергоресурсов и цветных металлов.

Основной особенностью энергетической политики железнодорожного транспорта до 2000г. и на перспективу до 2010г. является всемерное энерго8 сбережение цветных металлов с одновременным повышением эффективности потребления этих ресурсов [88]. Одними из основных направлений являются следующие:

- продолжение работ по стабилизации уровня сопротивления движению поездов. С этой целью необходимо разработать конструкции рельсовых стыков с меньшими просадками при следовании подвижного состава в этой зоне;

- разработка энергосберегающей системы тягового электроснабжения.

По данным Департамента электрификации и электроснабжения МПС РФ потери электрической энергии в сетях тягового электроснабжения за последние 10 лет изменились в пределах 13,87-19 % от принятой энергии по счетчикам тяговых подстанций. Динамика изменения удельных энергозатрат на тягу кВт•ч ^ поездов по годам составила —- : 1988-122,6; 1989-122,9; 1990

10тыс.ткм/км )

124,3; 1991-127,8; 1992-130,6; 1993-135,1; 1994-140,2; 1995-138,6. Потребление электрической энергии на тягу поездов в 1997г. составило - 24005,4 млн.кВт-ч. В структуре электропотребления железнодорожного транспорта удельный вес электротяги составляет 77,4 %, железнодорожных узлов - 21,4 %. В среднем по сети железных дорог России в 1997г. в грузовом движении для перевозки 1 тонны груза на 100 км потреблено 0,989 кВт - ч. Средний тариф на электроэнергию для тяги по России составил 300,4 руб./кВт • ч. Средняя грузонапряженность линий с электрической тягой составляет 21,5 кВт • ч млн.т.км/км . Удельный расход энергии на тягу 134 Средне

10тыс.т.км/км годовое удельное электропотребление на 1 км эксплуатационной длины главен тыс.кВт • ч ных путей в однопутном начислении - 340 --. В 1997г. электропокм требление на тягу поездов составило 27 млрд.кВт • ч. В 1997г. электрифицировано: на постоянном токе 62,7 км, на переменном токе - 379,3 км. Электрифицировано линий от общей протяженности железных дорог 45,6 %. 9

Ускорение общественного производства всегда и неизбежно связано с развитием транспортных систем различных уровней. Важная роль уделяется железнодорожному транспорту как одной из ключевых отраслей экономики, а его электрификация - основное направление применения наиболее прогрессивных видов тяги. Общая протяженность электрифицированных железных дорог России составляет 39732 км [84], в том числе переменного тока 25 кВ, 50 Гц - 20600 км.

Получает большое признание применение электрической тяги и в городском пассажирском транспорте. Имеется программа строительства метрополитенов в городах страны, рассчитанная на ближайшие годы. В настоящее время метрополитены функционируют в 6 городах страны: в Москве 157 станций, длина 261,4 км; в Санкт-Петербурге 54 станции, длина 91,75 км; в Нижнем Новгороде 12 станций, длина 14 км; в Новосибирске 10 станций, длина 12 км; в Екатеринбурге 5 станций, длина 7,45 км и в Самаре 7 станций, длина 7,9 км, общая протяженность линий которых составляет 394,5 км.

В 1880г. русский ученый Ф.А. Пироцкий в Петербурге продемонстрировал работу электрифицированного вагона конной железной дороги. В 1892г. открылось трамвайное движение в Киеве, а в 1896г. - в Нижнем Новгороде. В Москве первая трамвайная линия открылась в 1899г. от Страстной площади до Бутырской заставы, а в Санкт-Петербурге - в 1907г. [11]. Первый трамвай пущен в Германии в 1881г.

