Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, доктор наук Смердин Александр Николаевич

• Смердин Александр Николаевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Смердин Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ТОКОСЪЕМА НА ЛИНИЯХ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО И ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ

1.1 Развитие инфраструктурной составляющей для снижения числа отказов и повышения качества токосъема

1.2 Анализ направлений совершенствования токоприемников

1.3 Обзор диагностических средств системы токосъема для применения

на линиях с модернизированной инфраструктурой

1.3.1 Передвижные диагностические комплексы для исследования контактной сети

1.3.2 Стационарные системы диагностики инфраструктуры системы токосъема

1.3.3 Стационарные комплексы проверки параметров токоприемников

1.4 Выводы по первой главе

2 АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ НАРУШЕНИЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА ПРИ ПОВЫШЕНИИ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ И ТОКОВОЙ НАГРУЗКИ

2.1 Классификация нарушений токосъема

2.2 Анализ влияния конструктивных и внешних факторов на токосъем

2.3 Выводы по второй главе

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА

3.1 Анализ моделей контактной подвески

3.1.1 Аналитические способы описания статического положения узлов контактной подвески

3.1.2 Имитационные модели для расчета волновых процессов в контактной подвеске

3.2 Моделирование токоприемников электроподвижного состава

3.2.1 Применение одномерных моделей с сосредоточенными параметрами для предварительных расчетов

3.2.2 Учет динамических свойств токоприемника в двумерных и трехмерных моделях

3.2.3 Реализация аэродинамического воздействия и распределения массы в конструкции токоприемника с помощью конечно-элементных моделей

3.2.4 Усовершенствованный метод расчета движения узлов токоприемника на основе трехмерной многоэлементной модели

3.3 Анализ моделей взаимодействия токоприемников и контактных подвесок

3.4 Разработка метода определения мгновенных и средних значений контактного нажатия, на основе предварительно полученных данных о скорости движения, пространственном расположении проводов и жесткости контактной сети по длине участка, с помощью аппарата искусственных нейронных сетей

3.4.1 Обоснование подхода к моделированию контактного нажатия как временного ряда

3.4.2 Разработка модели прогнозирования контактного нажатия на основе математического аппарата искусственных нейронных сетей с обратным распространением ошибки

3.4.3 Разработка модели прогноза контактного нажатия в анкерном участке

на основе нейронной сети обобщенной регрессии

3.5 Интеграция информационных потоков моделей устройств токосъема в единый

расчетный комплекс

3. 6 Выводы по третьей главе

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОКОПРИЕМНИКОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ

ДЛЯ СКОРОСТНОГО И ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ

4.1 Совершенствование методики теплового расчета предлагаемых токоприемников

4.1.1 Особенности расчета переменных электрических сопротивлений

верхнего узла токоприемника

4.1.2 Предлагаемая последовательность теплового расчета ассиметричного токоприемника

4.1.3 Расчет значений элементарных токов токоприемника с помощью предлагаемой методики

несимметрии

4.1.5 Разработка комплексной тепловой математической модели асимметричного токоприемника по предлагаемой методике

4.1.6 Анализ результатов теплового расчета токоприемников, предназначенных для скоростного и тяжеловесного движения

4.2 Расчет аэродинамических показателей предлагаемых токоприемников

с учетом изменения плотности среды

4.2.1 Особенности задачи обтекания токоприемников, предназначенных для скоростного и тяжеловесного движения

4.2.2 Анализ результатов аэродинамического расчета

4.3 Расчет весовой характеристики и весового момента предлагаемых токоприемников

4.3.1 Особенности методики расчета весовой характеристики и весового момента асимметричного токоприемника

4.3.2 Анализ результатов расчета весовой характеристики и весового момента асимметричного токоприемника

4.4 Совершенствование методики расчета подъемно-опускающего механизма предлагаемых токоприемников

4.4.1 Характеристики токоприемника, определяемые подъемным механизмом

4.4.2 Расчет подъемно-опускающего механизма с учетом нелинейности характеристики пневмоэлемента

4.5 Совершенствование методики расчета разработанных рычажных кареток

4.6 Особенности расчета демпфирующих устройств предлагаемых токоприемников

4.7 Выводы по четвертой главе

5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК ПРИ ПОВЫШЕНИИ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ И ВЕСОВЫХ НОРМ ПОЕЗДОВ

5.1 Предлагаемая программа испытаний контактной подвески

5.2 Повышение эффективности экспериментальных исследований контактной подвески за счет предлагаемых методик

5.2.1 Исследование геометрических параметров и эластичности с помощью изолированных съемных вышек и разработанных устройств

5.2.2 Определение зон подхвата контактных проводов на воздушных стрелках и сопряжениях анкерных участков

5.2.3 Исследование приращения натяжения проводов и тросов в анкерном участке с помощью разработанных устройств

5.2.4 Определение высотного положения контактных проводов с помощью измерительного комплекса вагона-лаборатории ВИКС

5.2.5 Определение изменения высотного положения контактных проводов

при проходе токоприемника по видеозаписи

5.2.6 Методика определения скорости распространения поперечной механической волны 297 5.3 Выводы по пятой главе

6 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ ТОКОПРИЕМНИКОВ

6.1 Предлагаемая программа испытаний токоприемников, предназначенных

для скоростного и тяжеловесного движения

6.2 Разработка и совершенствование методов испытаний токоприемников

6.2.1 Совершенствование методов лабораторных испытаний

6.2.1.1 Определение геометрических и массово-инерционных показателей токоприемника

6.2.1.2 Использование видеорегистраторов для оценки статических характеристик токоприёмника

6.2.1.3 Применение акселерометров во время лабораторных испытаний токоприёмника

6.2.1.4 Совершенствование нагрузочных испытаний токоприемника

6.2.2 Совершенствование методики натурных аэродинамических испытаний

6.3 Выводы по шестой главе

7 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА

7.1 Совершенствование методики изменения контактного нажатия

7.1.1 Особенности подвижного состава для установки измерительного комплекса

7.1.2 Состав измерительного комплекса для измерения контактного нажатия

7.1.3 Разработка программного обеспечения для расчета контактного нажатия

7.2 Совершенствование методики регистрации вертикальных перемещений узлов

и элементов токоприемника во время токосъема

7.3 Совершенствование методики регистрации искрения и дугообразования

во время токосъема

7.4 Совершенствование методики определения допустимого расстояния между поднятыми токоприемниками

7.5 Совершенствование алгоритмов обработки данных измерительного комплекса _

7.5.1 Фильтрация данных измерительного комплекса

7.5.2 Привязка данных измерительного комплекса к координате пути

7.5.3 Коррекция контактного нажатия за счет учета угловых и вертикальных перемещений полозов

7.5.4 Совершенствование базы данных для хранения и обработки результатов экспериментов

7.6 Выводы по седьмой главе

8 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК И ТОКОПРИЕМНИКОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ

ВЫСОКОСКОРОСТНОГО И ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ

8.1 Предлагаемая конструкция токоприемника, позволяющая повысить

качество токосъема при увеличении скоростей движения

8.1.1 Система подвижных рам с улучшенными механическими характеристиками _

8.1.2 Основание токоприемника с интегрированным дополнительным объемом

8.1.3 Подъемный механизм со звеньевой передачей усилия

8.1.4 Полоз токоприемника повышенной жесткости

8.1.5 Каретки повышенной надежности

8.1.6 Демпфирующие устройства на основе типовых гасителей колебаний

8.1.7 Аэродинамические устройства двустороннего действия

8.2 Повышение нагрузочной способности токоприемников ЭПС

в условиях тяжеловесного движения

8.2.1 Повышение проводимости системы подвижных рам токоприёмника

8.2.2 Повышение эффективности теплоотвода полозов токоприемников, предназначенных для тяжеловесного движения

8.3 Совершенствование системы распределенной диагностики контактной

подвески для применения на участках скоростного и тяжеловесного движения

8.3.1 Модуль распределенной диагностики, размещенный на потенциале контактной сети

8.3.2 Компоненты распределенной диагностики, размещенные на потенциале «земли»

8.3.3 Программное обеспечение предлагаемого комплекса

8.4 Результаты испытаний предложенных устройств

8.5 Выводы по восьмой главе

9 ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ

ВЫСОКОСКОРОСТНОГО И ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ

9.1 Оценка снижения экологической нагрузки при внедрении новых технических решений

9.2 Оценка экономической эффективности разработанных технических решений

9.3 Выводы по девятой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Распределение температур в элементах токоприемника для

тяжеловесного движения

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Распределение температур в элементах токоприемника,

предназначенного для скоростного движения

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты аэродинамических расчетов

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Результаты многовариантных расчетов влияния геометрических параметров системы подвижных рам на весовую характеристику токоприемников. „500

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Патенты РФ на изобретения и полезные модели

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Свидетельства РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Акты внедрения научно-технической продукции

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Основной текст программного обеспечения для анализа видеоданных «ТЕХНОСКАНЕР» на языке программирования python

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В связи с необходимостью обеспечения конкурентоспособности железнодорожного транспорта на рынке транспортных услуг, отмеченной на заседании правления ОАО «РЖД» 17-18 декабря 2014 г., запланирован интенсивный рост абсолютных и удельных показателей работы всех технических средств, связанных с эффективностью перевозочного процесса.

