Совершенствование контактной сети для высокоскоростного движения в Узбекистане тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович

• Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович

ВВЕДЕНИЕ

1 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОТЯГОВОГО КОМПЛЕКСА И ЛОГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСОМ УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА

1.1 Анализ состояния работ по токосъему в условиях повышения интенсивности движения поездов

1.2 Логическое управление устройствами системы токосъема

1.3 Опыт создания контактной сети для высокоскоростного движения в мире и Узбекистане

1.4 Выводы по первой главе, задачи и обоснование методов исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СКОЛЬЗЯЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТАКТА СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

2.1 Структурно-логическое описание устройств токосъема со скользящим контактом

2.2 Особенности процессов деградации структуры поверхностных слоев контактирующих элементов в условиях знакопеременного и циклического нагружения

2.3 Износ и инженерия поверхностей скользящих электрических контактов токосъема

2.4 Коррозионное разрушение поверхностей электрических контактов

2.5 Выводы по второй главе

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В СКОЛЬЗЯЩЕМ КОНТАКТЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ДВИЖЕНИИ

3.1 Особенности моделирования динамических процессов при механическом нагружении устройств токосъема

3.2 Моделирование электрического скользящего контакта устройств токосъема

3.3 Использование методов моделирования комплексного нагружения при исследовании износа устройств токосъема на переменном токе

3.4 Моделирование усталостных процессов при циклическом нагружении устройств токосъема

3.5 Выводы по третьей главе

4 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И УСТАЛОСТНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СКОЛЬЗЯЩЕГО КОНТАКТА В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

4.1 Задача структурного синтеза высокоскоростной системы токосъема со скользящим контактом

4.2 Влияние структуры системы и параметров устройств токосъема на механическое изнашивание контактирующих поверхностей

4.3 Особенности электрического изнашивания в зависимости от токовой нагрузки, поперечной скорости перемещения контакта, микродуг и геометрической структуры контактирующей поверхности

4.4 Влияние динамических процессов при колебаниях устройств токосъема на усталостное изнашивание материала

4.5 Выводы по четвертой главе

5 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА НА ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ УЗБЕКИСТАНА

5.1 Ресурсные показатели технического состояния элементов скользящего контакта устройств токосъема электрической тяги переменного тока

5.2 Предложение по трассировке контактного провода с новым алгоритмом чередования зигзагов для повышения

отказоустойчивости компонентов скользящего контакта системы

токосъема переменного тока

5.3 Требования к устройствам логического управления системой токосъема скоростных линий

5.4 Выводы по пятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Документы, подтверждающие новизну технических разработок. Патент

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационного исследования. Справка о внедрении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование контактной сети для высокоскоростного движения в Узбекистане»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В соответствии с программными документами стратегического развития железнодорожного транспорта в Узбекистане в перспективе до 2030 года одним из ключевых направлений деятельности в области инфраструктуры является развитие системы тягового электроснабжения и обеспечения надёжного токосъема при скоростях движения до 250 км/ч. Решающим фактором реализации высокоскоростного движения является качество взаимодействия токоприемников подвижного состава и контактной подвески. При высокоскоростном движении возрастают максимальные рабочие токи, увеличиваются динамические нагрузки в скользящем контакте. Эти факторы являются причинами повышенного нагрева токоведущих элементов токосъема, неравномерного износа контактирующих поверхностей вставок токоприемников и контактных проводов, их разупрочнения, возможного пережога и обрыва, вследствие чего возрастают риски аварийных отключений и сбои в графике движения поездов.

В настоящее время существующая контактная подвеска и токоприемник подвижного состава недостаточно согласованы по статическим и динамическим параметрам, что вызывает неустойчивый токосъем с искрением, усиленный местный износ контактного провода, недостаточно изучены вопросы метрологии, геометрической структуры поверхностей взаимодействующих поверхностей деталей токосъемных устройств, физико-химическая механика и характеристики скользящего контакта в зависимости от направления движения носителей электрического заряда при переменном токе 50 Гц и геометрической трассировки контактного провода в пределах анкерного участка.

Перечисленные факторы не позволяют проводить своевременную и объективную оценку состояния контактной сети и устройств токосъема в целом для определения оптимальных сроков технического обслуживания и выявления пре-дотказных состояний, что подтверждает актуальность данной темы для исследования.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области совершенствования устройств токосъема, в частности, контактной сети при высокоскоростном движении занимались отечественные специалисты и ученые: Купцов Ю.Е., Марквардт К.Г., Михеев В.П., Вологин В.А., Беляев И.А., Бурков А.Т., Жарков Ю.И., Галкин А.Г., Ли В.Н., Берент В.Я., Гершман И.С., Кудряшов Е.В., Паранин А.В., Семенов Ю.Г., Сидоров О.А., Смердин А.Н., Томилов В.В., Тюрнин, П.Г., так и зарубежные ученые и специалисты: Kiessling F., Schmieder А., Collina A., Bucca G., Ikeda M., Yamashita C., Gao Sh., Wu G. и другие специалисты.

Увеличение пропускной и провозной способности на высокоскоростных участках железных дорог приводит к необходимости глубокого изучения вопросов взаимодействия токоприемника и контактной подвески, что связано с недостаточностью исследований по влиянию циклических нагрузок, согласованности материалов контактирующих элементов системы токосъема в зависимости от особенностей условий эксплуатации.

Цель диссертационной работы - синтез безопасного износостойкого токосъема высокоскоростного электрического железнодорожного транспорта Узбекистана на основе совершенствования технологической базы и приемов логического управления стабильностью функционирования конвергентного скользящего электрического контакта на этапах жизненного цикла устройств токосъема.