Во многих странах мирового сообщества получает заслуженное признание трамвай. Многие годы, считающийся бесперспективным трамвай поистине приобретает второе рождение. Развиваются скоростные линии, имеющие удлиненные составы, в зонах городской застройки получает частично подземная прокладка линий. Таким образом создается разновидность городского электротранспорта, промежуточная между трамваем и метрополитеном, получившая название метротрам. Эти линии в России функционируют в городах Волгограде и Воронеже, на Украине в Киеве. Трамвай имеется во всех

10 крупных городах страны (110 - СНГ), а общая протяженность трамвайных линий составляет более 10 тыс. км, РФ - 70 городов, 6,6 тыс. км. Трамвай получает заслуженное признание из-за того, что это экологически чистый вид городского наземного электротранспорта.

Из всех видов общественного городского транспорта трамвай - самый старый. Ежегодно городской транспорт перевозит свыше 50 миллиардов пассажиров, большая часть которых (47 %) приходится на трамвай [13]. Трамвай незаменим на окраинах городов, в районах новостроек, загородных линиях, он позволяет лучше справиться с потоком пассажиров. Если автобус за час перевозит в одном направлении 3^7 тыс., то скоростной двухвагонный трамвай - до 15 тыс. Для того, чтобы перевести за час 50 тыс. пассажиров в обоих направлениях легковыми автомобилями, потребовалось бы увеличить ширину проезжей части до 210 м., автобусами - до 35 м., трамваем - до 9 м. Скоростные линии трамвая действуют как в городах России, так и в городах СНГ. В Саратове значительно выросла скорость движения - за час трамвай перевозит в одном направлении свыше 10 тыс. пассажиров, себестоимость перевозок снизилась вдвое. Такие скоростные линии ныне действуют в Киеве, Риге, Перьми и других городах. Затраты на содержание таких линий полностью себя оправдывают. Скоростная линия трамвая предусматривает железнодорожный путь без выбоин, особенно в зоне стыков, что и является серьезной проблемой. Из-за неудовлетворительного состояния пути ускоренно изнашивается подвижной состав, что в свою очередь является причиной быстрого расстройства пути, особенно в зоне рельсовых стыков. В настоящее время в Санкт-Петербурге - городе, где самые большие в мире трамвайные перевозки, пятая часть пути пришла в аварийное состояние. Еще в более неудовлетворительном состоянии находятся пути в Самаре, Екатеринбурге, Казани, Астрахани, а также в Риге, Киеве, Минске и Москве.

Проблема развития и совершенствования трамвая неоднократно обсуж

11 далось на страницах периодической печати [14,1], но до настоящего времени отсутствует всесторонне разработанная и скоординированная программа со стороны заинтересованных министерств и ведомств.

Объем перевозок пассажиров этим видом транспорта в некоторых городах достигает 60 % перевозок наземным транспортом. В четырех городах России эксплуатируется 130 км скоростных участков с повышенными требованиями к эксплуатации.

Получает признание трамвай и в большинстве стран мира. В качестве примера можно привести Англию [115]. Широкое признание трамвая заключается в высокой экологичности, возможности реализовать большие тяговые усилия на единицу подвижного состава, и как уже указывалось, в отсутствии экологического воздействия на окружающую среду.

Большое распространение получила электрическая тяга в промышленном, карьерном и рудничном транспортах. На одном из крупных металлургических комбинатов России при общей протяженности внутризаводских линий 800 км более 600 электрифицировано.

Развитие и эксплуатация всех видов электрифицированного транспорта, выдвигает проблему экономии цветных металлов при сооружении рельсовых сетей, расхода электрической энергии для целей тяги, снижения потерь энергии в ряд неотложных задач. С 1932г. и до настоящего времени в периодической печати, в научных трудах научно-исследовательских институтов, в межвузовских сборниках научных трудов в руководящих документах различных ведомств, остро обсуждается проблема повышения электрических и механических характеристик токопроводящего рельсового стыка. Это связано с тем, что помимо основного своего назначения (направляющие для перемещения подвижного состава) рельсы служат:

- в системах тягового электроснабжения - обратным проводом (фазой) системы, заземляющей магистралью для заземления устройств тягового электроснабжения, естественным заземлителем для грозозащиты этих устройств;

12

- в системе регулирования движением поездов (СЦБ) каналом контроля свободности и занятости пути подвижным составом, а также контроля исправности пути;

- рельсовый токопроводящий стык является неотъемлемой частью рельсовой сети и от его состояния в целом зависит пропускная способность электрифицированного транспорта.