Система токосъема магистрального электрифицированного железнодорожного транспорта в настоящее время является одной из лимитирующих с точки зрения дальнейшего повышения скорости, мощности электроподвижного состава, надежности и безопасности движения.

Устройства токосъема отвечают за электропитание подвижного состава посредством скользящего контакта, обеспечивая бесперебойную работу электрооборудования.

Для движения с высокими скоростями, а также для пропуска тяжеловесных составов система токосъема должна передавать до 10 000 кВА электроэнергии на один поезд. Особенно непростой эта задача становится на линиях постоянного тока напряжением 3,3 кВ с номинальным значением тока 3 000 А и более.

Основные цели и задачи развития электрифицированного железнодорожного транспорта определены в «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 г.», утверждённой распоряжением Правительства РФ от 17 июня 2008 г. № 878-р.

Указанная директива требует от хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» гарантированного обеспечения тяги поездов электроэнергией и обоснованного снижения расходов по содержанию инфраструктуры.

Одним из приоритетных направлений в деятельности хозяйства, позволяющим перейти на качественно новый уровень, является разработка и усовершенствование токоприемников электроподвижного состава (ЭПС) для применения в условиях тяжеловесного движения, а также при увеличении скоростей. Создание новой техники транспортных систем, в том числе в рамках импортозамещения, входит в Перечень приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации (утвержден Указом Президента Российской Федерации от 07 июля 2011 г.)

Совершенствование методов теоретических и экспериментальных исследований системы токосъема - один из ключевых вопросов, вызывающих интерес сотрудничества ведущих научных школ скоростного движения.

Развитие полигона скоростного и высокоскоростного движения (Программа высокоскоростного и скоростного железнодорожного сообщения на перспективу до 2030 года) предусматривает не только рост транспортной мобильности населения на 15 % к текущим значениям (суммарный пассажиропоток на сети высокоскоростных магистралей (ВСМ) и скоростных магистралей (СМ) составит 84 млн. пассажиров в год), но и увеличение общей протяженности скоростных и высокоскоростных магистралей свыше 7 000 км.

Заложенные в Программу показатели технической и экономической эффективности достижимы лишь при безотказной и надежной работе всех подсистем транспортной инфраструктуры и подвижного состава. Совершенствование системы токосъема магистральных электрических железных дорог позволяет повысить показатели эффективности работы электрифицированного железнодорожного транспорта за счет снижения потерь при передаче электроэнергии на подвижной состав.

Степень разработанности темы исследования. В России разработкой методов экспериментальных и теоретических исследований систем токосъема и повышению их работоспособности занимаются несколько научных, образовательных и инжиниринговых организаций (ВНИИЖТ, ВЭлНИИ, ОмГУПС, УрГУПС, ПГУПС, РГУПС, ДВГУПС, СамГУПС, АО «УКС», ЗАО «Инфотранс», ЗАО «МСД-холдинг» и др.)

В ОмГУПСе с 1977 г. разрабатываются методики определения параметров и показателей токосъема при высоких скоростях движения. Экспериментальные исследования, выполненные на скоростных участках Октябрьской железной дороги и на скоростном полигоне ВНИИЖТа, легли в основу экспериментальных программ и методов исследования контактных подвесок и токоприемников.

В разное время исследования системы токосъема проводили известные отечественные и зарубежные ученые: И. А. Беляев, В. Я. Берент, А.Т. Бурков, И. И. Власов, В. А. Вологин, А. Г. Галкин, Ю. И. Горошков, А. И. Гуков, А. Т. Демченко, А. В. Ефимов, Ю. Е. Купцов, В. Н. Ли, В. Н. Лисунов, К. Г. Марквардт, Г. П. Маслов, А.Н. Митрофанов, В. П. Михеев, В. А. Нехаев, В. М. Павлов, А. В. Плакс, В. Н. Пупынин, Л. Н. Решетов, О. А. Сидоров, Ю. Д. Соколов, Т. А. Тибилов, А. В. Фрайфельд, J. Ambrosio, F. Barón,

Y. Chen, B. Fink, F. Kiessling, A. Schmieder, H. Tessun, T. Usuda, G. Wang, и другие специалисты.

Несмотря на постоянное совершенствование конструкций, технологии эксплуатации и методов диагностирования системы токосъема, количество отказов остается значительным. Особенно остро эта проблема проявляется при увеличении весовых норм, интенсивности и возрастании скорости движения.

Для повышения работоспособности и эффективности системы токосъема необходимо усовершенствовать методы теоретических и экспериментальных исследований, разработать новые технические решения, направленные на повышение нагрузочной способности и скоростных показателей.

Цель диссертационной работы: Разработка методов и средств повышения эффективности системы токосъема электроподвижного состава магистральных железных дорог за счет совершенствования конструкции и технологии эксплуатации токоприемников и контактных подвесок для обеспечения высокоскоростного и тяжеловесного движения.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Выполнить многофакторный анализ особенностей токосъема при высокоскоростном и тяжеловесном движении и на его основе предложить классификацию критериев оценки взаимодействия контактных подвесок и токоприемников;

2. Разработать модель прогнозирования работоспособности элементов системы токосъема в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения и на её основе создать алгоритм определения вероятностей отказов контактной сети;

3. Предложить усовершенствованную трехмерную модель токоприемника, позволяющую учесть несимметрично приложенные механические и аэродинамические нагрузки при расчете рациональных значений его параметров и характеристик;

4. С использованием теории искусственных нейронных сетей разработать метод синтеза структуры, подготовки входного и обучающего наборов данных для прогнозирования мгновенных и средних значений контактного нажатия в зависимости от скорости движения и регулировок контактной сети;

5. Разработать и усовершенствовать методы экспериментального определения характеристик и параметров токоприемников электроподвижного состава и контактных подвесок при повышении скоростей движения и весовых норм поездов;

6. Разработать технические решения для оценки параметров, показателей и характеристик контактных подвесок и токоприемников в лабораторных условиях и на действующих линиях при организации высокоскоростного и тяжеловесного движения;

7. Предложить новые технические решения, обеспечивающие повышение работоспособности и ресурса токоприемников и контактных подвесок при увеличении скоростей движения и весовых норм поездов;

8. Провести комплексные испытания предложенных устройств в лабораторных условиях и на действующих линиях с помощью предложенных программно-аппаратных диагностических комплексов;

Объект исследования - система токосъема магистральных электрических железных дорог.

Предмет исследования - технологии эксплуатации в условиях высокоскоростного и тяжеловесного движения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. создана трехмерная многоэлементная модель токоприемника с упруго - вязкими связями, отличающаяся тем, что распределение аэродинамических и диссипативных сил, а также инерционных характеристик, реализовано поэлементно;

2. разработан метод определения мгновенных и средних значений контактного нажатия, на основе предварительно полученных данных о скорости движения, пространственном расположении проводов и жесткости контактной сети по длине участка, отличающийся тем, что в качестве универсального аппроксиматора контактного нажатия применяется искусственная нейронная нелинейная авторегрессионная сеть;

3. создана вероятностная модель работоспособности системы токосъема отличающаяся тем, что её структура, определенная с помощью оценочной функции Байеса- Дирихле, формируется с учетом изменяющегося входного массива данных, включающих в себя данные об случившихся отказах и сопровождающих их погодных факторов;

4. усовершенствован метод экспериментальных исследований взаимодействия токоприемников с контактными подвесками на действующих линиях, отличающаяся тем,

что при определении значений контактного нажатия учитываются угловые ускорения измерительных полозов, установленных на каретках с увеличенным ходом;

5. предложен усовершенствованный метод нагрузочных испытаний токоприемников с учетом охлаждения набегающим потоком воздуха, отличающаяся тем, что при определении показателей нагрева учтено перемещение точек контакта по поверхности полозов;

6. предложены усовершенствованные технологии обнаружения нарушений контакта при определении приведенной массы и проверке на устойчивость токоприемников к отрывам в лабораторных условиях, отличающиеся тем, что для получения характеристик движения системы подвижных рам, полозов и измерительной балки используются сигналы акселерометров;

7. разработан и экспериментально проверен способ обработки результатов аэродинамических испытаний токоприемников на действующих линиях, полученных при различных внешних условиях отличающийся тем, что аэродинамические силы, записанные синхронно с данными о фактической плотности среды, корректируются с помощью предложенного коэффициента;