Идея работы заключается в совершенствовании технологии проектирования и содержания контактной сети переменного тока за счет рациональной структуры трассирования проводов и контроля физико-химической механики поверхностей скользящих электрических контактов.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Структурно-логическое описание скользящего контакта системы токосъема в устройствах тягового электроснабжения.

2. Разработка модели изнашивания контактирующих поверхностей токове-дущих элементов токосъема как геометрического объекта, обладающего сложными параметрами микро- и нанометрового масштаба.

3. Установление особенностей механического, электрического и усталостного изнашивания токоведущих элементов скользящего контакта при переменном токе 50 Гц.

4. Разработка технологической основы проектирования и эксплуатационного обслуживания устройств токосъема на основе конвергентных принципов организации логического управления.

5. Оценка мероприятий по совершенствованию устройств токосъема на электрифицированных железнодорожных линиях в условиях Узбекистана.

Объект исследования - устройства токосъема с поверхностями скользящего контакта высокоскоростных железнодорожных линий системы тягового электроснабжения переменного тока.

Область исследования - механические, электрические и тепловые процессы при относительном перемещении токоприемника и контактной подвески, сопровождающиеся изнашиванием контактирующих поверхностей элементов токосъема.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Обоснован и предложен для применения новый метод учета относительного скольжения и относительного покоя, частоты чередования нагруженности элементов токоприемника и контактной подвески в режимах движения с повышенной скоростью.

2. Установлена взаимосвязь тепловых и электрических процессов в скользящих электрических контактах устройств токосъема с учетом возможности использования природоподобных материально-технических условий для Узбекистана.

3. Представлено структурно-логическое описание скользящего электрического контакта системы токосъема при высокоскоростном движении, позволяющего выполнять проектные процедуры и разрабатывать технологии износоустойчивой и безопасной эксплуатации.

4. Выявлена особенность электрокоррозионных процессов при коммутации направления тока в скользящем контакте токосъема с частотой 50 Гц.

5. Разработана модель трассировки контактного провода с новым алгоритмом чередования зигзагов, обеспечивающим снижение неравномерности износа контактирующих элементов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. В диссертационной работе выполнено обобщение исследований и опытной реализации по проблеме износостойкости и отказоустойчивости устройств токосъема на электрифицированных линиях железных дорог России, Франции, Италии, Японии и Китая и дано обоснование метода оценки износа контактирующих элементов в единицах массы на единицу длины электрифицированной линии.

2. Выявленные в исследованиях характеристики устройств токосъема в электрической тяге подтверждают возможности применения природоподобных технологий токосъема на основе конвергентных скользящих электрических контактов с учетом отличающихся электрических и тепловых процессов, одновременно протекающих в одних и тех же элементах токосъема.

3. Установленные закономерности формирования поперечной скорости перемещения контактирующей поверхности по вставке токоприемника и ускорений в моменты переключения на очередной элемент зигзага позволяет получать новое понимание в изменении механических нагрузок на несущие конструкции контактных подвесок и полозов токоприемника.

4. Применение предложенной 3Э - модели скорости поперечного смещения контактного провода при взаимодействии контактной подвески и токоприемника позволяет использовать идею логического управления проектированием контактной сети с учетом координации показателей поперечной скорости точки контакта, значения снимаемого тока, силы нажатия, обеспечивающих реализацию минимального износа токоведущих узлов токосъема для линий интенсивного движения поездов.

5. Предложенный способ трассировки контактного провода в зоне анкерных участков позволяет устранять неравномерность износа элементов токосъема и

снижать интенсивность динамических нагрузок на несущие конструкции контактной сети и токоприемника.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач в диссертации выполнены обобщения и анализ научно-технической литературы, использованы методы структурного синтеза и параметрической оптимизации, применены методы математического моделирования динамических параметров контактной сети на основе принципа конечных элементов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Основные положения физико-химической механики износа поверхностей скользящего контакта устройств токосъема в электрической тяге переменного тока 25 кВ 50 Гц в условиях повышенных скоростей движения.

2. Структура интегрированной интеллектуальной системы логического контроля изнашивания контактирующих поверхностей фрактальными методами оценки отклонений параметров и характеристик в статических и динамических режимах при взаимодействии токоприемника и контактной подвески.

3. Совершенствование пространственной геометрической структуры при трассировании контактирующих поверхностей контактного провода и вставок полоза токоприемника на анкерных участках электротяговой сети.

Достоверность результатов исследования обоснована верификацией - эмпирическим подтверждением теоретических выводов, полученных на моделях путем сопоставления их с наблюдаемыми объектами скоростных линий, а также с результатами, полученными в других исследованиях на объектах аналогичной железнодорожной инфраструктуры. Расхождение результатов сравнения не превосходит 10 %.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы обсуждены на международном симпозиуме «Элтранс» 2019 г. в Санкт-Петербурге, «Неделя науки. Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» ПГУПС 2019-2021гг., а также на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 - в рецензируемых изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ, и патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав с выводами по каждой главе, заключение по работе и приложения, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 46 рисунков. Список используемых источников литературы насчитывает 77 наименований.

1 ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЭЛЕКТРОТЯГОВОГО КОМПЛЕКСА И ЛОГИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕСУРСОМ УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА

1.1 Анализ состояния работ по токосъему в условиях повышения

интенсивности движения поездов

Система электроснабжения должна обеспечивать надёжный и экономичный токосъем при минимальных эксплуатационных расходах. С повышением мощности и скоростей движения электроподвижного состава предъявляются высокие требования к качеству взаимодействия контактной подвески и токоприемника, что является одним из наиболее важных критериев, определяющих безопасное движение поездов на высокоскоростных железных дорогах.

