Совершенствование методов диагностирования токоприемников электрического транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Слатин Анатолий Игоревич

• Слатин Анатолий Игоревич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Слатин Анатолий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1 Нагрузки, действующие на токоприемники электроподвижного состава

1.2 Анализ повреждающих факторов, вызывающих выход из строя токоприемников20

1.3 Направления совершенствования конструкции токоприемников при увеличении эксплуатационных нагрузок

1.4 Перспективные технические требования для токоприемников повышенной работоспособности

Выводы по первой главе

2 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УПРОЧНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ

ПРОИЗВОДСТВА СИСТЕМЫ ПОДВИЖНЫХ РАМ ТОКОПРИЕМНИКА

2.1 Особенности изменения конструкционных свойств упрочненных алюминиевых сплавов в зависимости от выдержки при различных температурах

2.2 Определение интенсивности нагрева основных узлов токоприемника внутренними источниками теплоты, с учетом эксплуатационных факторов

2.3 Метод определения теплового износа рычагов системы подвижных рам в ходе эксплуатации

2.4 Совершенствование алгоритма технического диагностирования токоприемника

Выводы по второй главе

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО

КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПОДВИЖНЫХ РАМ ТОКОПРИЕМНИКА

3.1 Разработка модуля дистанционного измерения температуры системы подвижных рам токоприемника при эксплуатации

3.2 Оперативный контроль жесткости системы подвижных рам в эксплуатации

3.3 Уточнение частоты колебаний рычагов токоприемника с помощью оконного метода

Выводы по третьей главе

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

4.1 Применение автономного диагностического комплекса на коммерческом электроподвижном составе

4.2 Совершенствование технологического процесса обслуживания токоприемников электроподвижного состава

4.3 Предпосылки для изменения конструкции верхнего рычага системы подвижных рам

4.4 Оценка изменения показателей назначения токоприемника модернизированной конструкции

4.4.1 Изменение показателей назначения токоприемника модернизированной конструкции

4.4.2 Калибровка устройства для измерения поперечной жесткости макета токоприемника АИСТ ЭИНМВ

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов диагностирования токоприемников электрического транспорта»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В соответствии с положениями распоряжения Правительства Российской Федерации от 27.11.2021 № 3363-р «Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года» [50] предусмотрен также рост транзитных перевозок, являющихся в том числе, экспортным продуктом.

В рамках реализации распоряжения Правительства Российской Федерации предусмотрено повышение энергетической эффективности и применение ресурсосберегающих технологий в перевозочном процессе. Общемировые тенденции повышения скоростей движения на железнодорожном транспорте нашли отражение в том числе и в «Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года с прогнозом на период до 2035 года», утверждённой распоряжением Правительства РФ от 27.11.2021 № 3363-р, в соответствии с которой одним из приоритетных направлений развития является повышение показателей эффективности электроподвижного состава.

Создание новой техники транспортных систем входит в Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации (утвержден Указом Президента Российской Федерации от 07 июля 2011 г. [87]), повышая готовность транспортной отрасли к импортозамещению, снижая зависимость от поставок из-за рубежа, что является актуальным вопросом в текущей геополитической и эпидемиологической обстановке.

Повышение эффективности функционирования железнодорожного транспорта возможно при одновременном снижении издержек и повышении производительности, что становится возможным за счет применения новых конструкционных материалов, схемных решений, технологий изготовления и эксплуатации.

Имеющиеся на сегодняшний день ограничения, связанные с дальнейшим ростом массы составов и скорости их движения, связаны в том числе

с обеспечением непрерывной передачи тягового тока на электроподвижной состав через скользящий контакт системы токосъема.

При увеличении скорости движения, возрастающие динамические и аэродинамические нагрузки приводят к ухудшению качества электрической энергии, передаваемой на электроподвижной состав, учащению нарушений в работе системы токосъема. При увеличении тягового тока последствия таких нарушений приводят к оплавлению токосъемных элементов токоприемника и пережогам контактных проводов.

Традиционными путями для повышения динамических качеств токоприемников электроподвижного состава являются снижение массы и размеров их узлов и деталей. Опыт эксплуатации модернизированных токоприемников на зарубежных скоростных линиях показывает, что снижение ресурсных показателей требует переустройства контактной сети на всём протяжении участка эксплуатации модернизированного электроподвижного состава. При этом электроподвижной состав предыдущих поколений ограниченно совместим с модернизированными линиями.

Использование в конструкции токоприемников современных высокопрочных материалов позволяет достичь требуемых эксплуатационных показателей без изменения габаритов электроподвижного состава, при этом для снижения стоимости необходим обоснованный выбор запасов прочности без потери работоспособности. Обеспечить данное требование возможно путем применения современных систем мониторинга технических параметров как силовой, так и токоведущей подсистем токоприемника. Данный подход не только предупреждает внезапные случаи выхода из строя, но и позволяет повысить точность установления причин нарушений в работе системы токосъема, приводящих к отказу. Развитие технологий диагностирования с использованием современной элементной базы создает предпосылки для создания и эффективного применения таких устройств.

Особенностью магистралей ОАО «РЖД», электрифицированных с применением системы тягового электроснабжения постоянного тока

напряжением 3,3 кВ, суммарной протяженностью более 82 тыс. км развернутой длины, является передача токов свыше 3000 А.

Токоприемники, эксплуатируемые на данных участках, испытывают повышенный нагрев, особенно во время трогания и разгона, при этом они должны быть способны в течение длительного времени выдерживать протекание тягового тока, не теряя во время эксплуатации своих механических и электротехнических свойств.

В ходе многочисленных исследований было установлено, что термически и деформационно-упрочненные алюминиевые сплавы, из которых изготавливаются детали токоприемников электроподвижного состава, с течением времени теряют свои механические свойства. Данный процесс скоротечен при высокой температуре. При снижении температуры он протекает медленнее, но с учетом длительного срока службы токоприемников может приводить к преждевременной потере их несущей способности. Нужно отметить, что внешние проявления теплового разупрочнения практически отсутствуют и сложны для диагностики неразрушающими дистанционными способами, поэтому тепловая деградация может привести к внезапным отказам в работе токоприемника.

Рост эксплуатационных показателей при сокращении издержек требует совершенствования системы токосъема, что отражено в Стратегии [50]. Увеличение нагрузочной способности токоприемников приводит к повышению производительности электровозов, эксплуатирующихся на линиях постоянного тока, что является актуальной задачей и имеет большое значение для развития отрасли.

Степень разработанности темы диссертации. Теоретическими и экспериментальными исследованиями системы токосъема, совершенствованием токоприемников для повышенных токовых нагрузок и высоких скоростей движения занимались такие известные ученые, как И. А. Беляев, В. Я. Берент, Ю. Л. Большаков, Н. А. Буше, Е. А. Вологин, Е. И. Гершман, И. С. Гершман,

A. С. Голубков, А. Г. Гинсбург, А. В. Ефимов, Д. А. Ефимов, Ю. Е. Купцов,

B. Н. Ли, А. М. Маханько, М. А. Мельник, А. Е. Миронов, Н. В. Миронос,

В. П. Михеев, В. М. Павлов, А. В. Паранин, Л. Н. Рачек, О. А. Сидоров,

A. Н. Смердин, С. А. Ступаков, А. Т. Тибилов, В. В. Томилов, П. Г. Тюрнин.

B. М. Филиппов, А. В. Чичинадзе, S. Aoki, G. Auditeau, H. Biesenack, М. Deutzer, S. Kubo.

Научные исследования упомянутых авторов направлены на улучшение характеристик токоприемников, стабилизацию контактного нажатия, повышение надежности узлов и деталей. Большое внимание уделено развитию диагностических и управляющих устройств токоприемника, обеспечивающих выведение из работы неисправных или поврежденных токоприемников. При этом рассматривались системы, реагирующие на произошедшие повреждения и нарушения в работе токоприемников, способные минимизировать нарастание объемов повреждений системы токосъема за счет скорейшего опускания токоприемников.

Реализованные большими партиями защитные и предохранительные устройства срабатывают в основном при наезде на препятствия, расположенные на контактном проводе, при разрушении контактных элементов или при подъеме на недопустимую высоту. Прочие причины (нагрев, появление деформаций, разрушение токоведущих элементов конструкции и т.д.) не приводят к срабатыванию указанных устройств.

Для повышения работоспособности и эффективности системы токосъема необходимо учитывать эксплуатационные факторы, приводящие к повреждениям токоприемников. При разработке новых конструкций рычагов системы подвижных рам, а также предохранительных устройств, позволяющих вовремя отслеживать наступление их тепловой деградации, необходимо совершенствовать методы теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение динамических качеств токоприемника, точности и достоверности работы систем мониторинга и диагностики.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности электроподвижного состава за счет совершенствования технологии

эксплуатации токоприемников посредством применения диагностических устройств, контролирующих температурные параметры.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать причины нарушения работоспособности систем подвижных рам токоприемников при эксплуатации и предложить показатель для контроля их работоспособности.

2. Усовершенствовать математическую модель системы подвижных рам токоприемников для оценки теплового разупрочнения её рычагов во время эксплуатации.

3. Усовершенствовать метод расчета срока службы системы подвижных рам токоприемников с учетом нагрева во время эксплуатации.

4. Предложить методику автоматического контроля температуры системы подвижных рам токоприемников во время движения.

5. Разработать алгоритм и усовершенствовать программно-аппаратный комплекс мониторинга и контроля работоспособности токоприемника для регистрации и обработки температурных параметров системы подвижных рам для обеспечения возможности автономной работы на крыше электроподвижного состава.

6. Усовершенствовать методику экспериментального определения жесткости системы подвижных рам токоприемников в лабораторных и натурных условиях.

Объекты исследования - токоприемники электроподвижного состава.

Направления исследований - методы и технические решения, направленные на повышение эффективности эксплуатации токоприемников электроподвижного состава.

(Соответствует пункту 3 паспорта научной специальности 2.9.3. Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация: Техническая диагностика подвижного состава. Автоматизация процессов технической диагностики и мониторинга технического состояния подвижного состава. Бортовые, мобильные и встроенные устройства диагностики).

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен научно обоснованный показатель температурной деградации системы подвижных рам токоприемника, отличающийся тем, что для расчета функции нелинейного изменения прочностных показателей рычагов от времени учитываются фактические значения их температуры и продолжительности эксплуатационных режимов.

2. Усовершенствована математическая модель системы подвижных рам токоприемника, отличающаяся тем, что разупрочнение её рычагов под действием нагрева описано в виде переходного процесса между упрочненным и разупрочненным состоянием.

3. Разработан метод расчета срока службы системы подвижных рам токоприемников, отличающийся тем, что накопленное значение тепловой деградации вычисляется с использованием нелинейного преобразователя функции температуры от времени.

4. Предложен усовершенствованный алгоритм для определения температуры системы подвижных рам с помощью тепловизионной матрицы низкого разрешения, отличающийся тем, что для определения в кадре рычагов токоприемника используется свёрточная нейронная сеть.