Именно в плане комплексного решения проблемы конструкции рельсового токопроводящего стыка, удовлетворяющего требованиям этих систем, и проводились теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых и составили основное содержание диссертационной работы.

Отечественная наука по теории рельсовой сети системы тягового электроснабжения, основоположниками которой являлись Ф.А. Пироцкий, Б.Г. Лорткипанидзе, И.В. Стрижевский, К.Г. Марквардт, Л.Т. Тавдгиридзе, получила свое развитие по ее частным аспектам: во ВНИИЖТе (A.B. Котельников, A.B. Наумов, A.B. Кузнецов, И.М. Ершов, В.И. Иванова, Р.Н. Карякин, А.Н. Глонти, Г.И. Гатилова и др.), Уральском отделении ВНИИЖТа (М.М. Кирилов, Л.В. Оводков, В.И. Бушуев), ДИИТе (Д.Б. Ломазов, В.А. Дьяков, М.А. Фришман, А.Б. Демиденко), МГУПСе (Н.Г. Сергеев, P.P. Мамошин, Б.И. Косарев, В.Н. Пупынин, А.И. Гуков, В.И. Литовченко), РГОТУПСе (Г.Г. Марквардт, М.В. Тарнижевский), ПГУПСе (Э.П. Селедцов), метрополитенах (И.Ф. Марков, Е.А. Власов), трамвае (В.Б. Голубицкая), АКХ России (Д.К. Томлянович, В.И. Дмитриев);

- рельсовые пути, в частности по взаимодействию пути и подвижного состава: М.Ф. Вериго, В.Н. Данилов, В.Я. Шульга, В.Ф. Барабошин, В.Ф. Афанасьев, М.С. Яхов, A.M. Годыцкий-Цвирко, Г.Е. Андреев, Г.М. Шахунянц, C.B. Амелин, В.И. Ангелейко, В.Г. Альбрехт, А.Ф. Золотарский.

Однако отсутствие комплексного подхода к проблеме токопроводящего рельсового стыка, неучет многих эксплуатационных факторов, выдвигаемых как со стороны самого пути, так и систем тягового электроснабжения и регулирования движением поездов, не позволили сделать заключение об исчер

13 пывающем решении этой проблемы. Это явилось основанием широкой программы исследований в этом направлении, развернутой во ВНИИЖТе, а затем в Самарском институте инженеров железнодорожного транспорта и выполненной под руководством и при непосредственном участии автора диссертации.

Исследования проводились применительно к магистральным железным дорогам, метрополитенам, трамваям и промышленному транспорту; однако однотипность построения тяговых рельсовых сетей, идентичность применения электрических и механических характеристик, аналогичность конструкций рельсовых стыков, позволяют результаты выполненных исследований использовать и для карьерного и рудничного транспорта.

Целью настоящей работы является комплексная разработка на основе обобщения результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований эффективных конструкций токопроводящих рельсовых стыков, сохраняющих стабильно свои характеристики в условиях интенсивного воздействия динамических усилий и окружающей среды.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:

- анализ существующих методов повышения электропроводности рельсовых стыков с различными типами стыковых соединителей и другими способами;

- выбор, обоснование и разработка новых математических моделей для обобщенного анализа факторов, определяющих величину электрического переходного сопротивления стыков;

- оценка применяемых способов сохранения монтажных усилий натяжения болтовых соединений стыков и разработка более эффективных упругих элементов для создания нормативного нажатия накладок к рельсам;

- разработка нового метода расчета тарельчатых пружин для токопроводящих рельсовых стыков, сохраняющих стабильно свои нагрузочные характеристики при длительном напряженном состоянии и циклических воздействи

14 ях динамических усилий;

- исследование тепловых процессов в электрических соединениях рельсовой цепи и обеспечение их термической устойчивости при различных циклах тяговой нагрузки;

- исследования по развитию методов диагностики и контроля электрического переходного сопротивления рельсовых стыков; разработка аппаратуры диагностики состояния стыка и его элементов по электропроводности;

- исследование процесса взаимодействия пути и подвижного состава в зоне стыков на величину переходного сопротивления между контактирующими поверхностями;

- комплексная оценка эффективности конструкции рельсовых токопроводя-щих рельсовых стыков с тарельчатыми пружинами в болтовых соединениях.