Развитие высокоскоростного железнодорожного движения сопровождается решением трех важнейших проблем: колесо - рельс, экипаж - тяговый привод, токоприемник - контактная подвеска [1]. При скорости движения свыше 200 км/ч достижение устойчивого токосъема возможно при совершенствовании механических и электрических элементов системы - контактная сеть, скользящий контакт, токоприемник.

Контактная сеть высокоскоростных магистралей (ВСМ), являясь распределительным звеном системы тягового электроснабжения, обеспечивает показатели перевозочного процесса в условиях повышения скоростей движения электроподвижного состава (ЭПС). Как показывает практика, при высокоскоростном движении наиболее важным фактором является стабильность токосъема, которая зависит как от контактного нажатия токоприемника, также и от параметров контактной подвески. Усиленное контактное нажатие вызывает механические повреждения как в токоприемнике, так и в контактной подвеске. В то же время недостаточное контактное нажатие приводит к возникновению электрической дуги, что влечет за собой электромагнитное, радио- и оптическое излучение, усиленный электрический износ контактирующих элементов (рисунок 1.1). В результате

производительность системы токосъема снижается, а затраты на обслуживание увеличиваются. Учитывая важность этих процессов в работе системы токосъема, актуальной задачей является обнаружение наиболее чувствительных параметров устройств токосъема для создания логического контроля с использованием современных цифровых технологий [2].

Рисунок 1.1 - Фрагменты токосъема при высокой скорости движения: а) бездуговой токосъем; б) дуговой токосъем при проходе опорного узла; в) дуговой токосъем при проходе сопряжения анкерных участков

Рисунок 1.2 - Распределение неисправностей и отказов в контактной сети

высокоскоростных магистралей

Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» за последние годы эксплуатации участков скоростного движения показывает на значительную долю отказов и неисправностей в работе контактной сети [3]. При этом основная доля неисправностей в контактной сети ВСМ приходится на элементы контактной подвески, связанные с обрывами проводов, тросов и струн и пережогами контактного провода (рисунок 1.2).

Меньшее изменение нажатий в точке контакта соответствует более плавному скользящему контакту, что улучшает условия токосъема. При этом существенным следствием этого контакта является износ, который влияет на две задействованные детали: контактный провод и вставка полоза токоприемника. На показатели износа влияют несколько параметров, ряд которых непосредственно обусловлен выбором конструкции (например, материала), а другие являются результатом более сложных динамических явлений (например, контактное нажатие). Изучено явление «токовой смазки» в системе токосъема [4]. Современные исследования износа основаны на лабораторных экспериментах, которые проводятся на специально спроектированных испытательных установках [5-9] из-за сложности получения значимых результатов в полевых условиях. С помощью испытательной установки можно исследовать различные значения рабочих параметров и выполнять точные измерения контролируемых параметров. Однако из-за конструктивных ограничений испытательной установки результаты таких экспериментов по своей сути сложнее применить к полевым условиям, чем результаты других видов испытаний. Тем не менее, можно построить модели износа на основе лабораторных результатов. Эти модели показывают изменения уровня износа при изменении эксплуатационных параметров. Хотя значения износа не сопоставимы в абсолютном выражении с данными, полученными в полевых условиях, они остаются действительными для сравнения результатов при различных параметрах устройств токосъема. Концепция карт износа впервые использована для разработки модели износа как контактного провода, так и вставки токоприемника [10, 11]. Другой подход был применен в [12], где была построена эвристическая модель

износа компонентов системы токосъема. Та же концепция была применена в [13] для построения двух отдельных моделей износа угольной контактной вставки, импрегнированной медью, и контактного провода из сплава меди и серебра в электротяговой сети переменного тока.

Широкое применение получило численное моделирование динамического взаимодействия токоприемника и контактной сети, позволяющее оценить качество токосъема на стадии проектирования [14-19]. При моделировании динамического взаимодействия устройств системы токосъема модель контактной подвески представляется в виде модели сосредоточенной массы или конечномерной модели с распределенными параметрами на основе метода конечных элементов.

1.2 Логическое управление устройствами системы токосъема

Несвоевременное обнаружение неисправностей элементов контактной сети, неточная регулировка контактной подвески и некачественное выполнение планово-предупредительного ремонта (ППР) приводят к ухудшению показателей качества токосъема и, как следствие, к различным отказам в работе контактной сети. На повреждения в контактной сети также влияют сторонние факторы, связанные с качеством изготовления материалов, особенностью метеоусловий, погрешностями монтажа (рисунок 1.3).

Оценка состояния контактной сети выполняется на основе данных измерений её геометрии и анализа показателей взаимодействия токоприемника и контактной подвески. Основными данными статических измерений являются такие геометрические параметры контактного провода, как, высота, зигзагообразное расположение, толщина, и взаимное расположение проводов в пространстве. При контакте с токоприемником данные динамических измерений контактной подвески, в основном, включают контактное нажатие и вертикальное ускорение токоприемника, отжатие контактного провода, наличие случаев возникновения дуги и т.д.

Рисунок 1.3 - Факторы, влияющие на производительность высокоскоростной контактной подвески на этапах жизненного цикла

Как правило, для оценки состояния контактной подвески следует объединять результаты статических и динамических характеристик. Однако, поскольку

линии традиционной скорости не предъявляют высоких требований к данным динамических измерений, учёт статического состояния остаётся доминирующим методом контроля.