5. Усовершенствована методика экспериментального определения жесткости системы подвижных рам токоприемников в лабораторных и натурных условиях, отличающаяся тем, что жесткость определяется как функция от частоты затухающих колебаний верхнего узла системы подвижных рам.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Предложенный научно обоснованный показатель температурной деградации системы подвижных рам токоприемников позволит прогнозировать остаточный срок службы и таким образом, снижать затраты, связанные с внезапным выходом из строя.

2. Усовершенствованная математическая модель и метод расчета теплового износа системы подвижных рам позволит на этапе проектирования более точно определять интервалы регламентных работ и срок службы токоприемников,

повысить достоверность расчетов показателей жизненного цикла электроподвижного состава.

3. Предложенный усовершенствованный алгоритм для определения температуры системы подвижных рам с помощью тепловизионной матрицы низкого разрешения позволит повысить энергетическую и информационную эффективность автономных систем диагностики токоприемников, снизить затраты на дооснащение электроподвижного состава системами мониторинга.

4. Усовершенствованная методика экспериментального определения жесткости токоприемников позволит включить проверку данного параметра в перечень регламентных работ при техническом обслуживании электроподвижного состава, снизить количество отказов без значительного увеличения трудовых и временных затрат во время эксплуатации.

5. Усовершенствованное устройство для определения температуры системы подвижных рам токоприемника и технология эксплуатации могут быть использованы для повышения работоспособности электроподвижного состава на железных дорогах Российской Федерации.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе методов теории расчета токоприемников электроподвижного состава, планирования эксперимента, математической статистики, математического моделирования. Использовались аналитические и численные методы аппроксимации и сглаживания экспериментальных данных, математические и имитационные методы моделирования, метод динамического измерения твердости.

Для проведения расчетов и анализа математических зависимостей применялись лицензионные программные продукты: электронные таблицы Microsoft Excel, пакет прикладных программ MATLAB, среда комплексного моделирования SolidWorks.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод определения показателя температурной деградации системы подвижных рам токоприемников, учитывающий фактические значения температуры и времени воздействия.

2. Математическая модель разупрочнения рычагов системы подвижных рам токоприемников под действием температуры.

3. Алгоритм для определения температуры системы подвижных рам рычагов токоприемников с помощью тепловизионной матрицы низкого разрешения.

4. Метод расчета остаточного срока службы системы подвижных рам токоприемников на основе использования нелинейного преобразователя функции температуры от времени с последующим интегрированием результата.

5. Усовершенствованная методика экспериментального определения жесткости токоприемников как функции от частоты затухающих колебаний верхнего узла системы подвижных рам.

Реализация результатов работы.

Усовершенствованная методика экспериментального определения жесткости токоприемников электроподвижного состава в лабораторных и натурных условиях внедрена в ООО «ИЦ «Привод-Н» при проведении исследовательских испытаний.

Математическая модель разупрочнения рычагов системы подвижных рам токоприемника под действием температуры внедрена

в ООО «С Электротранспорт» при разработке показателей назначения новых конструкций токоприемников. Фактическое использование результатов диссертационной работы подтверждено актами внедрения.

Степень достоверности научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, практической реализацией и основана на использованных положениях теории планирования эксперимента, математической статистики и математического моделирования. Адекватность предложенных решений подтверждена достаточно высокой степенью согласования результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных (расхождение составляет не более 10 %).

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической

конференции «Инновационные технологии на транспорте: образование, наука, практика» (Алматы, 2018), на десятом и 11 международных симпозиумах «Eltrans» (Санкт-Петербург, 2019, 2023), на всероссийской научной конференции «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2020), на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации устройств электроснабжения электрического транспорта» (Омск, 2023), на расширенном заседании кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа (Омск, 2023), на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития научных исследований: теоретический и практический взгляд» (Стерлитамак, 2024), на международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения, инновации» (Уфа, 2024), на заседании постоянно действующего научно-технического семинара Омского государственного университета путей сообщения по экспертизе и обсуждению диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, ученой степени доктора наук по научным специальностям технических отраслей науки (Омск, 2024).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 научных работ, в том числе четыре научных статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, одна статья в издании, индексируемом в международной реферативной базе данных Scopus, один патент РФ на изобретение, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 113 наименований, четырех приложений и содержит 157 страниц текста, включая 56 рисунков и 37 таблиц.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Электроподвижной состав (ЭПС) магистральных электрических железных дорог совершенствуется в условиях жесткой конкуренции с другими видами транспорта и поэтому снижение затрат электроэнергии на тягу, а также металлоемкости конструкций, является важным ресурсом экономии издержек [49].

Токоприемники электровозов и электропоездов на современном этапе развития представляют собой изделия с плохообтекаемыми формами, благодаря чему они генерируют до 1 кН лобового аэродинамического сопротивления [70], что вносит значительный вклад в общее сопротивление движению электровоза [13].

Появление новых и улучшение свойств известных конструкционных материалов создает предпосылки для оптимизации конструкции токоприемников, уменьшения их массы и поперечного сечения без снижения проводимости, прочности, жесткости и срока службы. При этом высокие потребительские свойства материалов достигаются с помощью термического и деформационного упрочнения. Инновационные технические решения, направленные на снижение массы и поперечного сечения рычагов системы подвижных рам (СПР) [94], в основном базируются на применении инновационных конструкционных материалов, прошедших дополнительную обработку (закалку, отпуск, старение, прокат, наклеп и т.д.) [93]. Известны также решения, в которых поперечное сечение рычагов СПР удается снизить за счет использования наполнителя в виде металлической пены [76]. Комбинированные электропроводящие и силовые элементы имеют повышенную чувствительность к тепловому воздействию [31, 33], поэтому в случае их применения в конструкции токоприемников необходимо контролировать нагрев.

Система подвижных рам токоприемника является одним из самых механически и электрически нагруженных узлов, при этом она обладает

значительной массой и создает до 80 % аэродинамического сопротивления токоприемника [17, 18].

Основные эксплуатационные факторы, влияющие на конструкцию токоприемника, можно разделить на две группы: электрические и механические.

К электрическим относятся: нагрев от протекающего тягового тока, сила которого может варьироваться в широких пределах; дуговые разряды, мощность которых также зависит от тягового тока. Механические, в свою очередь, делятся на статические и динамические (аэродинамическое воздействие, инерционные и внешние силы, действующие со стороны крыши электроподвижного состава и со стороны контактной сети).

В результате учета действия вышеуказанных и других факторов (рисунок 1.1 а) конструкция токоприемников электроподвижного состава сформировалась в следующем виде (рисунок 1.1 б): основание (1), служащее для размещения всех элементов и узлов токоприемника под высоким напряжением относительно электровоза; система подвижных рам (2), служащая для перемещения контактных элементов (3) токоприемника на нужную высоту; подъемно-опускающий механизм (4), приводящий в движение систему подвижных рам; каретки (5) подрессоривания контактных элементов. Названные части являются основными, и имеется также значительное число дополнительных узлов [32]. При этом необходимо отметить, что большинство из дополнительных элементов позволяют улучшить какой-либо показатель токоприемника в ущерб остальным, поэтому их установка должна быть обоснована.

Из числа основных элементов токоприемника наибольшую нагрузку в эксплуатации испытывают полоз и контактные элементы. Именно с ними связано большинство отказов токоприемников [68]. При этом в современных условиях можно рассматривать полоза (особенно выполненные в виде самонесущих контактных элементов) как расходный материал. Их замена должна осуществляться на основании методологии «Управление ресурсами, рисками и надежностью на этапах жизненного цикла объектов железнодорожного транспорта» (УРРАН) [46].

Основные факторы, влияющие на конструкцию токоприемника

к н и

о «

о X

£ ей

н X о и и

X

<и

С ей X л X <и ю о

Эксплуат ационные

ё

О

8 §

ев

К X о

ев И О

н и

к

X

<и

£

X .

со и и Ч О X л

X

к

о X

о с

о

X

<и *

к и

4

Л

н о о сх о и о

5

X ю X

£ ^

н о

к о и

к

о «

о к

£ ев

н X о и

к и и о

К

ч ЕТ

и

О И Н О

и ЕТ ев И

О

й

К

§ ев

2 Й К

И к «

к к

ев

ю и ч о и

X

к и о и

ЕГ К X ев

щ н сР и

ев &

С

Погодные

Л

ч

и р

о «

и

Ё? §

* р

И О

ев р

£ р

С

и н ч

ев X Л

ч

ев

К о И ев

Л

ч

и р

о «

и

3

§

р

и о

ев р

£ р

и

и Н

£ X л

к

X

к

Конструктивные

Л

н

о

о

3

и

«

и

сг

о

ю

ев р ю о

ч ч

к о

к И

и о

к р

и X

Й

со

К 3

о к н

и о ев

Н

к X

н о

о И

ЕТ

о

ч

X

о

ев С

ев

К

ч

ч

к

X

<и

^ к

о н

ч о ЕГ

с и

ч X

к ев

X ч

<и с

X <и ю

ю

СО о

к ч

о и о о ю о р X

к н Й

3

ЕГ X н

о

ч ев

X н к

о о

оЗ И

с

ев

к

ч

ев И Н О

ч о и

§3

о сх с

и

к

и о и о и

сг £

о ч о X X и н

а

б

Рисунок 1.1 - Основные факторы (а), влияющие на конструкцию

токоприемников ЭПС (б)

Остальные узлы и элементы токоприемников имеют более высокую надежность, что позволяет проводить их замену по истечении нормативного пробега или срока эксплуатации в рамках технического обслуживания и планового ремонта ЭПС.

Несмотря на отмеченные особенности эксплуатации, отказы основных элементов токоприемника все же происходят [14]. Например, в Швеции [98], где имеется длительный опыт эксплуатации скоростных поездов в условиях, близких к российским, получены статистические данные о том, что подавляющее большинство задержек поездов на электрифицированных линиях происходит по причинам, связанным с повреждениями токоприемников (рисунок 1.2).

1200 - 1000

4 800 600

400 ? 200 0 1 1 / 11111 >3 4 5 6 1 1 1 1 ) 7 8 9

1 - отказ токоприемника; 2 - природные факторы; 3 - усталость металла; 4 - электрические перенапряжения; 5 - повышенное натяжение проводов; 6 - бракованные изделия;

7 - старение технических средств; 8 - вандализм; 9 - причина не установлена

Рисунок 1.2 - Распределение суммарного времени задержек поездов на электрифицированных линиях шведских железных дорог при различных видах нарушений в работе системы токосъема в течение года

Необходимо отметить, что значительную долю отказов составляют отказы, связанные с системой подвижных рам, рычаги которой теряют несущую способность, приобретают недопустимые изгибы и изломы.

Подобные нарушения работоспособности неизбежно приводят к разрастанию повреждений системы токосъема и поэтому их число должно быть минимизировано. При этом повышение прочности рычагов системы подвижных рам за счет увеличения их сечения и массы не является рациональным решением,

так как динамические показатели токоприемников, относящиеся к важнейшим, ухудшаются.