8. предложен способ экспериментального определения скорости распространения поперечных механических колебаний в контактной подвеске с использованием средств видеонаблюдения, отличающийся тем, что для возбуждения колебаний используется ЭПС, находящийся в коммерческой эксплуатации, благодаря чему не требуется перерывов в графике движения поездов.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Предложена методология определения технических параметров токоприемников электроподвижного состава на основе комплексного подхода, с учетом планируемой нагрузочной способности и скоростного режима эксплуатации;

2. Разработанная трехмерная многоэлементная модель токоприемника позволяет уточнить расчет его статических и динамических характеристик, определить зависимость весового момента от высоты подъема, что позволяет на этапе проектирования подъемного механизма рассчитать его параметры;

3. Предложенная методика определения показателей взаимодействия токоприемников с контактными подвесками с помощью математического аппарата искусственных

нейронных сетей позволяет ранжировать конфигурации контактной подвески в процессе ее разработки;

4. Усовершенствованная методика определения нагрузочной способности токоприемников, предназначенных для тяжеловесного движения, позволяет сократить временные затраты на исследовательские, квалификационные, аттестационные и сертификационные испытания на базе созданного лабораторного испытательного комплекса;

5. Разработанные и усовершенствованные методики испытаний токоприемников, контактных подвесок и системы токосъема на действующих и строящихся железнодорожных линиях, при подготовке к запуску скоростного движения, позволяют сократить временные затраты и повысить информативности получаемых результатов;

6. Внедрение предлагаемых конструктивных решений позволит повысить работоспособность и эффективность эксплуатации электроподвижного состава в условиях скоростного и тяжеловесного движения.

7. Разработанная технология экспериментального определения параметров и характеристик токоприемников, позволит повысить допустимые токовые нагрузки в условиях тяжеловесного движения и скорость движения.

Методология и методы исследований. При решении поставленных задач теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе системного подхода, положений теории системы токосъема, контактной сети, теории графов. Использовались методы интегрального и дифференциального исчисления, численные методы решения задачи Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений, численные методы аппроксимации и сглаживания экспериментальных данных, метод наименьших квадратов. Методы искусственных нейронных сетей, методы математического моделирования на ПЭВМ с использованием программного пакета Ма1ЬаЪ и комплекса автоматизированного проектирования SolidWorks.

При постановке экспериментов и обработке результатов использовались методы планирования эксперимента; корреляционный и регрессионный анализ; метод конечных элементов; методы математической статистики, положения теории графов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Способ определения статических характеристик токоприемников электроподвижного состава на этапе проектирования, с помощью трехмерной многоэлементной

модели, учитывающей распределение по элементам аэродинамических и диссипативных сил, а также инерционных характеристик.

- Метод определения мгновенных и средних значений контактного нажатия с помощью математического аппарата искусственных нейронных сетей на основе предварительно полученных данных о скорости движения, пространственном расположении проводов и жесткости контактной сети по длине участка;

- Алгоритм определения вероятности отказов в работе системы токосъема, основанный на анализе ациклического направленного графа, сгенерированного в виде сети Байеса с учетом погодных факторов;

- Методика экспериментальных исследований взаимодействия токоприемников, оснащенных каретками с увеличенным ходом, с контактными подвесками на действующих линиях с помощью разработанного автономного программно-аппаратного комплекса;

- Технология экспериментального определения параметров и характеристик токоприемников, обеспечивающих повышение работоспособности в условиях скоростного и тяжеловесного движения;

- Новые научно обоснованные технические решения и разработки.

Реализация результатов работы:

1. Предложенная методика определения параметров токоприемников, технические разработки и новые конструктивные решения, позволяющие повысить эксплуатационные характеристики токоприемников при увеличении скоростей движения и токовых нагрузок, использовались в ЗАО «УКС» при выполнении проекта «Разработка магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема» в рамках открытого публичного конкурса на право получения субсидий для реализации комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства, проведенным Министерством образования и науки Российской Федерации, реализованного в период с 2010 по 2013 годы.

2. Разработанные методы и комплексы экспериментальной проверки характеристик и параметров токоприемников внедрены в ООО «ИЦ «Привод-Н» и в ОАО «ВЭлНИИ» в программах предварительных испытаний опытных образцов токоприемников для электровозов переменного и постоянного тока ЭП20; 2ЭВ120; ЭП2К; ЭП1М; 3ЭС6; 3ЭС4К.

3. Метод расчета допустимой скорости движения по условиям токосъема внедрен в АО «ВНИИЖТ» при проведении работ по уменьшению времени хода ЭВС-2 САПСАН на участке Москва-Санкт-Петербург.

4. Разработанный комплекс для испытания устройств токосъема, содержащий кольцевой имитатор контактной подвески, аэродинамический нагнетатель и устройство токовой нагрузки аттестован и внедрен в научно-исследовательскую работу и учебный процесс в качестве основного оборудования лаборатории устройств токосъема ОмГУПСа.

5. Разработанные усовершенствованные математические модели и программные комплексы, позволяющие рассчитывать мгновенные и средние значения контактного нажатия на основе видеозаписей, получаемых в ходе коммерческой эксплуатации скоростного электроподвижного состава, внедрены в ООО «Инновационные технологии в электроснабжения» при написании программных продуктов и выполнении НИР.

Фактическое использование результатов диссертационной работы подтверждено актами внедрения.

Степень достоверности научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена многократными экспериментальными исследованиями и опытом многолетней эксплуатации макетных и опытных образцов разработанных устройств токосъема, устройств диагностики, применением разработанных методик для расчета показателей качества токосъема.

Достоверность базируется также на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, теории вероятностей и математического моделирования. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными составляет от 6 до 9 % для различных вариантов предлагаемых моделей.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на Всероссийских и международных конференциях, тематика которых соответствовала направлению диссертационного исследования, в том числе на международных симпозиумах «Екгаш-2007, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017» (г. Санкт-Петербург); международных научно-практических конференциях в ЮжноРоссийском государственном техническом университете 2006, 2007, 2010, 2011, 2017 (г. Новочеркасск); международной научно-практической конференции в Уральском государственном университете путей сообщения 2006 (г. Екатеринбург); международных науч-

но-практических конференциях в Омском государственном университете путей сообщения 2013, 2016 (г. Омск); международных научно-практических конференциях в Казахской академии транспорта и коммуникаций 2017, 2018 (г. Алматы, РК).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 94 печатных работы, в том числе 25 статьей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России, 27 патентов РФ на полезную модель и девять патентов РФ на изобретения.

Личный вклад. Постановка научной проблемы, реализация задач исследования, формулировка научной новизны, практической ценности, выводов по главам и по всей диссертации принадлежат автору. В целом общий авторский вклад в работах, выполненных в соавторстве, составляет не менее 70%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованной литературы из 318 наименований и восьми приложений, содержит 600 страниц текста диссертации, включая 297 иллюстраций, 73 таблицы.

1 ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ТОКОСЪЕМА НА ЛИНИЯХ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО И ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ

Устройства контактной подвески при взаимодействии с токоприемниками электроподвижного состава должны обеспечивать надежный и экономичный токосъем с установленными максимальными скоростями движения при расчетных климатических условиях.

Качественный токосъем возможен при безусловном соответствии параметров, показателей и характеристик контактной подвески требованиям, приведенным в международных, национальных и отраслевых нормативных документах:

- IEC 60913(2013) «Железнодорожные стационарные установки. Подвесные контактные линии электрической тяги» [265];

- UIC 791-1 «Правила содержания контактной сети» [307];

- UIC IRS 70015 «Диагностика параметров, показателей и характеристик контактной сети» [311];

- UIC 799 OR «Параметры контактных подвесок переменного тока для скоростей движения свыше 200 км/ч» [309];

- UIC 799-1. «Параметры контактных подвесок постоянного тока для скоростей движения от 160 до 250 км/ч» [310];

- Р 670 «Технические требования к контактной подвеске постоянного тока напряжением 3 кВ для скоростей движения до 250 км/ч» [155];

- ЦЭ-462 «Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог РФ» [227];

- ЦЭ-868 «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог» [228];

- СТН ЦЭ 141-99 «Нормы проектирования контактной сети» [212];

- ЦРБ-393 «Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств, подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов» [226];

- ГОСТ 32679-2014 «Контактная сеть железной дороги. Технические требования и методы контроля» [39].