Для линий традиционных скоростей долгосрочная оценка состояния контактной подвески оказалась эффективной на основе элементарного замера статических данных и применения вычислительных приборов. Из-за технической сложности и высокой стоимости выполнения оценки динамического состояния большинство скоростных линий используют динамические данные лишь на этапе приемки, но не на этапе эксплуатации. Однако с увеличением скорости движения поездов оценка статического состояния становится недостаточной для эксплуатации и технического обслуживания высокоскоростных линий. Поскольку динамическая оценка состояния основана на данных, которые непосредственно отражают динамическое взаимодействие, она более продуктивна для оценки состояния контактной подвески по сравнению с оценкой статического состояния.

Объектом управления (ОУ) технической системы является технологический процесс или комплекс взаимосвязанных технических устройств и подсистем. Взаимодействие ОУ и управляющего устройства организуется с помощью множества датчиков, расположенных в устройствах объекта и сигнализирующих о состоянии самого объекта и воздействии внешней среды, в которой работает объект (техническая система) или о фазе самого технологического процесса [20].

На рисунке 1.4 показаны логические устройства управления, осуществляющие обработку дискретной информации. Сигналы датчиков системы токосъема, как и управляющие воздействия, дискретны. Двоичные сигналы представляются некоторыми физическими величинами с двумя резко различающимися возможными значениями (например, «бездуговой токосъем» - «дуговой токосъем»).

В случае двоичного представления сигналов управление становится логическим, а системы управления называются системами логического управления (ЛУ).

Системы ЛУ находят широкое применение в различных отраслях техники и технологий, в частности, на высокоскоростном железнодорожном транспорте.

Достаточность сигналов систем ЛУ обеспечивает возможность использования развитого аппарата алгебры логики для описания и реализации алгоритмов их действия.

Рисунок 1.4 - Граф-схема логического управления устройствами токосъема

Алгоритм управления, в том числе и логического, принципиально отличаются от вычислительных алгоритмов. С помощью таких алгоритмов описывают способ гипотетической управляющей системы с некоторой средой или объектом управления. В таком устройстве теряется смысл исходного данного, т.к. между системой управления и объектом ведется постоянный обмен информацией, данные могут поступать на вход нескончаемым потоком. Целью алгоритма является уже не получение некоторого конечного результата, а выдача ответной последовательности управляющих сигналов.

1.3 Опыт создания контактной сети для высокоскоростного движения в

мире и Узбекистане

Первая в мире выделенная высокоскоростная магистраль (ВСМ) введена в эксплуатацию 1 октября 1964 г. в Японии между городами Токио и Осака. Линия имела протяженность 515,4 км, была электрифицирована на переменном токе

напряжением 25 кВ частотой 60 Гц и получила название «Токайдо - Синкансэн» (позднее «Синкансэн» стали называть всю сеть ВСМ Японии). Первые высокоскоростные электропоезда серии «0» в постоянной эксплуатации развивали на линии «Токайдо» скорость 210 км/ч.

В начальный период развития высокоскоростного движения японскими специалистами было смонтировано и испытано множество различных вариантов контактных подвесок. На начальном этапе они отдавали предпочтение двойным контактным подвескам - со вспомогательным тросом между несущим тросом и контактным проводом. Такая подвеска имеет лучшие характеристики эластичности. Несущие тросы применялись из бронзы или стали, вспомогательные тросы -из меди или бронзы, контактные провода - медные, бронзовые, сталеалюминие-вые или сталемедные. Натяжение проводов при этом было относительно низким при значительном сечении - до 180 мм2. Характерной особенностью этих модификаций контактных сетей ВСМ Японии являлись чрезвычайно сложные конструктивные решения (рисунок 1.5). Контактная сеть состояла из огромного, по современным меркам, числа элементов.

Рисунок 1.5 - Двойная (слева) и одинарная (справа) контактные подвески

Долговечность контактного провода на первых линиях ВСМ Японии оказалась крайне низкой. Пересчет японских показателей в принятый в России удельный износ дает цифру около 0,4 мм2/104 проходов токоприемников, что в 4-6 раз больше, чем на линиях РЖД. Причины этого - неудачный выбор материала контактных вставок токоприемников (метоллокерамика на железной основе), чрезмерное число поднятых токоприемников (4 и даже более) без их запараллеливания на электропоездах первых серий, заниженное статическое нажатие токоприемника (около 55 Н), а также малые удельные натяжения проводов контактной подвески.

Японские инженеры являлись пионерами в разработке систем токосъема для высоких скоростей движения, поэтому принятие на первых этапах неоптимальных технических решений - закономерно. По мере накопления опыта ошибки устранялись, конструкции поездов, токоприемников и контактной сети - совершенствовались. На новых ВСМ со скоростями движения 300 км/ч и выше применяются одинарные компенсированные цепные контактные подвески со значительными удельными натяжениями проводов. Подвески, как правило, нерессорные, и имеются модификации с применением демпфирующих струн. Длины пролетов - как правило, не более 50 м.

В Европе первая ВСМ на электрическом железнодорожном транспорте была открыта во Франции на линии Париж - Лион в 1981 году. В настоящее время Франция имеет развитую сеть высокоскоростных магистралей LGV, которые электрифицированы по системе электрической тяги переменного тока напряжением 25 кВ.

Технические решения по контактной сети LGV в процессе исторического развития изменялись. На первой высокоскоростной линии Париж - Лион была смонтирована цепная одинарная компенсированная рессорная контактная подвеска с медным контактным проводом сечением 120 мм2. На отдельных участках проводились эксперименты по реализации двойной контактной подвески.

В последующие годы на вновь построенных участках французских ВСМ выбран вариант с одинарной контактной подвеской без применения рессорного троса, сечение контактного провода увеличено до 150 мм2 и существенно повышено его натяжение. Параметры контактной подвески совершенствовались на основании полученных результатов исследований взаимодействия с токоприемниками, выполненных на математических моделях.