В результате решения этих задач:

- предложены и обоснованы расчетные схемы и математические модели, с помощью которых можно проводить теоретические исследования состояния токопроводящих рельсовых стыков; тепловых процессов в элементах рельсовой сети; расчета и выбора геометрических размеров тарельчатых пружин для болтовых соединений; оценки влияния динамических воздействий подвижного состава на электрические и механические характеристики стыка.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили найти технические решения, исключающие дальнейшую приварку в зоне стыка дефицитных медных соединителей и соединителей других типов; существенно снижающие потери электрической энергии в зоне стыка; уменьшающие расход электрической энергии на тягу поездов; практически исключающие отказы в работе системы регулирования движением поездов и следовательно задержки поездов; длительно сохраняющие электрические и механические характеристики стыков без периодического обслуживания. Применение современной диагностики и контроля состояния стыка позволяют поддерживать их характеристики в пределах нормативных значений.

Учитывая сложность и комплексность решения рассматриваемых задач,

15 многие из них решались экспериментальным путем с помощью регистрирующей аппаратуры.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обеспечивались системностью подхода к методам и технологии проведения исследований, применением новых методов экспериментальных и теоретических исследований с широким применением ПЭВМ, использованием современных представлений фундаментальных наук по теории электрического контакта, проверкой научных выводов в реальных условиях эксплуатации, а также подтверждается использованием сформулированных автором рекомендаций в практической деятельности железных дорог, метрополитенов, трамвая, промышленного транспорта и полученным при этом значительным экономическим эффектом.

На основе проведенных исследований под руководством автора и при его непосредственном участии разработаны конструкции токопроводящих рельсовых стыков для железных дорог, метрополитенов, промышленного транспорта и отдельно для стыков трамвайных рельсов. Результаты работы вошли в следующие нормативные документы в системе МПС:

- Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог: Утв. МПС РФ 12.07.93. - М.: Транспорт, 1994.- 118 е.;

- Технические указания № ЦЭТ-2 "О модернизации разрядного устройства с насыщающимся дросселем УРД-1: Утв. ЦЭ МПС 18.07.95. - М.: Транспорт, 1996.-е. 114-117;

- Приказ МПС № 27/ц от 05.06.86г. "О повышении надежности работы и улучшении содержания электрических рельсовых цепей";

- Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. - М.: Транспорт, 1998.

- Технические указания по применению тарельчатых пружин № ЦШЦ-5/ЦПТ-77/1 от 23.01.97г.

Предложенные в диссертации конструкции рельсовых стыков с упругими

16 элементами - тарельчатыми пружинами широко применяются и эксплуатируются на всех железных дорогах России и Ближнего зарубежья. Выпуск тарельчатых пружин освоен промышленностью в 1980г. Разработанное в диссертации разрядное устройство УРД-1 получило широкое внедрение на тяговых подстанциях постоянного тока. Выпуск освоен ЭМАСТ Куйбышевской и других железных дорог. Техническая документация на изготовление имеется на всех железных дорогах России. На Московском метрополитене, Куйбышевской и Южно-Уральской железных дорогах внедрены приборы для измерения переходного сопротивления токопроводящих рельсовых стыков. Промышленностью выпущена партия электроизмерительных клещей постоянного тока ИКП-1, а техническая документация на изготовление модернизированных клещей ИКП-1 М затребована и отправлена в 12 различных организаций стран СНГ и Балтики.

Выполненные исследования позволят и в дальнейшем находить научно-обоснованные решения при разработке новых и модернизации эксплуатируемых устройств.

17