1.1 Нагрузки, действующие на токоприемники электроподвижного состава

Токовые нагрузки на систему подвижных рам современных токоприемников могут превышать 3000 А [73]. При этом правильно спроектированная конструкция обеспечивает нагрев не более 120°С при температуре окружающей среды 20°С [8]. В ходе длительной эксплуатации, а также из-за развития дефектов сварных соединений, ослабления затяжки болтов и гаек, повреждений токоведущих шунтов, возникают предпосылки для появления локальных участков нагрева, которые могут быть обнаружены только в ходе специальных нагрузочных испытаний [40] или во время тепловизионного наблюдения в режиме тяги [86].

Токовые нагрузки во время эксплуатации варьируются, нагрев токоведущих частей также не постоянен во времени. Для обеспечения заявленной работоспособности токоприемника допустимый ток определяют исходя из самого неблагоприятного сочетания эксплуатационных и погодных условий, в результате чего значительную часть времени токоприемники работают с частичной нагрузкой.

Аэродинамические силы, действующие на токоприемник, проявляются на скоростях, превышающих 20 м/с. Анализ публикаций по данной тематике показывает [17, 18, 19, 47, 72, 85], что аэродинамические силы, действующие фронтально, могут достигать 400 Н на скорости 66 м/с и увеличиваться по параболическому закону. На максимальных скоростях данные силы варьируются в диапазоне от 800 до 1200 Н в зависимости от высоты подъема.

Аэродинамические силы, действующие в вертикальной плоскости на различные части токоприемника, зависят от коэффициентов аэродинамической подъемной силы и при росте скорости могут превышать значение статического нажатия [102].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Слатин Анатолий Игоревич, 2024 год

- —►

л

Мл, МЛ/1 лл А

1111114 (V

0 12 3 с 5

?-►

Экспериментальные исследования, проведенные в лабораторных условиях, позволяют сделать вывод, что наименьшее значение поперечной жесткости токоприемника соответствует максимальному высотному положению полоза [67].

В рамках испытаний сделана оценка чувствительности метода к температуре системы токоведущих рам. Для этого с помощью разработанного стенда [61] рычаги токоприемника охлаждались до температуры - 50 °С, после чего проводилось повторное определение жесткости.

Таким образом, для проверки жесткости токоприемника без снятия с крыши электроподвижного состава достаточно получить частоту его поперечных колебаний на максимальной рабочей высоте, после чего, по приведенным выражениям, определить численное значение. При неудовлетворительном значении жесткости токоприемник необходимо демонтировать и с помощью специального оборудования установить неисправность, после чего устранить причину пониженной жесткости.

Экспериментальные исследования, выполненные в лаборатории «Контактные сети и линии электропередачи» ОмГУПСа, позволили сравнить значения жесткости системы подвижных рам физической модели токоприемника, измеренные традиционным способом, с полученными согласно предложенной методики (рисунок 3.22).

25

Н/мм

23 ▲ 22

21 20 19 18

к

17 16 15

мм

к -►

Рисунок 3.22 - Значения жесткости однорычажного токоприемника, измеренные традиционным способом и с помощью предлагаемой методики

1 1 В

♦

♦ - Значенн я, полученные

предлаг аемыы способо] я, полученные юнным способо VI; ♦

■ - Значенн ♦

С учетом того, что поперечную жесткость системы принято измерять на наибольшей рабочей высоте, где расчетные и экспериментальные значения практически совпадают, было принято решение ограничить область применения предлагаемого метода наибольшей рабочей высотой в соответствии с п. 7.3.8. ГОСТ 32204-2013. Результаты на максимальной рабочей высоте показывают сходимость, достаточную для прикладного применения разработанной методики при проверке жесткости токоприемника после проведения технического обслуживания (ТО-2) или ремонта (ТР-1; ТР-2; ТР-3).

Практическая ценность предложенного способа контроля жесткости заключается в сокращении временных затрат на обслуживании токоприемников, а также в снижении трудоёмкости измерения поперечной жесткости токоприемников - параметра, который является одним из ключевых при обязательном подтверждении соответствия согласно ГОСТ 32204-2013 «Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава».

В настоящее время модель поперечных колебаний токоприемника в рамках инициативных исследований совершенствуется для обеспечения применимости разработанной методики при эксплуатации токоприемников других конструкций, разработано устройство для регистрации колебаний токоприемника без снятия с электровоза.

Логическая схема работы предлагаемого устройства представлена на рисунке 3.23.

Сигнал акселерометра, оцифрованный с помощью АЦП, посредством быстрого преобразования Фурье раскладывается на гармонический состав. Гармоника, имеющая наибольшую амплитуду, используется для определения основной частоты колебаний системы подвижных рам. С помощью дерева принятия решения выполняется классификация диагностической ситуации: соответствует или нет жесткость системы подвижных рам необходимому значению. В этом алгоритме имеется возможность ввести критерии, связанные с высотным положением полоза токоприемника, пробегом или износом.

Акселерометр

_I_

Блок преобразования виброграммы в спектр частот колебаний

12 -г 10 1

О 20 40 60 ВО 100 120 140 160 160 200

_у_

Блок расчета поперечной жесткости

Блок принятия решения о продолжении эксплуатации токоприемника

Рисунок 3.23 - Схема преобразования информации предлагаемого устройства

Для автоматического анализа колебаний, а также выработки рекомендаций о диагностической ситуации, используется разработанный программный комплекс [58, 77].

В качестве дальнейшего направления разработки данной темы можно отметить, что изучение спектрального состава колебаний, зарегистрированных, в том числе и на неисправных токоприемниках, позволит выделить паттерны, соответствующие различным неисправностям, составить классификатор состояний, прогнозировать, по мере накопления данных, их работоспособность и тем самым не только повысить производительность и эффективность

диагностических процедур, но и в соответствии с утвержденной долгосрочной программой развития ОАО «РЖД» [51], перейти к «цифровой железной дороге».

3.3 Уточнение частоты колебаний рычагов токоприемника с помощью оконного метода

Особенностью задачи определения частоты колебаний системы подвижных рам является высокая точность измерения, поскольку для наблюдения за деградацией важно иметь возможность регистрировать изменение частоты на 1 - 2 %.

Так как частота затухающих колебаний предполагается в диапазоне 1 - 4 Гц, частоту дискретизации измерения частоты предлагается принять не менее100 Гц. При этом нужно учитывать, что частота не может быть избыточной, так как это снижает производительность компонентов в составе измерительной системы.

При использовании преобразования Фурье для определения амплитудного спектра периодического сигнала имеется ограничение, связанное с дискретностью полученного спектра:

Максимальная частота полученного спектра:

р р

р =—— (3 15)

гтах 2 ДГ '

где ^ - частота дискретизации сигнала, Гц.

N - количество измерений сигнала.

Шаг изменения частоты в спектре Л/ определяется по формуле:

Л/ = — . (3.16)

У N

Шаг изменения частоты представляет собой разрешение спектра, который ограничивает точность измерения частоты при помощи преобразования Фурье.

При количестве измерений сигнала N =1024 это дает шаг спектра 0,097 при частоте дискретизации 100 Гц; 0,97 - при частоте дискретизации 1000 Гц.

Для повышения точности измерения частоты сигнала предлагается воспользоваться методикой многомерного дискретного преобразования Фурье [111].

При использовании дискретного преобразования Фурье для измерения частоты сигнала длительность сигнала является ограниченной. Во многих случаях период измеряемого сигнала не укладывается целое число раз в отрезок измерения. Это вызывает разрыв в начальном и конечном значении сигнала, что приводит к утечке спектра. Этот разрыв в сигнале добавляет в спектр высокочастотные компоненты, отсутствующие в исходном сигнале. Это приводит к эффекту, когда энергия сигнала на одной частоте утекает в другие частоты (рисунок 3.24).

0 2 4 6 8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

<:, с I Гц

Рисунок 3.24 - Эффект утечки спектра при разрыве сигнала в начале

и окончании измерения

Для минимизации данного эффекта используется метод, называемый оконным. Окно уменьшает амплитуду разрывов на границах сигнала. Окно получают путем умножения сигнала на функцию с плавно и плавно изменяющейся амплитудой, равной 0 на границах сигнала. Это приводит к тому, что конечные точки сигнала встречаются, что позволяет получить непрерывный сигнал без резких переходов на границах.

В диссертационной работе была использована оконная функция Ханна:

ы(п) = 5т2(—) , (3.17)

где п - номер отсчета измеренного сигнала.

На рисунке 3.25 показано применение оконной функции к записи колебаний системы подвижных рам с частотой 1,25 Гц.

Рисунок 3.25 - Применение оконной функции Ханна для предотвращения утечки спектра

В результате данного преобразования полученная частота сигнала при обработке примера составила 1,2658 Гц, что соответствует ошибке в 1,2 %.

В случае зашумленного сигнала предварительно применяются фильтры, снижающие шум. Поскольку исследуемый сигнал является периодическим, для фильтрации сигнала хорошо подходит автокорреляционный фильтр.

Выводы по третьей главе

1. Разработанный модуль дистанционного измерения позволяет с достаточной точностью определять температуру элементов системы подвижных рам токоприемника в независимости от их перемещения в пределах рабочего диапазона.

2. Применение предложенного метода для распознавания расположения полоза в кадре тепловизора основанного на применении сверточной нейронной сети позволяет значительно снизить объем базы данных для хранения информации об изменении температуры.

3. Применение современной элементной базы для реализации разработанного устройства позволяет получить требуемые значения автономности для эксплуатации на крыше коммерческого ЭПС.

4. Разработанный экспресс-метод контроля на основе поперечных колебаний позволяет без снятия токоприемника с крыши ЭПС в условиях депо определять жесткость системы подвижных рам.

5. Применение методов цифровой обработки сигналов позволяет значительно повысить точность определения частоты колебаний системы подвижных рам токоприемника без увеличения требований к аппаратному обеспечению измерительного оборудования.

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В настоящее время на электроподвижном составе выполняют техническое перевооружение для повышения эффективности эксплуатации. Токоприемник, как один из аппаратов взаимодействия с инфраструктурой, должен соответствовать повышающимся требованиям при увеличении скоростей движения. Необходимость данных мер очевидна по результатам неудовлетворительного опыта эксплуатации токоприемников предыдущего поколения на современном ЭПС.

Токоприемники новых типов отечественного и зарубежного производства имеют значительную цену. Стоимость оснащения одной секции электровоза варьируется от одного до двух млн. рублей, в зависимости от производителя. С учётом высокой стоимости токоприемников технологии их эксплуатации также нуждаются в совершенствовании. Актуальность приобретает установка специальных диагностических комплексов, а также периодическая проверка поперечной жесткости системы подвижных рам.

4.1 Применение автономного диагностического комплекса на коммерческом электроподвижном составе

Диагностический комплекс (рисунок 4.1) устанавливается на крыше ЭПС таким образом, чтобы во всём диапазоне изменения рабочей высоты токоприемник оставался в поле зрения тепловизионной и телевизионной камер [113]. Так как предполагается функционирование на постоянной основе, электроснабжение комплекса должно осуществляться от бортовой электросети ЭПС. Обеспечение обмена информацией предлагаемого комплекса с остальными компонентами информационной системы с помощью оптических конвертеров необходимо для того, чтобы исключить влияние электромагнитных полей.