Современная контактная сеть ВСМ Франции LGVM рассчитана на рабочую скорость 320-350 км/ч. Контактный провод - бронзовый (CuMg или CuSn), сечением 150 мм2 и номинальным натяжением 25-26 кН. Несущий трос выполнен из бронзы BzП (сечение 116 мм2 и натяжение 20 кН). Максимальная длина пролета -63 м, токопроводящие мерные струны из гибкого троса - бронзовые BzП, сечением 12 мм2. Подвеска - без рессорного троса.

Германия является второй европейской страной, запустившей высокоскоростное движение на электрическом железнодорожном транспорте. На ВСМ Германии применяют систему электрической тяги переменного тока напряжением 15 кВ с пониженной частотой 16%Гц.

Первыми конструкторскими решениями контактной сети в Германии являются модификации для скоростей движения 100, 160 и 200 км/ч - Re 100, Re 160 и Re 200, которые совершенствовались на протяжении долгих лет в результате приобретения опыта эксплуатации контактных сетей на участках с высокоскоростным движением.

В 1991 году было открыто высокоскоростное движение на линиях Ганновер - Вюрцбург и Маннгейм - Штутгарт, где впервые была смонтирована контактная сеть Re 250, позволяющая реализовать эксплуатационную скорость движения до 300 км/ч при одном токоприемнике и до 280 км/ч при двух. В этой контактной сети был применен контактный провод сечением 120 мм2 из бронзы, легированный серебром с натяжением 15 кН и бронзовый несущий трос BzП 70 с натяжением 15 кН. Конструкция контактной подвески - компенсированная цепная одинарная с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бурков, А. Т. Индустриальные технологии, мобильность и энергоэффективность электрической тяги рельсового транспорта / А. Т. Бурков, Л. С. Блажко, И. А. Иванов // Электротехника. - 2016. - № 5. - С. 7-13.

2. Хананов, В. В., Бурков А. Т., Барч Д. В. Нововведения и инновационные процессы в тяговом электроснабжении / В. В. Хананов, А. Т. Бурков, Д. В. Барч // Транспорт Российской Федерации. - 2012. - №6 (43). - С. 34-39.

3. Смердин, А. Н. Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения: дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.07 / Смердин Александр Николаевич. -Омск, 2018. - 600 с.

4. Senouci, A. Wear mechanism in graphite-copper electrical sliding contact / A. Senouci, J. Frene, H. Zaidi // Wear. - 1999. - Vol. 225-229. - P. 949-953.

5. Павлов, В. М. Исследования токовой нагрузочной способности токоприемника магистрального электроподвижного состава / В. М. Павлов, О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, В. В. Томилов и др. // Вестник ВНИИЖТа. - 2015. - № 4. -С. 99-24.

6. Ефимов, Д. А. Определение параметров контактной пары «токоприемник - контактный провод» / Д. А. Ефимов // Транспорт Урала. - 2014. - № 4 (43).

- С. 72-75.

7. Collina, A. On the prediction of wear of contact wire in OHE lines: a proposed model / A. Collina, S. Melzi, A. Facchinetti // Veh. Syst. Dyn. - 2002. - Vol. 37.

- Р. 579-592.

8. Chen, G. Experimental study on arc ablation occurring in a contact strip rubbing against a contact wire with electrical current / G. Chen, H. Yang, W. Zhang et al. // Tribology International. - 2013. - № 61. - Р. 88-94.

9. Delcey, N. Analysis of the thermal variations in a moving pantograph strip using an electro-thermal simulation tool and validating by experimental tests /

N. Delcey, P. Baucour, D. Chamagne et al. // J. Rail and Rapid Transit. - 2020. - Vol. 234. - Р. 859-868.

10. Yamashita, C. Wear mode map of current collecting materials / C. Yamashita, K. Adachi // Tribology Online. - 2019. - № 3 (14). - Р. 86-93.

11. Yamashita, C. Wear mechanism of current collecting materials due to temperature distribution analysis considering degenerated layer / C. Yamashita, K. Adachi // Tribology Online. - 2019. - № 2 (14). - Р. 94-101.

12. Bucca, G. Electromechanical interaction between carbon-based pantograph strip and copper contact wire: a heuristic wear model / G. Bucca, A. Collina // Tribol. Int. - 2015. - Vol. 92. - Р. 47-56.

13. Derosa, S. A heuristic wear model for the contact strip and contact wire in pantograph - catenary interaction for railway operations under 15 kV 16.67 Hz AC systems / S. Derosa, P. Navik, A. Collina et al. // Wear. - 2020. - Vol. 457. - P. 1-8.

14. Григорьев, Б. С. Математическое моделирование механического взаимодействия токоприемников и контактной подвески для скоростных электрифицированных железных дорог / Б. С. Григорьев, О. А. Головин, Е. Д. Викторов, Е. В. Кудряшов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. - 2012. - № 4. - С. 155-162.

15. Паранин, А. В. Расчет распределения тока в контактном проводе и полозе токоприемника при токосъеме / А. В. Паранин, Д. А. Ефимов // Транспорт Урала. - 2009. - № 4 (23). - С. 81 - 84.

16. Паранин, А. В. Математическое моделирование тепловых процессов при взаимодействии токоприемника и контактного провода / А. В. Паранин // Транспорт Урала. - 2009. - № 4 (23). - С. 85 - 88.