Токоприемники ЭПС должны обладать набором показателей, параметров и характеристик, определенных с учетом инфраструктуры и режимов эксплуатации. Важнейшие из них собраны в нормативных документах, имеющих статус отраслевых, государственных и международных стандартов:

- ГОСТ 32204-2013 «Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия» [38];

- 1ЕС 60494-1-2013 «Применение на железных дорогах, подвижной состав, токоприемники, характеристики и способы их определения» [264];

- Р 668 «Технические требования к токоприемникам электроподвижного состава для скоростей движения до 250 км/ч» [154].

Показатели качества токосъема включают в себя технические, ресурсные и экологические критерии, интегральное значение которых позволяет ранжировать электрифицированные участки, а так же определять допустимые и целесообразные значения эксплуатационных скоростей их значения обоснованы в международных стандартах:

- Р 630/5 «Рекомендации по обеспечению качественного токосъема на контактной сети постоянного тока при скоростях движения до 200 км/ч» [153];

- ЕМ 50317:2012 «Применение на железных дорогах. Системы токосъема. Требования к измерениям динамического взаимодействия токоприемника с контактной подвеской и их валидация» [240];

- ЕМ 50318:2002 «Применение на железных дорогах. Системы токосъема. Валидация моделирования динамического взаимодействия токоприемника с контактной подвеской» [241];

- ЕМ 50367:2012 «Применение на железных дорогах. Системы токосъема. Технические критерии для оценки взаимодействия токоприемника и контактной подвески [242];

- и1С 794 О. «Взаимодействие токоприемника и контактной подвески на европейской высокоскоростной сети» [308];

Некачественный токосъем вызывает повышенный и неравномерный износ контактных вставок токоприемников и проводов контактной сети, искрение, дугообразование, радиопомехи и загрязнение окружающей среды продуктами износа.

При повышении скоростей движения проблемы токосъема усугубляются, увеличивается разброс высотного положения точки контакта, нажатие изменяется в широких пределах, появляются отрывы токоприемника от контактной подвески. Таким образом, для всестороннего изучения нарушений токосъема необходимо составить их классификацию и детально проанализировать причины и последствия.

Отказы в работе системы токосъема могут приводить к различным последствиям, от внепланового технического обслуживания до прекращения движения поездов на продолжительное время.

В рамках диссертационной работы рассматриваются проблемы, возникающие при безусловном соответствии технической и организационной составляющих эксплуатации всем требованиям, приведенным в нормативных документах, мешающие дальнейшему росту показателей эффективности работы системы токосъема.

1.1 Развитие инфраструктурной составляющей для снижения числа отказов и

повышения качества токосъема

Контактная подвеска характеризуются многочисленными конструктивными параметрами и показателями, приведенными в таблице 1.1.

С точки зрения влияния на качество токосъема можно выделить следующие:

Высота подвеса контактного провода - расстояние между контактным проводом железнодорожной контактной подвески и линией, соединяющей верхние поверхности головок рельсов, в плоскости, перпендикулярной оси железнодорожного пути.

Стрела провеса контактного провода - расстояние по вертикали от низшей точки провода железнодорожной контактной подвески или воздушной линии электропередачи в пролете до прямой, соединяющей соседние точки их подвеса.

Длина пролета - расстояние вдоль оси пути между двумя соседними точками фиксации контактных проводов

Жесткость контактной подвески - отношение силы, приводящей к подъему контактного провода, к величине этого подъема (величина обратная эластичности).

Относительная неравномерность эластичности - отношение разности максимальной и минимальной эластичности в пролете контактной сети к их сумме, в процентах.

Уклон контактного провода - разность высот контактного провода железнодорожной контактной подвески в смежных точках подвеса одного пролета железнодорожной контактной подвески, отнесенная к длине этого пролета.

Несмотря на то, что большинство представленных в обзоре контактных подвесок эксплуатируются на высоком уровне напряжения (>10 кВ) сечение проводов, входящих в состав, обеспечивают возможность пропуска значительных токов (таблица 1.2).

Отличительной особенностью конструкции подвесок, предназначенных для ВСМ является низкий коэффициент неравномерности эластичности (таблица 1.3) который достигается натяжением проводов и тросов, входящих в состав подвески.

Основную нагрузку по перевозке грузов и пассажиров в мире несут линии, рассчитанные на скорость движения до 200 км/ч. Развитие ВСМ с конструкционными скоростями 200 - 350 км/ч так же идет значительными темпами. Линии свыше 350 км/ч являются на сегодняшний день уникальными объектами, конструктивные параметры которых уточняются и проходят апробацию. Для электрификации линий до 200 км/ч в РФ и в мире используются отлаженные схемные решения, которые можно проиллюстрировать на примере КС-200 различных модификаций, разработанных фирмой ЗАО «УКС» [67].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Смердин Александр Николаевич, 2019 год

Источник

света

5 4

6 7

Рисунок 1.27 - Схема измерительной системы на основе решеток Брегга: 1 - контролируемый провод; 2 - зажим с датчиком; 3а - оптоволокно; 3Ь - встроенная волоконная решетка Брегга; 4 - источник света со стабилизированным диодом; 5 - оптический циркулятор; 6 - анализатор оптического спектра; 7 - компьютер / пункт передачи данных

Программное обеспечение, входящее в состав таких систем производит в автоматическом режиме первичную обработку поступающих сигналов, фильтрацию, синхронизацию, размещение в базе данных. Обработанный массив данных представляет собой цифровой «отпечаток» (рисунок 1.28) визуализирующий амплитудно-частотную характеристику колебаний после прохода поезда.

Рисунок 1.28 - Спектрограмма колебаний контактной подвески в месте установки датчика после прохода поезда

На основе заложенных моделей производится расчет зависимых параметров и характеристик. Выполняется сравнение сигналов с их пороговыми значениями,

2

1

формируются информационные сообщения для отправки на рабочее место оператора и на сервер.

Особый интерес представляют данные, накопленные в течение длительного времени, при многолетней смене времён года, при различных сочетаниях нагрузок. Выявление предотказных состояний возможно путем поиска корреляционных связей между изменениями контролируемых величин и отказами технических средств (появлением аварийных ситуаций).

Контроль параметров в режиме реального времени позволяет при выходе выбранных параметров за пределы допустимых значений предотвратить развитие отказа, оповестить диспетчерскую службу об аварийной ситуации и таким образом избежать тяжелых последствий отказа.

С помощью измерения температурных показателей системы токосъема появляется возможность регулировать интервалы движения поездов с учетом действительного нагрева наиболее нагруженных участков.

1.3.3 Стационарные комплексы проверки параметров токоприемников

В связи с разделением ответственности (в том числе и финансовой) за повреждения контактной сети и токоприемников ЭПС в ходе эксплуатации во всем мире наблюдается активный рост числа разработок, посвященным контролю токоприемников «на выходе из депо» или на въезде на скоростной участок. Операторы железнодорожных линий заинтересованы в строгом соответствии параметров подвижного состава техническим спецификациям.

Крупнейший производитель и разработчик железнодорожной техники фирма SIEMENS предложила решение «SICAT PMS», включающее разнообразие способов обнаружения дефектных токоприемников перед выходом на важные участки (скоростные магистрали, тоннели и т.д.).

Система предназначена для проверки нажатия токоприемника, целостности его контактных вставок, соответствия конфигурации полоза установленному габариту, позволяет определить скорость движения, количество поднятых токоприемников. При этом, в зависимости от настроек, в случае определения неисправности, может быть остановлено движение на участке, зарегистрирован идентификатор ЭПС, отправлен сигнал на пульт диспетчеру. Для целей риск-анализа также может быть определен

размер ущерба, который может причинить неисправный токоприемник в случае если продолжит движение [269].

Система включает в себя бесконтактные датчики подъема проводов контактной сети при проходе токоприемника, сканеры поверхности полозов и конфигурации верхнего узла (рисунок 1.29).

Рисунок 1.29 - Инсталляция компонентов системы Sicat PMS на изолированной консоли

После прохода ЭПС формируются графики отжатия проводов, сравниваются с референсными значениями для данного типа подвижного состава (определяется по графику движения) и скорости (определяется с помощью счетчика колесных пар, входящего в состав комплекса). Система дополняется метеодатчиками для оценки скорости и направления ветра, влажности воздуха и температуры. Эти данные нужны для корректировки зависимости подъема проводов контактной сети от нажатия токоприемников. Графический интерфейс системы контроля (рисунок 1.30) позволяет наблюдать в реальном времени изменение высотного положения проводов при проходе

ЭПС.

. 160.00 ' 140.00 с 120.00 5 100.00 | 80.00 С 6000 «.00 20.00 0.00 -20.00

^ 35.00 в 3000

■3 25.00

1 Е

= 2000

15.00 №31

1 --♦-.. ирлн 1ас1 1опя ей

) -А к-'111 а г-1 согс иппщд 5ре

/.