Рисунок 4.1 - Размещение тепловизионной матрицы низкого разрешения в защитном кожухе (1) на крыше ЭПС в составе автономного диагностического комплекса (2)

Комплекс должен иметь внутренний накопитель для обеспечения возможности долговременного хранения ключевых параметров независимо от работоспособности бортовой сети ЭПС. Данная область памяти может быть защищена от записи и использоваться в качестве «черного ящика». Кроме того, при выполнении технического обслуживания данные могут использоваться для контроля снижения запаса прочности вследствие теплового разупрочнения.

4.2 Совершенствование технологического процесса обслуживания токоприемников электроподвижного состава

С учётом разнообразных схем системы подвижных рам токоприемников, а также различий их технических показателей, для эффективного применения диагностического комплекса разработана технологическая карта (таблица 4.1) проверки поперечной жесткости на основе предлагаемой методики.

Проверка поперечной жесткости токоприемника осуществляется в процессе технического обслуживания.

Таблица 4.1 - Технологическая карта проверки поперечной жесткости токоприемника

Размещение ОП Инструмент и принадлежности Расходные материалы

район кол-во наименование кол-во

Крыша ЭПС 2 Ключи гаечные ГОСТ 2839-80: 7811-0458С1Х9 (10х13) 7811-0007С1Х9 (12х1з) 7811-0023С1Х9 (17х19) 7811-0468С1Х9 (24х30) 7811-0471С1Х9 (з0х3б) Динамометрический ключ, Torcofix K 1-750 Модель 7601530 Уровень гидравлический Плоскогубцы ГОСТ 5547-93 7814-0264ИХ9 Молоток ГОСТ 2310-77 Линейка ГОСТ 427-75 Штангенциркуль ГОСТ 166-89 Динамический твердомер электронный малогабаритный переносной ТЭМП-4 (ТУ 427113-005-13286280-07) Диагностический комплекс ОмГУПС Ветошь х/б Нефрас С50/170 ГОСТ 8505-80 Проволока 0,3-С1 ГОСТ 3282-74 ЦИАТИМ-221 ГОСТ 9433-80 1,0 кг 1,0 кг 0,4 м 0,1 кг

Трудоемкость - 0,8 чел. ч.

Технология проведения работ:

1. Установить ЭПС в цехе с балконом для выполнения крышевых работ таким образом, чтобы токоприемник оказался в створе поста для обслуживания токоприемника. Выполнить требования безопасности при работе на высоте.

2. Убедиться в том, что на токоприемнике отсутствуют наслоения грязи, гололёдно-изморозевые отложения, прочие загрязнения и посторонние предметы, увеличивающие массу. Очистить токоприемник и крышу возле него от грязи.

3. Протереть детали токоприемника ветошью, смоченной нефрасом или уайт- спиритом.

4. Проверить состояние узлов и деталей токоприемника, убедиться в отсутствии трещин в изоляторах, трубах и деталях шарнирных сочленений, проверить соответствие изгибов полозов и рам, номинальным значениям. Убедиться в надежности крепления всех деталей.

5. Демонтировать полоза токоприемника, отсоединив токоведущие шунты от системы подвижных рам, после чего взвесить их с помощью динамометра.

6. Детали токоприемника, имеющие найденные дефекты, заменить. При ослаблении крепления деталей или отсутствии деталей крепления устранить дефекты крепления.

7. Проверить динамометрическим ключом затяжку гаек и болтов, приложив вращающий момент в соответствии с таблицей 4.2.

Таблица 4.2 - Максимальные моменты затяжки резьбовых соединений, ДаНм

Номинальный диаметр резьбы Размер «под ключ» головки, болта (гайки) Б, мм Шаг резьбы, мм Классы прочности по ГОСТ 1759-70

Болт

5.8 6.8 8.8 10.9 12.9

Гайка

4;5;6 5;6 6;8 8;10 10;12

6 10 1 0,5 0,8 1,0 1,25 1,6

8 12 - 14 1,25 1,6 1,8 2,5 3,6 4,0

10 14 - 17 1,25 3,2 3,6 5,6 7,0 9,0

12 17 - 19 1,25 5,6 6,2 10,0 12,5 16,0

14 19 - 22 1.5 8,0 10,0 16,0 20,0 25,0

16 22 - 24 1,5 11,0 14,0 22,0 32,0 36,0

18 24 - 27 1,5 16,0 20,0 32,0 44,0 50,0

20 27 - 30 1,5 22,0 28,0 50,0 62,0 70,0

22 30 - 32 1,5 28,0 36,0 62,0 80,0 90,0

24 32 - 36 1,5 36,0 44,0 80,0 100,0 -

8. Проверить состояние тросов подъемного механизма на обрыв жил и наличие смазки, трос, имеющий обрыв жил, заменить, нанести новую смазку ЦИАТИМ-201.

9. Установить на верхнем шарнире токоприемника датчик диагностического комплекса ОмГУПС для регистрации колебаний таким образом, чтобы ось датчика располагалась вдоль верхнего шарнира, а соединительный провод от датчика пролегал по горизонтальной трубе верхнего рычага.

10. На основание токоприемника установить струбцины диагностического комплекса ОмГУПС, предназначенные для фиксирования главного вала системы подвижных рам.

11. С помощью штатного подъемно-опускающего механизма электровоза поднять токоприемник до максимальной рабочей высоты.

12. Зафиксировать главный вал с помощью установленных струбцин.

13. Запустить диагностический комплекс ОмГУПС в режим записи диагностической информации.

14. Прикладывая силу 150-200 Н к верхнему шарниру токоприемника с помощью динамометра, необходимо в пределах упругой деформации отклонить верхний шарнир в направлении, перпендикулярном направлению движения ЭПС.

15. С помощью механизма расцепления диагностического комплекса ОмГУПС снять нагрузку.

16. По истечении 10 секунд остановить запись диагностической информации.

17. Сохранить файл с уникальным идентификатором, включающим в себя наименование токоприемника.

18. Повторить три раза п.п.8 - 12.

19. С помощью встроенного программного обеспечения произвести расчет среднего значения частоты колебаний.

20. С помощью динамического твердомера измерить твердость рычагов системы подвижных рам с интервалом 250 мм по длине, не менее пяти измерений верхнего рычага, не менее трёх измерений нижнего рычага, не менее трёх измерений поперечных штанг. Значения твердости, определенные по результатам измерений, необходимо внести в память диагностического комплекса ОмГУПС.

21. На основании полученного значения частоты колебаний, а также на введенных данных о типе токоприемника, произвести расчет жесткости системы подвижных рам.

В случае несоответствия рассчитанной жесткости токоприемника требованиям п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013 необходимо демонтировать токоприемник и отправить его на ревизию.

4.3 Предпосылки для изменения конструкции верхнего рычага

системы подвижных рам

С учетом выявленных особенностей современных конструкционных материалов в рамках диссертационного исследования был перепроектирован

верхний рычаг токоприемника АИСТ ЭИНМВ.685121.10. В ходе проектирования была решена задача снижения массы и миделева сечения при сохранении прочностных характеристик и присоединительных размеров.

Верхний рычаг подвержен деформации изгиба и сжатия (рисунок 4.2). Для оценки необходимой прочности был проведен анализ действующих на рычаг нагрузок. Осевой скручивающий момент оказывает незначительное влияние, так как разность сил, действующих со стороны кареток на верхний рычаг при максимальном отклонении контактного провода от оси пути, не превышает 30 Н. Данная разность сил создает крутящий момент на несколько порядков меньше изгибающего момента в поперечной плоскости, возникающего за счет контактного нажатия (РКТ, максимальное значение которого принято 200 Н) и веса верхнего узла токоприемника (в^у, значение которого для «тяжелого» исполнения - 310 Н), закрепленного на верхнем валу.

На верхний рычаг также действует собственный вес СВР (его первоначальное значение составляет 134 Н).

Длины элементов определены по кинематической схеме, а расположение двух распорок верхнего рычага выбрано исходя из условия обеспечения заданного техническим заданием значения поперечной жесткости токоприемника. С помощью пакета САПР SolidWorks был проведен расчет минимального сечения продольных телескопических стержней верхнего рычага токоприемника, обеспечивающего требуемую поперечную и продольную жесткость. Угол установки рычага относительно горизонта изменялся с шагом 10 градусов от горизонтального положения до максимального значения 80 градусов. При этом реакция опоры в точке крепления нижней штанги достигала максимального значения 2840 Н.

Для заданных размеров верхнего рычага и коэффициента динамики кд = 2 при использовании метода конечных элементов получен коэффициент запаса в опасном сечении, равный 1,4. Основываясь на данном методе, определены размеры креплений нижнего рычага и нижней тяги, обеспечивающие коэффициент запаса прочности больше единицы.

По итогам расчета сечение и массу продольных стержней верхнего рычага, при обеспечении требуемой прочности, удалось снизить на восемь процентов, Аэродинамическое сопротивление рычага в положении, соответствующем максимальной рабочей высоте, снизилось с 350 Н до 300 Н на скорости 200 км/ч.

Верхний вал токоприемника испытывает деформацию изгиба. Максимальный изгибающий момент составляет 10 Н м. При расчете на изгиб получен коэффициент запаса прочности 2,3.

На основании выполненных расчетов средствами программного пакета SolidWorks был разработан эскиз (рисунок 4.3) и изготовлен макет (рисунок 4.4).

1 т «£ 1

1 w № * 1

16

а

*

41> у ^_^ в- 4 —

1 ^'Йг'У^^^ шо

2т

б

Рисунок 4.3 - Эскиз верхнего рычага макета токоприемника АИСТ ЭИНМВ.685121.10: а - вид сбоку; б - вид сверху

Рисунок 4.4 - Макет верхнего рычага системы подвижных рам с улучшенными характеристиками

Экспериментальные исследования, на основе которых сравнивались результаты определения поперечной и продольной жесткости, опускающей и удерживающей характеристик, а также характеристики статического нажатия, выполнялись на токоприемнике, в составе которого использовалась изготовленная деталь.

4.4 Оценка изменения показателей назначения токоприемника модернизированной конструкции

Для того чтобы убедиться в целесообразности применения упрочненных материалов в конструкции токоприемника, а также для проверки эффективности разработанной методики определения жесткости по методу свободных колебаний, было проведено исследование параметров и характеристик токоприемников в объеме (п. 5.2.1. ГОСТа 32204-2013). Также были проведены измерения основных показателей назначения токоприемника базовой конструкции с помощью лабораторного комплекса кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПС [57].

4.4.1 Изменение показателей назначения токоприемника модернизированной конструкции

В соответствии с разработанной программой испытаний (Приложение 1) был заполнен бланк первичных данных (Приложение 2). На основании анализа полученных данных можно отметить следующие изменения показателей токоприемника.

Масса верхнего рычага уменьшилась с 13,8 до 12,3 кг. При этом приведенная масса токоприемника варьируется от 26 до 32 кг в диапазоне изменения рабочей высоты (у стандартного - от 30 до 34 кг).

При этом поперечная жесткость в середине рабочего диапазона высоты системы подвижных рам (1,25 м) токоприемника возросла с 23,4 до 28 Н/мм (на 17%), продольная жесткость - с 41,7 до 53,2 Н/мм (на 27%).