17. Ефимов, А. В. Оптимизация термодинамических процессов в паре трения «токоприемник - контактный провод» / А. В. Ефимов, Д. А. Ефимов, А. В. Паранин // Транспорт Урала. - 2013. - № 4 (39). - С. 79-82.

18. Паранин, А. В. Моделирование чистого контакта между контактным проводом и токосъемной пластиной в статике методом конечных элементов /

А. В. Паранин, А. В. Ефимов, Д. А. Ефимов // Известия Транссиба. - 2014. - № 1 (17). - С. 57-67.

19. Филиппов, В. М. Совершенствование математической модели изнашивания элементов контактных пар устройств токосъема электрического транспорта при высокоскоростном движении / В. М, Филиппов, О. А. Сидоров, Н. В. Миронос // Известия Транссиба. - 2020. - № 2 (42). - С. 2-8.

20. Закревский, А. Д. Логические основы проектирования дискретных устройств / А. Д. Закревский, Ю. В. Поттосин, Л. Д. Черемисинова // М. : Физмат-лит, 2007. - 592 с.

21. TSI Energy. Commission regulation (EU) No 1301/2014 of 18 November 2014 on the technical specifications for interoperability relating to the 'energy' subsystem of the rail system in the Union // Official Journal of the European Union. -12.12.2014. - L 356/179-227.

22. EN 50119. Railway applications, fixed installations, electric traction overhead contact lines, 2009. - 50 p.

23. IEC 60913. Railway applications, fixed installations, electric traction overhead contact lines, 2013. - 206 p.

24. Специальные технические условия «Железнодорожное электроснабжение участка Москва - Казань высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Казань - Екатеринбург. Технические нормы и требования к проектированию и строительству». - СПб.: ПГУПС, 2014. - 46 с.

25. Специальные технические условия «Проектирование, строительство и эксплуатация высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Санкт-Петербург (ВСЖМ-1)». - СПб.: ПГУПС, 2021. - 471 с.

26. Kiessling, F. Contact lines for electrical railways: Planning, design, implementation, maintenance / F. Kiessling, R. Puschmann, A. Schmieder // Berlin and Munich: Siemens. - 2012. - 994 p.

27. IEC 62278. Railway applications - Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS). - Geneva: International Electro-technical Commission, 2002. - 162 p.

28. UIC 799. Characteristics of a.c. overhead contact systems for lines worked at speeds of over 200 km/h [Текст] // Translation International Union of Railways (UIC), 2002.

29. ГОСТ 27674-88. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения. - М. : Изд-во стандартов, 1992. - 19 с.

30. Archard, J. F. Contact and rubbing of flat surfaces / J. F. Archard // Journal of applied physics. - 1953. - Vol. 24, №8. - Р. 981-988.

31. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добрынин, В. С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

32. Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм // М. : Издательство иностранной литературы, 1961. - 464 с.

33. ГОСТ 32793-2014. Токосъем токоприемником железнодорожного электроподвижного состава. Номенклатура показателей качества и методы их определения. - М. : Стандартинформ, 2015. - 19 с.

34. Берент, В. Я. Материалы и свойства электрического контакта в устройствах железнодорожного транспорта / В. Я. Берент // М. : Интекст, 2005. - 408 с.

35. Берент, В. Я. Перспективность применения металлоуглеродных контактных вставок для токосъема на железных дорогах России / В. Я. Берент // Вестник ВНИИЖТа. - 2017. - № 3. - С. 174-180.

36. Ким, К. К. Скользящий токосъем с дисульфидной смазкой в скоростных транспортных системах / К. К. Ким, А. Ю. Панычев, Л. С. Блажко, А. В. Колесова // Электротехника. - 2019. - № 10. - С. 3-10.

37. Wu, G. Characteristics of the sliding electric contact of pantograph-contact wire systems in electric railways / G. Wu, J. Wu, W. Wei et al. // Energies. - 2018. -№17 (11). - P. 1-13.

38. Massat, J. P. Fatigue analysis of catenary contact wires for high speed trains / J. P. Massat, T. Nguyen-Tajan, H. Maitournam // 9 th World congress on railway research, Lille, France, 22-26 may 2011. - P. 1-11.

39. Kim, Y. Bending fatigue life evaluation of pure copper and copper alloy contact wire / Y. Kim, H. Li, M. Kang et al. // Journal of the Korean society for precision engineering. - 2012. - № 12 (29). - Р. 1346-1350.

40. Sugahara, A. Applicability of rain flow method to fatigue life span estimation of overhead contact wire / A. Sugahara, C. Yamashita, T. Usuki // QR of RTRI -2010. - Vol. 51. - No. 4. - P. 176-181.

41. Slade, P. G. Electrical contacts // Boca Raton: Taylor & Francis, 2014. 1257 p.

42. Saeid, Z. Nordic project and corrosion of electronics, II. Analysis of corrosion film chemistry on field and laboratory exposed Cu coupons and Au-plated samples / Z. Saeid, L. Christofel, H. Jan et al. // Proceedings 14th International conference electric contacts, Paris, 1988. - P. 255-260.

43. Государственный комитет по статистике Республики Узбекистан [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://stat.uz/ru (дата обращения: 12.10.2021).

44. Мониторинг загрязнения окружающей природной среды Республики Узбекистан [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://monitoring.meteo.uz (дата обращения: 12.10.2021).

45. Мухамеджанов, М. Ф. Обзор исследований взаимодействия контактной подвески и токоприемника высокоскоростных линий в мире / М. Ф. Мухамеджанов, А. Т. Бурков // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы: Сборник трудов LXXXIX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Санкт-Петербург, 15-22 апреля 2019 года. - Санкт-Петербург: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2019. - С. 32-36.