с

/ Л

/ / ч \

/ / ч

* * -*

III! Ах1есоиг№г1

>-4С

Рисунок 1.30 - Отображение высотного положения проводов, нажатия и скорости проходящего ЭПС

Аналогичные системы есть в числе предложений многих зарубежных фирм [251, 286, 287]. Они находятся в эксплуатации на европейских и австралийских скоростных линиях. Контроль осуществляется на скоростях движения до 400 км/ч (при использовании скоростных видеорегистраторов). Во время прохождения поезда регистрируется профиль полозов, измеряется остаточная толщина токосъемных элементов, определяется наличие сколов и отсутствие частей токосъемных пластин (рисунок 1.31).

Рисунок 1.31 - Формуляр системы РапМшреС: критическим износом контактных вставок

для токоприемника с

Размещение измерительных компонентов системы на портале позволяет организовать бесперебойное электроснабжение и техническое обслуживание без перерывов в движении поездов (рисунок 1.32).

Рисунок 1.32 - Размещение бесконтактного измерительного комплекса над контактной сетью

Приближающийся поезд активирует измерительную систему, которая с помощью датчиков, установленных на проводах контактной сети, скоростных камер и лазерных устройств собирает требуемую информацию (рисунок 1.33).

Рисунок 1.33 - Детекция повреждений токоприемника во время движения

Анализ диагностических комплексов различных типов позволяет говорить о необходимости их интеграции в единую систему, с общей информационной базой. Сверхаддитивный эффект проявляется благодаря синхронизации временных отметок всех информационных сигналов и привязке данных к путевым координатам.

С учетом изложенных особенностей разработана программа и методики испытаний, технические средства, с помощью которых в 2005 - 2010 годах были

проведены комплексные испытания системы токосъема на линии Москва - Санкт-Петербург, в ходе которых получены исчерпывающие сведения о влиянии конструктивных особенностей, погодных и эксплуатационных факторов на токосъем. Установлены значения частоты дискретизации и пределы измерения для измерительных систем.

1.4 Выводы по первой главе

- В настоящее время принципиальные схемы токоприемников и контактной сети «эволюционировали» практически до своего завершенного вида. Дальнейшее развитие возможно при кардинальной смене условий работы и предъявляемых требований. Для появления предпосылок применения управляемых токоприемников и контактных сетей с развитыми системами самодиагностики и т.д. необходим вектор на снижение износа токосъемных материалов (экономика, экология и т.п.) Текущая конъюнктура не располагает к экономии токосъемных материалов за счет удорожания, усложнения токоприемников и расходов энергии на работу дополнительных систем.

- Особую актуальность приобретают направления развития, касающиеся снижения повреждаемости системы токосъема в ходе эксплуатации, а так же уменьшающие затраты времени на техническое обслуживание.

- Дальнейшее повышение скорости распространения механических колебаний вдоль контактной подвески ограничено свойствами конструкционных материалов, несущей способностью опорно-поддерживающих устройств, несовершенством конструкции сопряжений анкерных участков и воздушных стрелок.

- Увеличение точности вертикальной и горизонтальной регулировки проводов контактной подвески, выравнивание эластичности вдоль анкерного участка требует совершенствования технологий монтажа и эксплуатации, ведет к усложнению систем контроля этих параметров.

- Противоречие между проводимостью проводов контактной подвески и их удельной прочностью на растяжение не позволяет рекомендовать одинаковые подходы для реализации и высокоскоростных систем токосъема и систем для тяжеловесного движения.

- Наличие узкоспециализированных элементов конструкции токоприемников позволяет акцентировать их скоростные преимущества или токовые возможности.

- Современные диагностические средства, размещенные на ЭПС и стационарно, позволяют собирать исчерпывающую информацию о качестве содержания и регулировки контактных подвесок, оценивать качество токосъема, предупреждать появление отказов и прогнозировать срок службы устройств токосъема с высокой степенью вероятности.

- С ростом скоростей движения и токовых нагрузок возникают дополнительные требования к системам диагностики, требующие повышения точности и увеличения информативности получаемых данных.

- Информационные модели, с помощью которых ведется обработка данных, должны непрерывно совершенствоваться для корректного учета изменений технических устройств, входящих в систему токосъема, режимов их использования.

- Диагностические комплексы различных типов необходимо интегрировать в единую систему, с общей информационной базой.

2. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ НАРУШЕНИЙ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТОКОСЪЕМА ПРИ ПОВЫШЕНИИ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ И ТОКОВОЙ НАГРУЗКИ

Анализ производственно-хозяйственной деятельности хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД», а также информации, содержащейся в комплексной автоматизированной системе учёта, контроля устранения отказов технических средств ОАО «РЖД» и анализа их надёжности (КАСАНТ) показывает, что несмотря на постоянную модернизацию и повышение качества содержания инфраструктуры, улучшение эксплуатационных показателей токоприемников, количество отказов по сети дорог практически не уменьшается.

Для подтверждения выбранного направления совершенствования системы токосъема был выполнена классификация нарушений, анализ влияния конструктивных и внешних факторов на токосъем, обоснованы критерии с помощью ранговой оценки.

2.1. Классификация нарушений токосъема

При всем многообразии нарушений токосъема, можно выделить несколько типов, различающихся тяжестью последствий:

По степени тяжести последствий согласно положениям и ГОСТа 27.002 [37] отказы различаются по причинному признаку их возникновения. Классификация отказов по критерию их последствий учитывает степень влияния данных последствий на некоторый обобщенный эксплуатационный показатель. Применительно к ОАО «РЖД» таким показателем является время задержки движения поездов (пассажирских, пригородных и грузовых). При работе подразделений хозяйства электроснабжения в рамках комплексной автоматизированной системы учета, контроля устранения отказов технических средств и анализа их надежности (КАС АНТ) учитывается время задержки как первого, так и последующих поездов, допущенных по причине данного отказа. Классификация отказов по критерию их последствий в КАС АНТ осуществляется по трем категориям [24]:

- отказы первой категории - отказы, приведшие к задержке пассажирского или пригородного поезда на шесть минут и более, грузового поезда на перегоне (станции) на один час и более или приведшие к случаям нарушения безопасности движения в поездной или маневровой работе (согласно действующим нормативным документам);

- отказы второй категории - отказы, приведшие к задержке грузового поезда на перегоне (станции) продолжительностью от шести минут до одного часа или ухудшение эксплуатационных показателей вследствие оказанного воздействия, исключая задержки поездов, относящиеся к отказам первой категории;

- отказы третьей категории - отказы, не имеющие последствий, относящихся к отказам первой и второй категорий.

Технические причины возникновения отказов предлагается классифицировать по подсистемам, а далее - по узлам и элементам.

Отказы в работе узлов контактной сети (рисунок 2.1, а) сводятся к выходу из строя элементов и узлов контактной сети вследствие чрезмерного износа, повреждений из-за неправильной эксплуатации, ошибок при проектировании и при монтаже. Изменение числа скоростных поездов на участке Санкт-Петербург-Москва, а также общее увеличение скорости на Октябрьской железной дороге привело к увеличению отказов (рисунок 2.1, б). Возросла доля отказов, связанных с контактными проводами, струнами.

Анализ отечественных и зарубежных работ, посвященных особенностям конструкции контактной сети, позволяет провести обобщение всевозможных факторов в три основных группы: климатические, конструктивные и эксплуатационные (рисунок 2.2).

Многие научные школы проводят исследования, позволяющие установить закономерности влияния атмосферных осадков [61], температурных режимов [170], степени износа проводов [64] на возникновение отказов. Исследования, посвященные влиянию повышения скоростей движения [171], а также энергопотребления [19] оказывают определенное влияние этих параметров на техническое состояние контактной сети.

Наименее изучено одновременное влияние нескольких факторов на возникновение отказов.

В УрГУПСе создана методика учитывающая множество факторов действующих на контактную сеть на протяжении её жизненного цикла [73]. При этом для совершенствования методик и моделей требуется постоянно наращивать число параметров и количество наблюдений за работой контактной сети, токоприемников и системы токосъема в целом.

а

I По всей сети дорог

I На участке СПб-Москва

б

Рисунок 2.1 - Динамика числа отказов в работе контактной сети: а - по сети дорог ОАО «РЖД»; б - на участке скоростного движения Санкт-Петербург - Москва.