Более значительное увеличение жесткости в продольном направлении может быть вызвано тем, что на поперечную жесткость сильнее влияют зазоры в сочленениях и пространственное расположение распорок верхнего рычага (рисунок 4.5).

Ожидаемо снизилась (на 5 - 8%) приведенная масса токоприемника во всём диапазоне изменения рабочей высоты.

Рисунок 4.5 - Модернизированный макет токоприемника АИСТ ЭИНМВ.685121.10, приготовленный для испытаний

Полученные результаты свидетельствуют о потенциале дальнейшего улучшения характеристик токоприемника за счет применения упрочненных конструкционных материалов. Запас имеется по всем основным механическим показателям. Требования нормативных документов (ГОСТ на ТК, памятка ОСЖД, ГОСТ на электропоезд) выполняются со значительным запасом.

4.4.2 Калибровка устройства для измерения поперечной жесткости макета токоприемника АИСТ ЭИНМВ .685121.10

Для применения разработанного метода определения поперечной жесткости по частоте затухающих колебаний необходимо установить однозначную зависимость между показаниями измерительной системы на основе

акселерометра и значениями поперечной жесткости, измеренными с помощью поверенных приборов традиционным способом.

Основная частота затухающих поперечных колебаний определялась по виброграммам, полученным при различных высотных положениях токоприемника (рисунок 4.6).

2,46-

м/с 2 А 2,42

. 218

2,36

2,34-

2,32

Рисунок 4.6 - Запись поперечных колебаний верхнего узла токоприемника после отклонения от положения равновесия

Из графиков видно, что с изменением высоты подъема токоприемника с 0,4 до 1,9 м (с шагом 0,5 м) наблюдается уменьшение частоты колебаний, что свидетельствует о снижении жесткости.

На аналогичных высотах подъема токоприемника была измерена поперечная жесткость токоприемника по методике, описанной в ГОСТ 322042013, после чего полученные в результате измерений частоты поперечных колебаний и поперечной жесткости были соотнесены, что позволило построить калибровочную зависимость.

В ходе калибровки была получена таблица показаний выходной величины (основной частоты затухающих колебаний) соответствующих результатам измерений жесткости на различной высоте, с учётом достижимой точности (таблица 4.3).

0,5

с.

1,5

0

I

Таблица 4.3 - Калибровочная зависимость частоты поперечных колебаний от жесткости системы подвижных рам макета токоприемника АИСТ ЭИНМВ.685121.10

Частота, Гц 4,3 4,0 3,6 3,3 3 2,6 2,3

Жесткость, Н/м 39-40 33-34 27-30 23-24 19-20 14-15 11-12

Данную калибровочную зависимость необходимо получать для каждого наименования токоприемника, так как частота затухающих колебаний зависит, в том числе, от конфигурации верхнего узла, расположения точек крепления основания токоприемника и типа изоляторов, применяемых для его установки.

Пользуясь полученной калибровочной таблицей или аппроксимирующей функцией, можно при выполнении осмотра или во время технического обслуживания проверить исправность системы подвижных рам по предложенному методу.

Выводы по четвертой главе

1. Применение разработанных автономных диагностических комплексов позволяет эффективно решать задачи мониторинга и контроля снижения запаса прочности системы подвижных рам токоприемников, а также выявлять случаи локальных перегревов в ходе эксплуатации благодаря тепловизионной матрице низкого разрешения и накопителю данных.

2. Предлагаемая технологическая карта для определения поперечной жесткости токоприемника позволяет усовершенствовать технологический процесс обслуживания электроподвижного состава, сократить временные и трудозатраты для проверки работоспособности токоприемников в условиях депо.

3. Результаты лабораторных испытаний изготовленного макета токоприемника с верхним рычагом из упрочненного алюминиевого сплава АМг6 показали, что предлагаемые технологические решения приводят к снижению массы верхнего рычага токоприемника на 12 % при сохранении заданных показателей продольной и поперечной жесткости системы подвижных рам.

4. Выполнена экспериментальная проверка методики калибровки предлагаемого устройства для измерения поперечной жесткости токоприемника.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации изложены новые научно обоснованные технические, технологические и методологические решения и разработки, направленные на повышение эксплуатационной надёжности и работоспособности в условиях повышения массы составов и скорости движения ЭПС. Применение предлагаемых технических и технологических решений позволит уменьшить число неожиданных отказов в работе системы токосъема, а также даст возможность осуществлять замену и ремонт токоприемников ЭПС по достижении ими предельного уровня деградации. Применение современных и перспективных упрочненных материалов совместно с предлагаемыми системами мониторинга в конструкции токоприемников обеспечит повышение показателей надежности и работоспособности.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Установлено, что системы подвижных рам токоприемников электроподвижного состава, изготовленные из деформируемых алюминиевых сплавов, в ходе эксплуатации подвергаясь нагреву, разупрочняются и приобретают хрупкость. При этом мероприятий, направленных на выявление температурной деградации токоприемников, в настоящее время не предусмотрено.

2. Усовершенствована математическая модель системы подвижных рам, в которой изменение температуры при расчете переходного процесса от упрочненного состояния к разупрочненному задано функцией Хевисайда.

3. Создан метод расчета остаточного ресурса, основанный на определении интегрального теплового износа во время эксплуатации с учетом действительных значений температуры и продолжительности нагрева.

4. Предложенный алгоритм для определения температуры компонентов системы подвижных рам с помощью тепловизионной матрицы низкого разрешения и свёрточной нейронной сети позволяет уменьшить в 30 - 35 раз

объем информации, записываемой в базу данных, что снижает требования к накопителям и каналам связи, позволяет снизить затраты на дооснащение электроподвижного состава системами мониторинга.

5. Усовершенствованная методика экспериментального определения поперечной жесткости токоприемников, включающая в себя измерение частоты затухающих колебаний, позволяет уменьшить на 30 % время регламентных работ при техническом обслуживании электроподвижного состава.

6. Благодаря выполненной разработке устройства для определения температуры системы подвижных рам токоприемника и предлагаемой методике экспериментального определения жесткости токоприемников усовершенствована технология эксплуатации электроподвижного состава. Создана технологическая карта для проверки поперечной жесткости при проведении регламентных работ электроподвижного состава железных дорог Российской Федерации.

7. Результаты лабораторных испытаний изготовленного макета токоприемника с верхним рычагом из упрочненного алюминиевого сплава АМг6 показали, что предлагаемые технологические решения приводят к снижению массы верхнего рычага токоприемника на 12 % при сохранении заданных показателей продольной и поперечной жесткости системы подвижных рам.

В качестве рекомендаций и перспективы дальнейшей разработки темы предлагается исследование возможности использования разработанных технических решений для совершенствования нижних рычагов системы подвижных рам токоприемников электроподвижного состава.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бакланов, А. А. Влияние скорости движения на энергозатраты грузовых поездов / А. А. Бакланов. - Текст: непосредственный // Известия Транссиба. -2018. - № 1 (33). - С. 2-12.

2. Галкин, А. Г. Теория и методы расчетов процессов проектирования и технического обслуживания контактной сети : специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Галкин Александр Геннадьевич ; Уральский государственный университет путей сообщения. - Екатеринбург, 2002. - 370 с. - Текст : непосредственный.

3. Гершман, И. С. Токосъемные вставки для токоприемников железнодорожного транспорта / И. С. Гершман, Н. В. Миронос, М. А. Мельник [и др.]. - Текст: непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2012. - № 4. - С. 3-10.

4. Голубков, А. С. Применение байесовских сетей для совершенствования систем диагностики устройств электроснабжения железных дорог / А. С. Голубков, А. Н. Смердин, Г. Р. Ермачков [и др.]. - Текст: непосредственный // Фундаментальные основы, теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики : Материалы 18-ой Международной молодежной научно-практической конференции / Новочеркасск: ООО «Лик». - 2017. - С. 173-182.

5. Голубков, А. С. Применение тепловизионных матриц низкого разрешения в системах контроля работоспособности токоприемников электроподвижного состава / Голубков А.С., Слатин А.И., Смердин А.Н. - Текст: непосредственный // Транспорт Урала. - 2020. - № 2 (65). - С. 80-85.

6. Голубков, А. С. Совершенствование методики испытаний токоприемников современного электроподвижного состава / А. С. Голубков, А. Н. Смердин, В. М. Павлов. - Текст: непосредственный // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов скоростного и

высокоскоростного железнодорожного транспорта: Тезисы докладов VII Международного симпозиума «Elltrans 2013». - СПб.: ПГУПС, 2013. - С. 35-36.

7. ГОСТ 12058-72 с доп. от 13.10.1983 г. Токоприемники электроподвижного состава магистральных железных дорог. Общие технические условия = Current collectors of electric rolling stock of the main railways. General specifications : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : Москва : Госстандарт, 1972, 1984. - Текст: непосредственный.

8. ГОСТ 32204-2013 Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия = Current collectors of railway electric rolling stock. General specifications : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2013 г. № 1477-ст : введен впервые : дата введения 2014-06-01 / Подготовлен Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении». - Москва : Стандартинформ, 2014. - 24 с. -Текст: непосредственный.

9. ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции = Printed circuit boards. Basic parameters of structure : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 ноября 2009 г. № 519-ст : введен впервые : дата введения 2010-07-01 / Разработан открытым акционерным обществом «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш». - Москва : Стандартинформ, 2009. - 11 с. - Текст: непосредственный.

10. ГОСТ Р 54334-2011 Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия = Current collectors of railways electric rolling stock. General specifications : национальный стандарт Российской Федерации : издание официальное : утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

от 23 июня 2011 г. № 143-ст : введен впервые : дата введения 2011-11-01 / РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» совместно с Омским государственным университетом путей сообщения. - М.: Стандартинформ, 2011. - 18 с. - Текст: непосредственный.

11. Грибанов, Ю. И. Спектральный анализ случайных процессов / Ю. И. Грибанов, В. Л. Мальков. - Москва : «Энергия», 1974. - 240 с. - Текст: непосредственный.

12. Григорьев, В. Л. Тепловые процессы в устройствах тягового электроснабжения: Учебное пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта / В. Л. Григорьев, В. В. Игнатьев. - Москва, 2007. - 182 с. - Текст: непосредственный.

13. Джаббаров, С. Т. Исследование аэродинамического давления при прохождении высокоскоростного поезда / С. Т. Джаббаров. - Текст: непосредственный // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 5 (65). - С. 92-100.

14. Доманов, К. И. Анализ непланового ремонта электрического оборудования электровозов постоянного тока в сервисных локомотивных депо / К. И. Доманов. - Текст: непосредственный // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте : материалы научной конференции, посвященной Дню российской науки / Омский государственный университет путей сообщения. - Омск : ОмГУПС, 2016. - С. 167-173.

15. Дульнев, Г. Н. Теория тепло- и массообмена / Г. Н. Дульнев. - СПб: НИУ ИТМО, 2012. - 195 с. - Текст: непосредственный.