46. Кудряшов, Е. В. Совершенствование механических расчетов контактных подвесок на основе статических конечноэлементных моделей: дис. канд. техн. наук: 05.22.07 / Кудряшов Евгений Владимирович. - СПб., 2010. - 187 с.

47. Kudryashov, E. Parallel simulations of dynamic interaction between train pantographs and an overhead catenary line / E. Kudryashov, N. Melnikova // In: Sokolinsky, L., Zymbler, M. (eds) Parallel computational technologies. PCT 2022. Communications in computer and information science. Springer, Cham. 2022. - Vol. 1618. - P. 233247.

48. EN 50318:2018. Railway applications. Current collection systems. Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. - London, BSI Standards Publication, 2018. - 87 p.

49. Бурков, А. Т. Динамические характеристики контактной сети при повышении скоростей движения поездов / А. Т. Бурков, М. Ф. Мухамеджанов // Тезисы десятого международного симпозиума «Eltrans 10.0» : в 2 частях / Петербургский гос. ун-т путей сообщения; под ред. А. Т. Буркова, В. В. Никитина.

- Санкт-Петербург, 2019. - Ч. 1. - С. 23-24.

50. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи / В. П. Михеев.

- М. : Маршрут, 2003. - 416 с.

51. Derosa, S. Contact point lateral speed effects on contact strip wear in pantograph - catenary interaction for railway operations under 15 kV 16.67 Hz AC systems / S. Derosa, P. Navik, A. Collina et al. // Wear. - 2021. - Vol. 486-487. - P. 1-9.

52. Dang Van, K. High-cycle metal fatigue in the context of mechanical design, CISM courses and lectures / K. Dang Van, I. Papadoupoulos // Springer-Verglas, 1999.

- 395 p.

53. Бурков, А. Т. Логическое управление содержанием контактной подвески в системе токосъема при интенсивном движении поездов / А. Т. Бурков, М. Ф. Мухамеджанов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2021. - № 1(69). - С. 78-88.

54. Zhong, Y. A model for pantograph-catenary electromechanical interaction / Y. Zhong, J. Wu, F. Han et al. // International Journal of Performability Engineering. -

2018. - № 12 (14). - Р. 3140-3150.

55. Kubota, Y. Sliding wear behavior of copper alloy impregnated C/C composites under an electrical current / Y. Kubota, S. Nagasaka, T. Miyauchi et al. // Wear. -2013. - № 302 (1-2). - Р. 1492-1498.

56. Гершман, И. С. Токосъемные вставки для токоприемников железнодорожного транспорта / И. С. Гершман, Н. В. Миронос, М. А. Мельник и др. // Вестник ВНИИЖТа. - 2012. - № 4. - С. 3-10.

57. ГОСТ Р ИСО 4287-2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Профильный метод. Термины, определения и параметры структуры поверхности (ISO 4287:1997, IDT). - М. : Стандартинформ,

2019. - 23 с.

58. ГОСТ Р ИСО 25178-2-2014. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Ареал. Часть 2. Термины, определения и параметры структуры поверхности (ISO 25178-2:2012, IDT). - М. : Стандартинформ, 2015. - 50 с.

59. Утепбергенова, С. М. Методика расчета теплового состояния полоза токоприемника магистрального электроподвижного состава с учетом изменения положения контактного провода в плане / С. М. Утепбергенова, В. В. Томилов, О. А. Сидоров // Известия Транссиба. - 2019. - № 4 (40). - С. 43 - 53.

60. Xu, Z. Stress analysis and fatigue life prediction of contact wire located at steady arms in high-speed railway catenary system / Z. Xu, Y. Song, Z. Liu // IEEE transactions on instrumentation and measurement. - 2022. -Vol. 71. - P. 1-12.

61. Qi, G. Fatigue life evaluation on key components of high-speed railway catenary system / G. Qi, X. Xiao, H. Zhao et al. // Journal of Central south university. -2018. - № 25 (8). - P. 1958-1965.

62. Мухамеджанов, М. Ф. Моделирование процессов в скользящем контакте токоприемника и контактной подвески в условиях высокоскоростного движения / М. Ф. Мухамеджанов // Известия Транссиба. - 2021. - № 4 (48). - С. 57-65.

63. Song, Y. Assessment of the high-frequency response in railway pantograph-catenary interaction based on numerical simulation / Y. Song, A. R0nnquist, P. Navik // IEEE transactions on vehicular technology. - 2020. - Vol. 69. - No. 10. - P. 1059610605.

64. Патент № 2762580. Российская Федерация, МПК В60М 1/28. Способ расположения контактного провода цепной подвески / Бурков А. Т., Мухамеджанов М. Ф.; заявитель и патентообладатель Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I. -№ 2021117765; заявлено 16.06.2021; опубл. 21.12.2021, Бюл. № 36. - 5 с.: 3 ил.

65. EN 50317:2012. Railway applications. Current collection systems. Requirements for and validation of measurements of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line. - London, BSI Standards Publication, 2012. - 18 p.

66. Мухамеджанов, М. Ф. Разработка требований к устройствам логического управления содержанием контактной сети скоростных линий / М. Ф. Мухамеджанов // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. -Вып. 4. - С. 8-17.

67. Gao, Sh. Automatic detection and monitoring system of pantograph-catenary in China high-speed railways / Sh. Gao // IEEE transactions on instrumentation and measurement. - 2020. - № 70. - Р. 1-12.

68. Купцов, Ю. Е. Увеличение срока службы контактного провода. / Ю. Е. Купцов // М. : Транспорт, 1972. - 160 с.