Факторы, влияющие на работу контактных подвесок

Технологические

Заданные горизонтальные и вертикальные габариты контактных проводов

Ограничения проводимости контактных проводов и тросов

Прочность материалов

Температурное и упругое удлинение проводов

Точность измерительного оборудования

Точность изготовленияэлементов

Вероятность отжига и пережога проводов

Изнашивание контактных проводов

Эксплуатационные

Возможность монтажа

Наличие протяженного заземлителя - рельсов

Обслуживание и восстановление рельсового пути

Возникновение блуждающих токов от перемещающегося электроподвижного состава

Отсутствие резерва

питания электроподвижного состава

Необходимость пропуска поездов при

обслуживании контактных подвесок

Вибрационные воздействия на фундаменты и изоляторы со стороны электроподвижного состава

Рисунок 2.2 - Факторы, влияющие на работу контактных подвесок

Из таблицы 2.1 видно, что превалирующая причина возникновения нарушений токосъема это повреждения проводов и тросов, зажимов и струн контактной сети. Эти элементы распределены по всей протяженности электрифицированных участков и снижение числа отказов возможно в первую очередь за счет своевременного диагностирования.

ьо - - И!

Западно-Сибирская Забайкальская Дальне-Восточная Горьковская Восточно-Сибирская ьо Наименование дороги

-0 о\ оо о\ оо Опоры

о о о ьо - Поперечины всех типов

оо О оо оо ЧО ьо ьо оо Поддерживающие конструкции (консоли, кронштейны, фиксаторы)

о\ и) о\ оо о оо чо оо о\ Изоляторы

о о о\ чо Секционные изоляторы

о\ оо оо ьо о\ оо оо Провода, тросы

о\ оо ьо оп оо оо о\ чо Воздушные стрелки

оо оо о\ оо оп оп о Зажимы, детали

ьо о о ьо оо - Разрядники, разъединители

ьо о оо о\ ьо ьо Струны

- ьо - - оо Дроссель-трансформатор, рельсовые цепи

о ьо -0 -0 оо ЧО чо Прочие устройства

1

о

>

о

СО р

ю о

ю

о

'-Л

ц

Х>1

Окончание таблицы 2.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

6 Куйбышевская 10 3 16 41 17 156 62 87 16 47 20 80

7 Красноярская 8 0 16 62 3 45 23 29 3 1 2 14

8 Московская 8 1 33 48 25 233 68 74 17 32 8 131

9 Октябрьская 5 0 22 55 11 133 73 72 27 73 1 22

10 Приволжская 1 0 10 20 5 66 19 19 4 6 5 16

11 Свердловская 12 1 40 40 12 196 39 90 40 182 6 35

12 Северная 1 0 16 29 8 58 35 33 14 17 7 46

13 Северо-Кавказская 0 0 18 94 12 88 49 64 5 40 0 17

14 Южно-Восточная 2 0 27 41 5 72 35 38 9 9 2 8

15 Южно-Уральская 3 0 33 46 10 113 22 47 9 30 16 22

Всего по сети дорог: 81 8 358 978 150 1604 583 840 218 530 86 573

-о 'л

Для оценки влияния факторов скорости и токовой нагрузки был выбран метод главных компонент и метод факторной нагрузки. Построение корреляционной матрицы (таблица 2.2) отказов показало на взаимовлияние числа отказов проводов контактной сети, секционных изоляторов, струн, зажимов. При этом большинство факторов не демонстрируют сильных взаимосвязей, а некоторые взаимосвязи имеют отрицательные значения.

Таблица 2.2 - Корреляционная матрица отказов контактной сети по сети дорог ОАО «РЖД»

Опоры Поперечины всех типов Поддерживающие конструкции Изоляторы Секционные изоляторы Провода, тросы Воздушные стрелки Зажимы, детали Разрядники, разъединители Струны Дроссель-трансформатор, Прочие устройства

Опоры 1,00 0,27 0,13 0,03 0,19 0,20 0,24 0,16 0,25 0,28 0,08 0,20

Поперечины всех типов 0,27 1,00 -0,21 -0,04 0,08 0,13 0,18 0,21 0,02 0,23 0,26 0,12

Поддерживающие конструкции 0,13 -0,21 1,00 0,10 0,23 0,28 0,05 0,23 0,26 0,29 0,03 0,15

Изоляторы 0,03 -0,04 0,10 1,00 0,12 -0,12 -0,05 0,31 0,09 -0,10 -0,15 -0,03

Секционные изоляторы 0,19 0,08 0,23 0,12 1,00 0,41 0,41 0,22 0,31 0,23 0,18 0,33

Провода, тросы 0,20 0,13 0,28 -0,12 0,41 1,00 0,36 0,25 0,30 0,44 0,00 0,12

Воздушные стрелки 0,24 0,18 0,05 -0,05 0,41 0,36 1,00 0,22 0,33 0,23 0,20 0,43

Зажимы, детали 0,16 0,21 0,23 0,31 0,22 0,25 0,22 1,00 0,35 0,48 0,14 0,12

Разрядники, разъединители 0,25 0,02 0,26 0,09 0,31 0,30 0,33 0,35 1,00 0,48 0,15 0,19

Струны 0,28 0,23 0,29 -0,10 0,23 0,44 0,23 0,48 0,48 1,00 0,11 -0,05

Дроссель-трансформатор 0,08 0,26 0,03 -0,15 0,18 0,00 0,20 0,14 0,15 0,11 1,00 0,33

Прочие устройства 0,20 0,12 0,15 -0,03 0,33 0,12 0,43 0,12 0,19 -0,05 0,33 1,00

Сделанное предположение о влиянии факторов скорости и токовой нагрузки подтверждено оценкой факторных нагрузок (таблица 2.3), из которой видно, что повреждения струн, воздушных стрелок, контактных проводов имеют сильную связь с первым фактором, а отказы секционных изоляторов, опорно-поддерживающих устройств - со вторым.

Таблица 2.3 - Анализ главных компонент по двум новым переменным

Факторные нагрузки

Переменные анализа Фактор скорости Фактор тока

Опоры 0,31 0,32

Поперечины всех типов 0,2 0,27

Поддерживающие конструкции 0,43 0,62

Изоляторы 0,03 0,04

Секционные изоляторы 0,55 0,64

Провода, тросы 0,68 0,28

Воздушные стрелки 0,78 0,55

Зажимы, детали 0,62 0,44

Разрядники, разъединители 0,54 0,09

Струны 0,9 0,56

Дроссель-трансформатор, 0,2 0,36

Прочие устройства 0,23 0,42

С ростом скорости возрастает износ, снижается ресурс токосъемных устройств, наблюдаются радиопомехи и свето-шумовое загрязнение окружающей среды.

2.2. Анализ влияния конструктивных и внешних факторов на токосъем

В литературе встречается упоминания о множестве факторов, оказывающих влияние на токосъем, к ним относятся внешние (эксплуатационные, погодные) и внутренние (особенности конструкции, качество материалов и монтажа и т. д.) (рисунок 2.3).

Натурное изучение влияния совокупности всех этих параметров является нетривиальной задачей, в первую очередь из-за сложности постановки эксперимента. Изменение эксплуатационных параметров сопряжено с определенным риском нарушений работоспособности, снижения показателей, возникновения аварийных ситуаций. Сочетания погодных факторов слабопредсказуемы и ожидание их возникновения сопряжено с временными и материальными затратами.

В настоящее время для обнаружения взаимосвязей используется корреляционный многофакторный анализ, метод экспертных оценок и лабораторные эксперименты.

Известны исследования отечественных и зарубежных авторов, посвященные предсказанию и раннему обнаружению повреждений и отказов контактной сети, ее спецчастей, а также нарушений взаимодействия инфраструктуры системы токосъема и токоприемников. Прогнозные модели, связывающие отказы и предшествующие им погодные условия, широко освещены в трудах Chen Y., Fumeo E., Guclu A. и других [244, 253, 259].

В качестве математического аппарата используются регрессионные модели, радиально-базисные нейронные сети, байесовские сети и др.

Для получения количественных и качественных зависимостей между влияющими факторами и показателями токосъема необходимо составить вычислительную сеть на основе теоремы об апостериорных вероятностях Байеса.

Для корректной работы такой сети требуются вероятностные взаимосвязи между факторами, а также массив данных об изменении значений этих факторов во времени.

Классификация параметров, показателей и характеристик контактных подвесок

Механические

Максимальная эластичность контактной подвески

Минимальная эластичность контактной подвески

Коэффициент неравномерности эластичности

Неравномерность эластичности в пролете

Натяжение контактного провода

Натяжение рессорного троса

Натяжение несущего троса

Параметры

Электрические

Тип контактного провода

Тип несущего троса

Тип рессорного троса

Тип струны

Максимальный допустимый длительный ток для подвески

Номинальное напряжение

Типы электрических соединителей

Геометрические

Длина пролета

Длина анкерного участка

Длина рессорного троса

Конструктивная высота

Высота контактного провода от УГР

Зигзаг контактного провода

Стрела провеса контактного провода

Стрела провеса несущего троса

Уклоны контактного провода

Габарит опоры

Параметры окружающей среды

Характеристики

Изменение эластичности

Максимальное нажатие

Изменение стрелы провеса

Приращение натяжения контактного провода по длине анкерного участка

Приращение натяжения несущего троса по длине анкерного участка

Изменение собственной частоты механического колебания

Неравномерность натяжения проводов и тросов контактной подвески

Износ контактного провода

Срок службы

Показатели

Приведенная масса контактной подвески

Скорость распространения поперечной волны

Коэффициент отражения

Коэффициент Доплера

Коэффициент усиления

Сила сухого трения

Коэффициент вязкого трения

Декремент колебаний подвески

-О ЧО

Рисунок 2.3 - Классификация параметров, показателей и характеристик контактных подвесок

Существуют исследования в области применения байесовских сетей для предсказания отказов устройств железнодорожной инфраструктуры [315] и линий электропередачи [318], которые показали перспективность данного метода в диагностике.