16. Ермачков, Г. Р. Повышение эффективности эксплуатации электроподвижного состава за счет управления нажатием в контакте системы токосъема : специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ермачков Глеб Романович ; Омский государственный университет путей сообщения. - Омск, 2020. - 175 с. - Текст: непосредственный.

17. Ецков, Т. А. Исследование аэродинамических характеристик скоростного токоприёмника. Часть первая / А. Т. Ецков, П. В. Попов. - Текст : непосредственный // Вестник ВЭлНИИ. - 2014. - № 1 (67). - С. 28-37.

18. Ецков, Т.А. Исследование аэродинамических характеристик скоростного токоприемника (часть вторая) / Т. А. Ецков, Н. В. Арестова, П. В. Попов. - Текст : непосредственный // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. - 2015. - № 1 (69). -С. 27-38.

19. Ецков, Т.А. Исследование аэродинамических характеристик скоростного токоприемника / Ецков Т.А., Абрамчук И.О., Лобов Б.Н., Попов П.В. - Текст : непосредственный // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. - 2018. - № 1 (79). -С. 95-105.

20. Жарков, Ю. И. Методика обнаружения дефектных мест на контактной сети, образующих дуговой токосъем / Ю. И. Жарков, Ю. Г. Семенов. - Текст : непосредственный // Труды РГУПС. - 2016. - № 5. - С. 28-31.

21. Инструкция о порядке использования токоприемников электроподвижного состава при различных условиях эксплуатации ЦТ-ЦЭ/844. -Текст : электронный // СЦБИСТ : [сайт]. - 2020. URL: http://scbist.com/wiki/18656-ct-ce-844-a.html (дата обращения: 30.01.2020).

22. Инструкция по эксплуатации СИМЕНС. Полупантографный Токоприемник SBS 2T. Тип: 8WL0 188-6YH47-2. Российский локомотив ЕП2К. Обслуживание и монтаж. Версия: август 2005. Составил: 01.08.2005, Герхард Лефлер. Издание: август 2005. АО Сименс страница 1из 37 страниц BW-780 722 -.

23. Бакланов, А. А. Использование новых электровозов для сокращения времени хода пассажирских поездов на транссибирской магистрали / А. А. Бакланов, Н. В .Есин, А. П. Шиляков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2015. - № 3 (23). - С. 7-14.

24. Утепбергенова, С. М. Исследование систем охлаждения полоза токоприемника магистрального электроподвижного состава /

С. М. Утепбергенова, В. В. Томилов, О. А. Сидоров. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2019. - № 2 (38). - С. 66-75.

25. Калашников, М. О. Диагностика и контроль качества строительных конструкций вибрационным методом : Специальность 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Калашников Михаил Олегович ; Госуниверситет -УНПК. - Орел, 2011. - 154 с. - Текст : непосредственный.

26. Комплекс измерения параметров контактной сети. - Текст : электронный // ТВЕМА : [сайт]. - 2021. ШЬ: http://www.tvema.ru/sites/default/files/pdf/625.pdf (дата обращения 15.04.2021).

27. Коробко, В. И. Экспериментальные исследования стальных ферм с параллельными поясами на статические и динамические воздействия / В. И. Коробко, Р. В. Алдушкин, О. В. Бояркина. - Текст : непосредственный // Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - 2009. - № 2. - С. 39-43.

28. Корягин, Ю. Д. Разупрочнение нагартованного сплава АМг6 при скоростном нагреве в интервале температур 100...300 °С / Ю. Д. Корягин. - Текст : непосредственный // Вестник ЮУрГУ. - 2012. - № 15. - С. 108-111.

29. Кулешова, А. Н. Продольно-поперечные колебания составного стержня : Специальность 05.23.17 «Строительная механика» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кулешова Анастасия Николаевна ; Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. -Волгоград, 2009. - 157 с. - Текст : непосредственный.

30. Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления: учебник / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. Москва : МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2004. - Т. 1. - 656 с. - Текст : непосредственный.

31. Мирзаев, Д. А. Уточнение теории возврата механических свойств применительно к сплаву АМг6 / Д. А. Мирзаев, Ю. Д. Корягин [и др.]. Текст :

непосредственный // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. - 2002. -№ 2. - С. 31-40.

32. Михеев, В. П. Контактные сети и линии электропередачи / В. П. Михеев. - Москва : Маршрут, 2003. - 416 с. - Текст : непосредственный.

33. Моляр, А. Г. Конструкционные материалы в самолетостроении /

A. Г. Моляр, А. А. Коцюба [и др.]. - Киев : ООО «КВИЦ», 2015. - 400 с. Текст : непосредственный.

34. Павлов, В. М. Адаптация методик диагностирования состояния инфраструктуры системы токосъема при повышенных скоростях движения электроподвижного состава / В. М. Павлов, А. Н. Смердин, И. Е. Чертков [и др.]. -Текст : непосредственный // В сборнике: Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта. Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием / Москва, - 2011. - С. 56-65.

35. Павлов, В. М. Адаптация методик оценки состояния инфраструктуры и токоприемников системы токосъема ЭПС при скорости движения более 200 км/ч /

B. М. Павлов, А. Н. Смердин, И. Е. Чертков [и др.]. - Текст : непосредственный // В сборнике: Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе / Москва, 2010. - С. 79-91.

36. Павлов, В. М. Использование измерительных полозов для определения параметров токосъема в ходе линейных испытаний высокоскоростного поезда «Сапсан» / В. М. Павлов, А. Н. Смердин, В. В. Томилов [и др.]. - Текст : непосредственный // В сборнике: Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе / Москва, 2010. - С. 109-117.

37. Павлов, В. М. Исследования токовой нагрузочной способности токоприемника магистрального электроподвижного состава / В. М. Павлов, О. А. Сидоров [и др.]. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта / Москва : ВНИИЖТ, 2015. - № 4. - С. 19-24.

38. Павлов, В. М. Проверка токовой нагрузочной способности токоприемников ТАс 24 и Лас 25 / В. М. Павлов, П. В. Попов [и др.]. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта / Москва : ВНИИЖТ, 2015. - № 2 (70). - С. 33-43.

39. Павлов, В. М. Совершенствование методики поучастковой оценки инфраструктуры системы токосъема на скоростном полигоне Угловка-Мстинский мост / В. М. Павлов, А. Н. Смердин, А. С. Голубков [и др.]. - Текст : непосредственный // В сборнике: Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе / Москва, 2010. - С. 172-180.

40. Павлов, В. М. Экспериментальные исследования нагрузочной способности токоприемника магистрального электроподвижного состава / В. М. Павлов, А. Н. Смердин, В. В. Томилов [и др.]. - Текст : непосредственный // В сборнике: Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омск : ОмГУПС, 2013. - С. 62-69.

41. Паранин, А. В. Разработка модели динамики взаимодействия высокоскоростной контактной подвески и твердотельного токоприемника с учетом колебаний вагона и износа токосъемных пластин / А. В. Паранин, Д. А. Ефимов. Текст : непосредственный // Влияние надежности устройств электроснабжения на работу транспорта : Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции / Екатеринбург : УрГУПС, 2020. - С. 46-52.

42. Патент на полезную модель 153668 (РФ), МПК B60L 3/12; B60L 5/00. Измерительный полоз токоприемника электроподвижного состава / Сидоров О. А., Чертков И. Е., Смердин А. Н., Голубков А. С. (РФ). - 2014147722/11; Заявлено 26.11.2014; Опубликовано 27.07.2015. Бюл. № 21. - Текст : непосредственный.

43. Патент на полезную модель 159956 (РФ), МПК B60L 5/00; B60L 3/12. Измерительный токоприемник электроподвижного состава/ Павлов В. М., Смердин А. Н., Чертков И. Е., Голубков А. С. (РФ). - 2015130184/11; Заявлено 21.07.2015; Опубликовано 20.02.2016. Бюл. № 5. - Текст : непосредственный.

44. Патент на полезную модель 178813 (РФ), МПК G01M 17/08; B60L 3/12. Устройство измерения жесткости токоприемника/ Смердин А. Н., Голубков А. С., Павлов В. М., Чертков И. Е., Рыжков А. В. (РФ). - 2017125813; Заявлено 18.07.2017; Опубликовано 19.04.2018. Бюл. № 11. - Текст : непосредственный.

45. Патент на полезную модель 82445 РФ. МПК B60L 5/00; B60M 1/12. Устройство для регистрации искрения токоприемника / Павлов В. М., Сидоров О. А., Смердин А. Н., Чертков И. Е., Голубков А. С. (РФ) - 2008145678/22. Заявлено 19.11.2008; Опубликовано 27.04.2009. Бюл. № 12. - Текст : непосредственный.

46. Повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств. - Текст : электронный. RZD-EXPO : [сайт]. - 2021. URL: http ://www.rzd-expo.ru/ innovation/accelerating_and_increasing_the_reliability_of_the_ service_life_of_facilities/resource_management_risk_to_the_life_cycle_and_reliability_an alysis_of_urr/ (дата обращения 15.04.2021).

47. Попов, П. В. Применение численной модели токоприемника при аэродинамических испытаниях / П. В. Попов. - Текст : непосредственный // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. - 2016. - № 3 (73). - С. 44-52.

48. Пугачева, Н. Б. Исследование процессов возврата в деформационно-упрочненном сплаве Al-Mg-Mn-Fe-Si / Н. Б. Пугачева, Д. И. Вичужанин [и др.]. - Текст : непосредственный // Физика металлов и металловедение. - 2016. -Т. 117. - № 9. - С. 952-958.

49. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 11.06.2014 № 1032-р «Об изменениях, которые вносятся в Транспортную стратегию Российской Федерации на период до 2030 года». - Текст : электронный. Минтранс [сайт]. - 2020. URL: https://www.mmtrans.ru/documents/2/3895 (дата обращения 15.04.2020).

50. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27.11.2021 № 3363-р «Транспортная стратегия Российской Федерации до 2030 года

с прогнозом на период до 2035 года». - Текст : электронный. Минтранс [сайт]. -2021. URL: https://www.mmtrans.ra/documents/2/3895 (дата обращения 15.12.2021).

51. Распоряжение Правительства РФ от 19.03.2019 № 466-р «Об утверждении программы развития ОАО «РЖД» до 2025 года». - Текст : электронный. КонсультантПлюс : [сайт]. - 2021. URL: https://www.consultant.ru/document (дата обращения 15.02.2022).

52. Рыбников, Е. К. Механическая часть электроподвижного состава: Конспект лекций / Е. К. Рыбников, С. В. Володин. - Москва: МИИТ, 2014. - 120 с. - Текст : непосредственный.

53. Св-во об официальной регистрации программы для ЭВМ 2017661151 (РФ). Программный комплекс для регистрации продольной и поперечной жесткости токоприемника / Смердин А. Н., Голубков А. С., Рыжков А. В. (РФ) -2017616306. Заявл. 30.06.2017; Опубл. 04.10.2017. - Текст : непосредственный.

54. Семенов, Ю. Г. Структура и оптимизация параметров автоматизированной системы радиомониторинга для обнаружения режимов дугового токосъема на контактной сети / Ю. Г. Семенов. - Текст : непосредственный // Вестник РГУПС. - 2017. - № 3 (67). - С. 125-133.