69. Барч, Д. В. Совершенствование системы обслуживания устройств электроснабжения на основе мониторинга и диагностики / Д. В. Барч // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2012. - Вып. 3. - С. 103-110.

70. Ikeda, M. Recent and development activities in maintenance technologies for electric railway power supply systems / M. Ikeda // QR of RTRI. - 2020. - № 1 (61). - P. 6-10.

71. Жарков, Ю. И. Развитие системы диагностики и определение технического состояния контактной сети в области дугового токосъема / Ю. И. Жарков, Ю. Г. Семенов // Вестн. РГУПС. - 2015. - № 3. - С. 112-116.

72. Бурков, А. Т. Совершенствование методики прогнозирования показателей системы токосъема при увеличении скоростей движения / А. Т. Бурков, Г. Р. Ермачков, А. В. Рыжков // Изв. Транссиба. - 2018. - № 3 (35). - С. 91-100.

73. Киселев, И. П. Высокоскоростной железнодорожный транспорт. Общий курс: учеб. пособие в 2-х т. Т. 1. 2-е изд. / Под ред. И. П. Киселева. - М.: ДПО, 2020. - 428 с.

74. Цветков, В. Я. Геоинформационные системы и технологии / В. Я. Цветков. М.: Финансы и статистика, 1997. - 290 с.

75. Гончаров, А. А. Функциональная агрегативная модель системы логического управления электроприводами технологического комплекса / А. А. Гончаров // Энергетика: международный научно-технический и производственный журнал (Изв. высш. учебн. заведений и энерг. объединений СНГ). -2006. - № 3. - С. 54-61.

76. Кудряшов, Е. В. Информационное сопровождение жизненного цикла контактной сети на основе конечно-элементной математической модели / Е. В. Кудряшов // Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе: Сб. науч. трудов ВНИИЖТ. - М.: Интекст, - 2010. - С. 52-66.

77. Stimpson, A. J. Assessing intervention timing in computer-based education using machine learning algorithms / A. J. Stimpson, M. L. Cummings // IEEE Access. -2014. - Vol. 2. - P. 78-87.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Документы, подтверждающие новизну технических разработок.

Патент

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

О

о

00 ю

CVI (О

г-

CVI

Qt

RU

(id

2 762 58013 С1

(51) МПК В60М1/28 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

(52) СПК

В60М1/28 (2021.08)

(21)(22) Заявка: 2021117765, 16.06.2021

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 16.06.2021

Дата регистрации: 21.12.2021

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 16.06.2021

(45) Опубликовано: 21.12.2021 Бюл. № 36

Адрес для переписки:

190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, Патентный отдел, ФГБОУ ВО ПГУПС

(72) Автор(ы):

Бурков Анатолий Трофимович (1Ш), Мухамеджанов Мохирбек Фуркатович (1Ш)

(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" (1Ш)

(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1Ш 2240936 С1, 27.11.2004.1Ш 2005636 С1,15.01.1994.1Ш 2088434 С1, 27.08.1997. ЕР 0897826 В1, 06.09.2017.

(54) Способ расположения контактного провода цепной подвески

(57) Формула изобретения Способ расположения контактного провода цепной подвески, заключающийся в прокладке провода у опор зигзагами относительно оси пути, отличающийся тем, что поперечные смещения контактного провода у промежуточных опор контактной сети осуществляют через одну опору на всех анкерных участках, при этом последовательные значения чередующихся смещений в разные стороны от оси пути выбирают в соответствии с коммутационной функцией f(n) координат фиксации положения провода у опор:

п +1

+1, если--целое число',

т=

О, если п - четное число, включая 0;

1 п~Х

-1, если--целое число,

где п - независимая дискретная переменная, равная номеру опоры контактной сети, на которой фиксируется отклонение контактного провода от оси железнодорожного пути;

+1 - направление зигзага в сторону опоры со значением +300 мм; 0 - точка фиксации совпадает с осью железнодорожного пути; -1 - направление зигзага в сторону от опоры со значением -300 мм.

7J С

го -ч о> го сл 00 о

о

Стр.: 1

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационного

исследования. Справка о внедрении

«О гВЕК^ТОЫ ТЕМИ? УО'ЬЬАШ»

И 100060 ТРБИкегИ эЬ., Т. БЬеус11епко ко'сЬаэ!, 7 8 Те1:(71) 238-87-54, Гах:(71) 238-81-00, е-таН: [e-mail]

Результаты диссертационной работы аспиранта Мухамеджанова Мохирбека Фуркатовича на тему: «Совершенствование контактной сети для высокоскоростного движения в Узбекистане», выполненной на кафедре «Электроснабжение железных дорог» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I, внедрены на контактной сети высокоскоростного участка Блок-пост - Даштабад - Зарбдор Хавастской дистанции электроснабжения (ЭЧ-2), что позволяют:

1. Увеличить отказоустойчивость и ресурс контактирующих элементов токоприемника высокоскоростного подвижного состава «АйчшуоЬ» и контактной подвески в системе токосъема.

2. Повысить динамическую устойчивость токоприемника и уменьшить циклическую нагрузку на опорные и поддерживающие конструкции контактной сети.

3. Производить прескриптивный контроль эффективности токосъема с использованием интеллектуальных методов обработки измерительной информации.

4. Снизить эксплуатационные расходы на содержание контактной сети на стадиях жизненного цикла.

АК81УАОО!?ЫК иАМIУАТ1

Е1_ЕКТ1? ТАМШОТ1 ВОБНОАКМАБ!

У О. 05~> ЭКС-5/ Ь Ъ <2-

СПРАВКА

о внедрении результатов исследования

Начальник управления электроснабжения АО «Узбекистон темир

Сулаймонов М.М.