В этих моделях в качестве входных параметров используются различные сочетания погодных факторов, статистика отказов, особенности эксплуатации. Результатами работы моделей чаще всего являются прогнозы или вероятности возникновения отказов отдельных элементов или подсистем в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

Известны работы, посвященные применению датчико-диагностических комплексов для определения погодных факторов непосредственно на контактной сети, к ним можно отнести устройства для обнаружения гололеда, измерения температуры окружающей среды, нагрева проводов, порывистого ветра. Эти комплексы используются в системах раннего обнаружения отказов и предотвращения развития повреждений. Использование информации подобных датчико-диагностических комплекса позволит улучшить работу предлагаемой системы и не допустить возникновение отказов за счет оперативного прогнозирования.

Поскольку результаты измерения диагностических параметров являются случайными величинами, а отказы технических объектов являются случайными событиями, байесовская сеть является подходящим типом математической модели для прогнозирования отказов.

Основными причинами выбора байесовских сетей для моделирования отказов являются: возможность простой причинно-следственной интерпретации структуры сети и явное представление влияющих факторов, а также способность работать со случайными событиями. Байесовские сети широко применяются при диагностике отказов и прогнозировании повреждений в технических системах [284].

Байесовская сеть представляет собой графическую вероятностную модель, где каждый узел представляет собой случайную переменную, а связи между узлами показывают зависимости между ними.

Исходными данными для построения предложенной вероятностной модели прогнозирования отказов на основе байесовской сети служит матрица значений переменных, полученная в ходе интерпретации предыдущих наблюдений отказов, изменения параметров и эксплуатационных показателей системы токосъема [29].

Матрица содержит различные типы данных: целые и вещественные числа, именованные значения. Случайные величины в байесовской сети иметь различные виды и законы распределения.

Для формирования входной матрицы модели используется массив исходных данных, включающий результаты диагностики, случаи отказов и стоимость восстановления технического объекта. Часть необходимой информации доступна по запросу из существующих источников данных по отказам и обслуживанию оборудования, другая часть не может быть получена без дополнительных затрат.

После проведения исследования статистики отказов элементов контактной сети с учетом погодных факторов было установлено, что существует взаимосвязь между различными сочетаниями погодных условий и количеством отказов видов элементов контактной сети.

Использовалась база данных об отказах контактной сети КАС АНТ за 5 лет на участке общей протяженностью 3000 км. Участок был разделен на 4 зоны, для каждой из которых метеорологические факторы определялись по данным ближайшей имеющейся метеорологической станции.

Формат метеорологических данных в соответствии с GSOD [257], а также наименования переменных, использованных при построении сети, приведены в таблице 2.4.

При построении байесовской сети из таблицы метеорологических данных с помощью регрессионного анализа были выделены наиболее существенные факторы, влияющие на надежность эксплуатации инфраструктуры контактной сети [190].

Полученная в результате обобщения всех имеющихся данных реляционная таблица (таблица 2.5), использовалась для определения строения сети.

Таблица 2.4 - Формат метеорологических данных

Описание Обозначение GSOD Единица измерения Наименование переменной

1 2 3 4

Номер метеорологической станции STN - -

Дата регистрации наблюдений DATA dd/mm/yy data

Средняя температура TEMP °C temp_mean

Максимальная температура MAX °C temp_max

Минимальная температура MIN °C temp_min

Показатель влажности воздуха (среднее значение температуры точки росы) DEWP °C dewp_mean

Атмосферные осадки PRCP мм rain

Толщина снежного покрова SNDP мм snow

Атмосферная видимость VISIB км visible

Среднее атмосферное давление STP мм рт. ст. pres_mean

Средняя скорость ветра WDSP м/с wind_mean

Максимальная скорость ветра MXSPD м/с wind_max

Максимальная скорость порывов ветра GUST м/с wind_gust

Погодные явления (туман, дождь, снег или ледяной дождь, град, гроза, торнадо) FRSHTT - frshtt

Таблица 2.5 - Структура реляционной таблицы исходных данных

Название поля Источник Тип данных Размер поля, количество знаков

1 2 3 4

Номер метеорологической станции Из метеорологической базы данных 080Б Натуральное число 3

Дата регистрации наблюдений Дата 6

Средняя температура Целое число 3

Максимальная температура 3

Минимальная температура 3

Среднее значение температуры точки росы 3

Влажность 2

Атмосферные осадки Натуральное число 3

Толщина снежного покрова 3

Атмосферная видимость 5

Среднее атмосферное давление 3

Средняя скорость ветра 3

Максимальная скорость ветра 3

Максимальная скорость порывов ветра 3

Погодные явления (туман, дождь, снег или ледяной дождь, град, гроза, торнадо) Именованное значение 20

Направление ветра 5

Отказ контактные провода Из базы данных КАС АНТ Натуральное число 1

Отказ несущие тросы 1

Отказ струны контактной подвески 1

Отказ изолятора 1

Отказ арматуры контактной сети 1

Отказ секционирующие устройства 1

Отказ опорно-поддерживающие устройства 1

Отказ воздушные стрелки 1

Для составления модели прогнозирования отказов записи в базе данных об отказах были условно сгруппированы по названиям элементов, вышедших из строя: изоляторы, компенсаторы, консоли и фиксаторы, воздушные стрелки, струны, тросы, контактные провода, детали контактной сети, опоры.

Сопоставление погодных факторов с отказами выполнялось по времени и координатам на местности.

Для оценки статистической значимости каждой возможной связи между факторами предлагается использовать вероятностный подход, основанный на применении динамической сети Байеса [249].

Предлагаемый алгоритм состоит из следующих шагов:

1. Разработка базы данных об отказах узлов контактной сети и сопутствующих внешних факторах.

2. Наполнение базы данных информацией.

3. Расчет априорных вероятностей отказов узлов контактной сети на основе имеющихся данных.

4. Разработка множества возможных вариантов структуры ациклического направленного графа, узлами которого являются совокупности скрытых и известных переменных.

5. Выбор наилучшего варианта ациклического направленного графа по методу восхождения к вершине с помощью оценочной функции логарифмического подобия Байеса-Дирихле.

6. Вычисление локальных распределений вероятностей на основе полученной структуры.

7. Подготовка матрицы условных вероятностей отказов узлов контактной сети.

8. Проверка обновлений базы данных об отказах.

9. При наличии новых данных алгоритм выполняется повторно с п.3

Графическая структура разработанной Байесовской сети представляет собой

ациклический направленный граф О = (V, А), где V - множество вершин графа и А - множество ребер. Граф определяет факторизацию совместного распределения вероятностей V = {Хь Х2, ..., X} событий, учтенных моделью. Форма факторизации определялась в соответствии с Марковским свойством байесовской сети, которое

утверждает, что случайная переменная X зависит только от своих прямых родительских переменных Пх.:

Первым шагом созданного алгоритма является определение структуры ациклического графа. Определение наилучшей структуры графа происходит в соответствии с оценочным методом, при котором каждому случайному варианту структуры сети присваивается определенная оценка, после чего выполняется

__и и т-\

эвристическая оптимизация с целью получения структуры с максимальной оценкой. В качестве оценочной функции для структуры сети применялись различные критерии, (логарифмическая функция подобия, информационные критерии Акаике и Байеса, логарифм эквивалентной оценки Байеса-Дирихле) [249]. Наилучшие результаты были получены с помощью логарифмической функции подобия Ь, которая и была избрана в качестве основной:

где: N ук - количество случаев в таблице исходных данных Т, в которых переменная X принимает свое к-е значение хк , а переменные ПХ; принимают свою у конфигурацию

N у - количество случаев в таблице исходных данных Т, в которых переменная XI принимает свое к-е значение хгк;

и и тт

Г - количество возможных состояний переменной X;

д1 - количество возможных конфигураций родительских переменных Пх. для переменной X.