55. Сидоров, О. А. Инновационные технологии исследования систем токосъема, применяемые в омском государственном университете путей сообщения / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. С. Голубков. - Текст : непосредственный // Вестник ВЭлНИИ. - 2017. - № 1 (75). - С. 29-38.

56. Сидоров, О. А. Использование видеоизмерительных систем для оценки взаимодействия токоприемников и контактных подвесок в ходе линейных испытаний ЭВС «Сапсан» / О. А. Сидоров, В. М. Павлов, А. Н. Смердин [и др.] // В сборнике: Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе / Москва, - 2010. - С. 118-131.

57. Сидоров, О. А. Совершенствование методов экспериментальных исследований изнашивания контактных пар устройств токосъема / О. А. Сидоров, А. А. Орлов, А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // В сборнике: Инновационные технологии на транспорте: образование, наука, практика.

Материалы XLII Международной научно-практической конференции в рамках реализации Послания Президента РК Н. Назарбаева «Новые возможности развития в условиях четвертой промышленной революции» / Алматы, 2018. -С. 203-208.

58. Слатин, А. И. Совершенствование малогабаритного устройства сбора диагностической информации для контроля работоспособности токоприемников электроподвижного состава / В.М. Павлов, А.И. Слатин, Д.А. Петин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 2(50). - С. 44-55.

59. Сидоров, О. А. Совершенствование методики диагностирования теплового разупрочнения токоприемников электроподвижного состава / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба.- 2020. -№ 1 (41). -С. 41-49.

60. Сидоров, О. А. Устройство для динамических испытаний токоприемников метрополитена / Сидоров О. А., Чертков И. Е., Слатин А. И. [и др.] // Патент № 2703002 на изобретение (РФ) МПК B60L 5/39 (2006.01); G01M 17/08 (2006.01); В60М 1/30 (2006.01). СПК B60L 5/39 (2019.08); G01M 17/08 (2019.08); В60М 1/30 (2019.08). Приоритет от 08.11.2018. Бюл. № 29. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 15.10.2019. - Текст : непосредственный.

61. Сидоров, О. А. Устройство для исследования характеристик токоприемника электрического транспорта / О. А. Сидоров, И. Е. Чертков, В. М. Филиппов [и др.] // Патент № 2719748 на изобретение (РФ) МПК G01M 17/08 (2006.01); B60L 5/38 (2006.01). СПК G01M 17/08 (2020.02); B60L 5/38 (2020.02). Приоритет от 17.06.2019. Бюл. № 12. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 22.04.2020. - Текст : непосредственный.

62. Сидоров, О. А. Исследование и прогнозирование износа контактных пар систем токосъема с жестким токопроводом / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков. -Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. Москва, 2012. - 173 с. - Текст : непосредственный.

63. Сидоров, О. А. Применение акселерометров при испытаниях токоприемников / О. А. Сидоров, В. М. Павлов, А. Н. Смердин [и др.]. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. - 2015. - № 3 (46). - С. 105-108.

64. Сидоров, О. А. Совершенствование методов контроля технического состояния скоростных токоприемников с использованием программного комплекса ОмГУПСа / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, И. Е. Чертков [и др.]. -Текст : непосредственный // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах : материалы VII Международной научно-практической конференции. - Новочеркасск, 2006. - Ч. 1. - С. 49-52.

65. Сидоров, О. А. Экспериментальные исследования токосъемных устройств / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. С. Голубков. - Текст : непосредственный // Железнодорожный транспорт. - 2015. - № 11. - С. 69-70.

66. Слатин, А. И. Повышение работоспособности токоприемников электроподвижного состава за счет применения термически упрочняемых алюминиевых сплавов / А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы научной конференции / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск : ОмГУПС, 2020. - С. 86-91.

67. Слатин, А. И. Совершенствование методики экспериментального определения жесткости системы подвижных рам однорычажных токоприемников электроподвижного состава / А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 2 (42). - С. 52-60.

68. Смердин, А. Н. Анализ повреждений токоприемников электроподвижного состава и их причин / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, А. В. Рыжков. - Текст : непосредственный // Вестник Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения. - 2018. - № 1 (79). - С. 82-94.

69. Смердин А. Н. Автоматизированная система диагностики состояния токоприемников электроподвижного состава на основе видеоизмерительного

комплекса / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, С. Н. Найден. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2012. - № 2. - С. 103-109.

70. Смердин, А. Н. Особенности применения CFD-метода при расчете аэродинамических сил токоприемника электроподвижного состава / А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. -2013. - № 3 (38). - С. 107-112.

71. Смердин, А. Н. Совершенствование методик лабораторных и натурных испытаний токоприемника за счет контроля плотности воздушной среды / А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко, В. Н. Горюнов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2014. - № 4 (20). - С. 46-54.

72. Смердин, А. Н. Совершенствование методики аэродинамических испытаний токоприемника путем учета плотности воздушной среды / А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко, О. А. Сидоров [и др.]. - Текст : непосредственный // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. -2016. - Т. 75. - № 6. - С. 328-333.

73. Смердин, А. Н. Совершенствование методики определения нагрузочных показателей токоприемников магистрального электроподвижного состава / А. Н. Смердин, В. В. Томилов, В. М. Павлов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2019. - № 3 (39). - С. 99-110.

74. Смердин, А. Н. Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения / Смердин Александр Николаевич // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Омский государственный университет путей сообщения. Омск, 2018. 600 с.

75. Смердин, А. Н. Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения : Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Смердин Александр Николаевич // / Омский

государственный университет путей сообщения. - Омск, 2019. - 43 с. - Текст : непосредственный.

76. Смердин, А. Н. Токоприемник электроподвижного состава / А. Н. Смердин, И. Е. Чертков, Е. А. Бутенко, А. В. Рыжков: патент на полезную модель 187592 Российская Федерация, № 2018139666; заявл. 08.11.2018; опубл. 12.03.2019, Бюл. № 8. - Текст : непосредственный.

77. Смердин, А. Н. Программный комплекс для регистрации и анализа вибрации устройств электроснабжения / А. Н. Смердин, А. С. Голубков, Г. Р. Ермачков [и др.] // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2020619995, 26.08.20. Заявка № 2020619001 от 12.08.20. - Текст : непосредственный.

78. Ступаков, С. А. Вопросы прогнозирования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта / С. А. Ступаков, О. А. Сидоров. - Текст : непосредственный // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2012. - № 2. - С. 37-47.

79. Технические условия электропоезда двухсистемного (32303.0.00.000.000

ТУ).

80. Токоприемник Л. Технические условия ТУ 16-89 ДТЖИ.685.121.008 ТУ, утв. 30.09.1989 г.

81. Токоприемник ЛА 20-СЭТ 160 1200. Руководство по эксплуатации (СЭТР.685121.020 РЭ) / ЗАО «Селена Электротранспорт». - Москва: 2017. - 45 с. - Текст : непосредственный.

82. Токоприемник Т магистрального электровоза. Технические условия ТУ 16-89 ДТЖИ.685.121.008 ТУ, утв. 06.12.1989.

83. Токоприемник типа SX-2100 Rus Loco. Технические условия (ТУ 341497-013-94570229-2009) / АО «LECOV, a.s.». - Москва: 2009. - 22 с. Текст : непосредственный.

84. Токоприемники асимметричные Лас 25-НЭВЗ 200 и ТАс 24-НЭВЗ 200. Технические условия (6ТС.260.024 ТУ) / ООО «ПК «НЭВЗ». Новочеркасск, 2015. - 74 с. - Текст : непосредственный.

85. Томилов, В. В. Исследование аэродинамических и тепловых характеристик токоприемников электроподвижного состава / В. В. Томилов, А. Е. Чепурко, С. М. Утепбергенова. - Текст : непосредственный // В сборнике: Транспорт Евразии XXI века: Современные цифровые технологии на рынке транспортных и логистических услуг. Материалы IX Международной научно-практической конференции. - 2018. - С. 60-65.

86. Тюрнин, П. Г. Экспериментальное определение токовой нагрузочной способности токоприёмника / П. Г. Тюрнин, Н. В. Миронос, М. Н. Изергина. -Текст : непосредственный // В сборнике: Токосъем и тяговое электроснабжение при высокоскоростном движении на постоянном токе. - М.: 2010. - С. 138-144.

87. Указ Президента РФ от 07.07.2011 № 899 (ред. от 16.12.2015) «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации».

88. Финиченко, В. Н. Совершенствование токоприемников для скоростных и тяжеловесных поездов : Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Финиченко Василий Николаевич ; Омский государственный университет путей сообщения. - Омск, 2008. - 150 с. - Текст : непосредственный.

89. Чепурко, А. Е. Моделирование аэродинамических воздействий на полоз токоприемников скоростного электрического транспорта / А. Е. Чепурко, С. М. Утепбергенова. - Текст : непосредственный // В сборнике: Интеллектуальная энергетика на транспорте и в промышленности : Материалы всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием. Омск, 2018. - С. 113-119.

90. Четвергов, В. А. Техническая диагностика локомотивов : учебное пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта / В. А. Четвергов, С. М. Овчаренко, В. Ф. Бухтеев ; УМЦ ЖДТ: М., 2014. - 371 с. - Текст : непосредственный.

91. Эйнштейн, А. Эволюция физики : учебник / А. Эйнштейн, Л. Инфельд ; ОГИЗ ГОСТЕХИЗДАТ: Москва, 1978. - 267 с. - Текст : непосредственный.

92. Case M.7801 - Wabtec / Faiveley Transport/ Merger Procedure Regulation (Ec) 139/2004/ Article 8(2) Regulation (Ec) 139/2004 Date: 4/10/2016/ Brussels, 4.10.2016 C(2016) 6325 Final Public Version Commission Decision Of 4.10.2016 Declaring A Concentration To Be Compatible With The Internal Market And The Eea Agreement (Case M.7801 - Wabtec / Faiveley Transport) [https://ec.europa.eu/competition/mergers/ cases/decisions/m7801_2121_3.pdf]. - Текст : непосредственный.

93. Design and fabrication of a metal-composite hybrid pantograph upper arm by co-cure technique with a friction layer / Min-Gu Han a, Yong Hyeon Cho b, Seung-Woo Jeon c, Seung-Hwan Chang. - Текст : непосредственный // Composite Structures 174 (2017). Pp. 166-175.

94. Design of carbon/epoxy-aluminum hybrid upper arm of the pantograph of highspeed trains using adhesive bonding technique / Seung-Woo Jeon a, Yong Hyeon Cho b, Min-Gu Han c, Seung-Hwan Chang. - Текст : непосредственный // Composite Structures 152 (2016). Pp. 538-545.

95. Experimental study on crashworthiness of empty/aluminum foam/honeycomb-filled CFRP tubes / Guangyong Sun, Shunfeng Li, Qiang Liu, Guangyao Li, Qing Li. -Текст : электронный // Composite Structures 152 (2016) 969. - URL: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.06.019 (дата обращения 31.08.2021).

96. Flexural behavior of an FRP sandwich system with glass-fiber skins and a phenolic core at elevated in-service temperature / Allan Manalo, Swetha Surendar, Gerard van Erp, Brahim Benmokrane. - Текст : элетронный // Composite Structures 152 (2016) 96-105. - URL: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.05.028 (дата обращения: 31.08.2021).

97. Golubkov, A. Damped vibrations method for measuring the rigidity of a system of movable frames of a current collector on the roof of an electric locomotive / Golubkov A., Sidorov O., Smerdin A. N., Slatin A. I. - Текст : непосредственный // В сборнике: E3S Web of Conferences. Сер. «International Scientific and Practical Conference «Environmental Risks and Safety in Mechanical Engineering», ERSME 2020» 2020. С.

03001. - URL: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202021703001 (дата обращения 30.06.2021).

98. Granstrom R. A system and stakeholder approach for the identification of condition information: A case study for the Swedish railway. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2008;222(4):399-412. doi:10.1243/09544097JRRT183.

99. Hough transform and thermo-vision for monitoring pantograph-catenary system December 2006Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail and Rapid Transit 220. Pp. 435-447.

100. IEC 60494-1-2013 Railway applications. Rolling stock. Pantographs. Characteristics and tests. Part 1: Pantographs for main line vehicles. - IEC, Geneva, Switzerland, 2013. - 28 p.

101. IEC 62486:2017. Railway applications - Current collection system - technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line (to achieve free access) -IEC, Geneva, Switzerland, 2017. - 105 p.

102. Influence of the aerodynamic forces on the pantograph-catenary system for high-speed trains // Pombo J. est. - Текст : непосредственный / Vehicle System Dynamics. 2009.

103. Patrice Y. Simard, Dave Steinkraus, John C. Platt. Best Practices for Convolutional Neural Networks Applied to Visual Document Analysis, Seventh International Conference on Document Analysis and Recognition (ICDAR), IEEE Computer Society, Los Alamitos, 2003. Pp. 958-962

104. Production group. Product and services // 2016. URL: http://www.productionspa.it/productiongroupsrl/media/production_group_srl_en.pdf (дата обращения 31.08.2021).

105. Railway technology systems. Survey / URL: https://www.stemmann.com/ documents/catalogues/st_railway_technology_systems.pdf (дата обращения 19.08.2021).

106. Schunk Carbon Technology_ Electrical Carbon / URL: https://www.schunk-carbontechnology.com/en/products/electrical-carbon (дата обращения 31.08.2021).

107. Smerdin A., Ryzhkov A., Demin Y. Improvement of the method of calculation of the parameters of the universal current collector with the increased motion speeds // В сборнике: MATEC Web of Conferences 2018. С. 01040.

108. SSS400+ Stromabnehmer. Siemens / URL: https://www.yumpu.com/en/document/view/29568137/stromabnehmer-sss-400-die-innovation-fa-1-4-r-den-melecs (дата обращения 31.08.2021).

109. Thermal cycling of (heated) fibre metal laminates / Bernhard Müller, Michiel Hagenbeek, Jos Sinke // Composite Structures 152 (2016) 106-116. URL: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.05.020 (дата обращения: 31.08.2021)/

110. Thermo-mechanical analysis of laminated composite and sandwich beams based on a variables separation / P. Vidal, L. Gallimard, O. Polit // Composite Structures 152 (2016) 755-766. URL: https://doi.Org/10.1016/j.compstruct.2016.05.082 (дата обращения 31.08.2021).

111. Duhamel, Pierre; Vetterli, Martin (1990). "Fast Fourier transforms: a tutorial review and a state of the art". Signal Processing. 19 (4): 259-299. doi:10.1016/0165-1684(90)90158-U.

112. Слатин, А. И. Разработка математической модели термического разупрочнения элементов токоприемника электроподвижного состава / А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // Актуальные вопросы развития научных исследований: теоретический и практический взгляд : сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции. - Стерлитамак: Издательство «АМИ», 2024. - С. 79-82.

113. Слатин, А. И. Разработка технических средств для эксплуатационного контроля прочностных параметров системы подвижных рам токоприемника / А. И. Слатин. - Текст : непосредственный // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации : сборник статей Международной научно-практической конференции. - Уфа: Издательство "ОМЕГА САЙНС", 2024. - С. 36-39.

Приложение А

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

испытаний токоприемника электропоезда ЭС1П на соответствие требованиям ГОСТ Р 55434-2013, ГОСТ 32204-2013

1. Область применения Настоящая программа используется при натурных испытаниях токоприемников электропоездов на соответствие требованиям ГОСТ Р 554342013, ГОСТ 32204-2013.

2. Объект испытаний

Объектом испытаний является токоприемник с конструкционной скоростью 160 км/ч.

Образец должен быть передан на испытания в работоспособном состоянии, экипированный полностью в объеме, предусмотренном конструкторской документацией. Образцы предъявляются на испытания с актом отбора и актом готовности. При приемке образца сотрудниками ОмГУПСа проводится процедура идентификации образца на соответствие данным, указанным в технической документации и на фирменной табличке. По результатам идентификации оформляются акты приемки образца на испытания. По окончании испытаний оформляется акт передачи образца заявителю. Хранение образца организовывается в соответствии с требованиями технической документации на объект.

3. Виды и последовательность проведения испытаний, определяемые характеристики

3.1. Определение конфигурация и размеры в соответствии с п.5.1.1 ГОСТ 32204.

3.2. Основные технические показатели токоприемников в пределах рабочей высоты (п. 5.1.2 ГОСТ 32204). Показатели, определяемые при испытаниях, приведены в таблице А. 1.

Таблица А. 1 - Определяемые характе

ристики

Наименование определяемых характеристик Единица измерения Значение и допуск показателя в соответствии с нормативными документами

1 2 3

1 Основные технические показатели токоприемников в пределах рабочей высоты - -

1.1 Нажатие: - -

- наименьшее активное Н не менее 70, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

- наибольшее пассивное Н не более 110, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

Окончание таблицы А. 1

1 2 3

1.2 Разница между наибольшим и наименьшим нажатиями при одностороннем движении токоприемника Н не более 15, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.3 Двойная величина трения в шарнирах, приведенная к контактной поверхности полозов Н не более 20, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.4 Опускающее усилие Н не менее 120, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.5 Удерживающее усилие Н не менее 120, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.6 Время подъема токоприемника с не более 10, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.7 Время опускания токоприемника с не более 6, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.8 Поперечная жесткость токоприемника Н/мм не менее 17, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.9 Продольная жесткость токоприемника Н/мм не менее 12, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

1.10 Приведенная масса кг не более 33, п. 5.1.2 ГОСТ 32204-2013

2 Конфигурация и размеры токоприемника - В соответствии с п. 5.1.1, рис. 1 ГОСТ 32204-2013

4. Условия проведения испытаний

4.1. Испытания проводятся на стоянке.

4.2. Значение климатических факторов внешней среды при испытаниях записываются каждый день перед началом испытаний и должны быть:

- температура окружающего воздуха, °С от минус 15 до плюс 35;

- атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.) от 84,0 до 106,7 (от 630 до 800);

- относительная влажность воздуха, % от 45 до 80;

- скорость ветра, м/с, не более 10;

- дождь и снег должны отсутствовать.

4.3. Средства измерений, применяемые при испытаниях должны быть поверены и иметь свидетельство о поверке (оттиск поверительного клейма, знак поверки, запись в паспорте в соответствии с Приказом Минпромторга России

от 2 июля 2015 года № 1815 «Об утверждении Порядка проведения поверки средств измерений, требований к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке».

4.5. Испытательное оборудование должно быть аттестовано в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.568-2017.

4.6. Испытания проводятся специалистами ОмГУПСа и обеспечиваются специалистами локомотивного эксплуатационного депо Северо-Кавказской железной дороги - филиала ОАО «РЖД». Все участники испытаний перед началом испытаний должны пройти инструктаж по охране труда согласно ГОСТ 12.0.004-2015.

4.7. В процессе проведения испытаний должен выполняться экспресс-анализ полученных данных. При получении в результате экспресс-анализа данных, угрожающих нарушению работоспособности объекта, жизни и здоровью людей, экологической безопасности или безопасности движения на железной дороге, испытания прекращаются. Возобновление испытаний разрешается только после анализа и устранения обнаруженной угрозы.

5. Порядок, методы и средства проведения испытаний

5.1. Испытания проводятся в соответствии с методами, изложенными в ГОСТ 32204-2013 раздел 7, ГОСТ 26433.1.

5.2. Проводится проверка основных технических показателей токоприемника по п. 5.1 ГОСТ 32204-2013 в условиях депо либо в цехе с возможностью работы на крыше вагона при наличии рабочего давления в пневмомагистрали токоприемника.

5.3. Определение жесткости токоприемника по методу малых колебаний производится каждый раз после приложения механической нагрузки к системе подвижных рам. Для определения поперечной жесткости системы подвижных рам токоприемника на крыше электроподвижного состава, необходимо закрепить на верхнем узле акселерометр. Высотное положение токоприемника ограничивается на максимальной высоте с помощью струбцины, либо тонкого, условно нерастяжимого шнура, соединяющего верхний узел и основание токоприемника. После выполнения указанных процедур необходимо запустить программу для определения жесткости, после чего, с помощью импульсного воздействия, приложенного к верхнему шарниру, вывести токоприемник из равновесия. Зарегистрировав поперечные колебания, выполнить расчет жесткости, основываясь на параметрах токоприемника.

5.4. Сведения о средствах испытаний представлены в таблице А.2.

Таблица А.2 - Сведения о средствах испытаний

Наименование определяемых характеристик токоприемника Наименование, тип испытательного оборудования и средств измерений

Статическая характеристика нажатия токоприемника Преобразователь напряжения измерительный Е14; Датчик весоизмерительный тензорезисторный S beam

Поперечная жесткость, определяемая классическим способом Датчик весоизмерительный тензорезисторный S beam; Линейка измерительная металлическая размером 1000 мм

Поперечная жесткость, определяемая по методу малых колебаний Преобразователь напряжения измерительный Е14; Акселерометр двухосевой; Рулетка измерительная металлическая

Приведенная масса Преобразователь напряжения измерительный Е14; Датчик весоизмерительный тензорезисторный S beam; Рулетка измерительная металлическая

Время подъема / опускания токоприемника Секундомер механический типа СОСпр-26-2-000

Параметры окружающей среды Метеометр МЭС-200А

Примечание - При испытаниях могут быть использованы другие средства испытаний с аналогичными характеристиками.

6. Обработка данных и оформление результатов испытаний 6.1. В соответствии с Руководством по качеству Испытательного Центра регистрация первичных данных производится в специальном «Бланке первичных данных». Регистрации подлежат все полученные во время испытаний результаты измерений, расчеты и другие данные, необходимые для подтверждения результатов работ. Объем и содержание зарегистрированной информации должны обеспечивать возможность сопоставления результатов при повторном проведении испытаний. «Бланк первичных данных» подписывается исполнителем и руководителем испытаний с указанием должности и подразделения Испытательного Центра.

6.2. Результаты испытаний оформляются протоколом по форме, предусмотренной ТР ТС 001/2011 и утвержденной при аккредитации Испытательного Центра.

7. Требования безопасности