Данная оценочная функция стремится к максимуму при полностью связанной сети, что негативно влияет на отображение связей для возможных независимых переменных, поэтому для случаев с большим количеством связей в структуре сети применялась оценочная функция Байеса-Дирихле:

(2.1)

(2.2)

Шт) =

|11(р(с)) + Щ111 ^^гу;)+21111 (Л,«*!))

(2.3)

Для преодоления задержек в областях локальных максимумов оценочных функций используется алгоритм минимаксного восхождения (max-min climbing) [298]

При добавлении новых исходных данных структура сети может измениться, поэтому алгоритм предусматривает обновление структуры при каждом изменении таблицы Т.

На втором шаге алгоритма выполняется вычисление локальных распределений вероятностей на основе полученной структуры, формируются таблицы апостериорных вероятностей.

В рамках исследования создана вероятностная модель прогнозирования отказов элементов инфраструктуры системы токосъема на основе байесовской сети для ЗападноСибирской железной дороги.

На рисунке 2.4 приведена структура ациклического направленного графа, автоматически сгенерированная при помощи разработанного алгоритма и программного обеспечения на основе данных об отказах контактной сети Западно-Сибирской железной дороги за период 2016 гг.

Получившаяся сеть состоит из узлов, обозначающих дискретные переменные и связей между ними, показывающих влияние узлов друг на друга. Для независимых переменных определена вероятность каждого из возможных исходов, сумма вероятностей которых равна единице. Для зависимых переменных составляется таблица вероятностей возможных исходов при условии наступления тех или иных исходов влияющих переменных. На примере матрицы условных вероятностей для факторов отказа подвесных изоляторов таблицы 2.6 можно проиллюстрировать сущность прогноза. Матрица позволяет оценить вероятность отказа хотя бы одного изолятора на моделируемом участке в течение суток при различных сочетаниях грозовой активности и максимальной суточной температуры.

Рисунок 2.4 - Структура ациклического направленного графа, сгенерированная для прогнозирования отказов контактной сети

Таблица 2.6 - Матрица условных вероятностей отказа изоляторов

Влияющие факторы Вероятность

Грозовые явления Максимальная температура Нет отказа Отказ

Отсутствуют < -20 0,991 0,009

Отсутствуют от -20 до 10 0,980 0,020

Отсутствуют от 10 до 40 0,944 0,056

Единичные разряды < -20 0,949 0,051

Единичные разряды от -20 до 10 0,998 0,002

Единичные разряды от 10 до 40 0,909 0,091

Повторяющиеся разряды < -20 0,983 0,017

Повторяющиеся разряды от -20 до 10 0,992 0,008

Повторяющиеся разряды от 10 до 40 0,969 0,031

В результате моделирования генерируются матрицы условных вероятностей для всех узлов, входящих в модель. Выбор влияющих факторов осуществляется в автоматическом режиме (по ранжиру), либо вручную.

Из таблицы 2.6 видно, что наибольшая вероятность отказа (0,091) наблюдается при совпадении признаков средней грозовой активности (единичные разряды) и высокой температуры, а при снижении температуры до среднего значения вероятность отказов снижается.

Разработанное программное обеспечение позволяет генерировать структуру сети и таблицы условных вероятностей для различных факторов по таблице статистических наблюдений (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Результат расчета условных вероятностей отказов инфраструктуры системы токосъема на участке Западно-Сибирской железной дороги за 2016 г.

Нужно отметить влияние температуры окружающей среды на вероятность отказов секционирующих устройств (таблица 2.7), совместное влияние температуры и ветра на вероятность отказов арматуры контактной сети (таблица 2.8) и ряда других.

Таблица 2.7 - Вероятность отказов секционирующих устройств

Влияющий фактор Вероятность

Средняя температура Нет отказа Отказ

-38,0--15,7 0,999 0,001

-15,7-6,7 0,998 0,002

6,7-29,0 0,993 0,007

Таблица 2.8 - Вероятность отказов арматуры контактной сети

Влияющие факторы Вероятность

Средняя температура Средняя скорость ветра Нет отказа Отказ

-38,0- -15,7 0,0-3,0 0,986 0,014

-38,0- -15,7 3,0-6,0 1 0

-38,0- -15,7 6,0-МАХ 1 0

-15,7-6,7 0,0-3,0 0,995 0,005

-15,7-6,7 3,0-6,0 0,991 0,009

-15,7-6,7 6,0- МАХ 1 0

6,7-29,0 0,0-3,0 0,974 0,026

6,7-29,0 3,0-6,0 0,996 0,004

6,7-29,0 6,0- МАХ 1 0

Кроме прямых зависимостей между переменными байесовская сеть позволяет получать таблицы условных вероятностей между любыми узлами, при этом таблица условных вероятностей дополняется атрибутами, влияние которых исследуется.

Предлагаемая методика позволяет проводить прогнозирование отказов на заранее подготовленной сети. Введя искусственные значения влияющих переменных в модель можно получить условную вероятность отказа или безотказности при сочетании указанных факторов.

Модель позволяет, опираясь на прогноз погоды, определить наиболее подверженные отказам узлы и подсистемы контактной подвески, а также рассчитать вероятность безотказной работы всей системы, принять решение о необходимости усиления готовности обслуживающего персонала, о необходимости снижения нагрузки, введения ограничения скорости на участке и т. д., для предотвращения возможных отказов.

Большая протяженность железнодорожных линий и локальные особенности местности приводят к резким неоднородностям погодных факторов вдоль линии, которые невозможно учесть имеющимися метеорологическими станциями, расположенными вблизи железной дороги [218]. Для учета этого обстоятельства необходимо размещать сеть метеорологических регистраторов вдоль железнодорожных линий с обоснованным интервалом, а также в местах возможного изменения сочетания погодных факторов. Применение таких комплексов позволит не только оперативно

детектировать наличие неблагоприятных погодных условий, но и накапливать массив метеорологических данных для создания предсказательных моделей.

Необходимо отметить, что для эффективной работы предлагаемой системы, ключевое значение имеют алгоритмы получения, обработки и интерпретации информации, а также программное обеспечение, позволяющее эффективно решать задачи прогнозирования отказов и подготовки оперативных решений и управляющих воздействий, касающихся подсистемы электроснабжения железных дорог [72].

Для обоснования выбора критериев, с помощь которых можно оценивать качество взаимодействия токоприемников и контактных подвесок, используется метод стандартизированной ранговой оценки, что позволяет использовать как количественные, так и качественные показатели, характеризующие критерий. Стандартизация оценок выполнена по возрастанию выраженности показателей. Длины шкал оценок соответствуют количеству рассматриваемых критериев.

Анализ особенностей токосъема при высокоскоростном и тяжеловесном движении, проведенный по результатам накопленного опыта экспериментальных исследований, позволил предложить классификацию критериев оценки взаимодействия контактных подвесок и токоприемников по признакам, связанным с получением исходных данных для расчета того или иного критерия (таблица 2.9). Стоимостные показатели базировались на затратах, понесенных при разработке оборудования и выполнении измерений. Временные затраты базируются на продолжительности этапов программ испытаний, включающих те или иные методы. Степень интеграции измерительного оборудования и объектов наблюдения оценивалась по методу экспертных оценок. Ранги по каждому из признаков присваивались в соответствии с возрастанием выраженности показателя, субъективно характеризующего техническое совершенство или снижение затрат.

При совпадении рангов по некоторым признакам проводилась процедура стандартизации рангов.

Рассчитанный в соответствии с методом экспертных оценок коэффициент согласия

(-<0,4) показал на значительные расхождения рангов между информационными и

^тах

стоимостными критериями, что можно интерпретировать как сигнал о необходимости разработки новых более эффективных методов, технологий и методик получения данных для расчета критериев, обладающих высокой информативностью.

Таблица 2.9 - Ранговые оценки критериев токосъема по признакам, связанным с получением исходных данных для их

определения

Наименование критерия Относительная стоимость диагностического оборудования Стоимость диагностической процедуры Автоматизация получения информации Массога-баритные показатели оборудования Временные затраты на получение информации Энергозатратность Требования по внесению изменений в конструкцию ЭПС Требования по внесению изменений в конструкцию инфраструктуры Сумма стандартизирован- ных рангов

Коэффициент отрывов 5 5 1 6 2 6 5 5 35

Размах колебаний

полоза токоприемника 4 7 7 4 1 4 4 5 36

износ токосъемных

вставок токоприемника 2 8 10 1 9 1 1 5 37

Коэффициент искрения 6 6 2 5 3 5 6 5 38

Износ контактных проводов 1 10 9 2 10 2 2 5 41

Отжатие проводов под фиксаторами 3 9 8 3 8 3 3 10 47

Минимальное контактное нажатие 8 2 4 8,5 5 8 8,5 5 49

Максимальное контактное нажатие 8 2 4 8,5 5 8 8,5 5 49