На правах рукописи
Совершенствование устройств токосъема
монорельсовых транспортных систем
Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
СИДОРОВ Олег Алексеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
;
кандидат технических наук, доцент
.
Ведущая организация:
ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)».
Защита диссертации состоится 18 июня 2010 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государст-венный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)») г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 17 мая 2010 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета
Д 218.007.01.
Тел./; e-mail: *****@***ru
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук,
профессор .
________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2010
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Интенсивное сооружение монорельсовых дорог в мегаполисах развитых стран обусловлено значительным увеличением автотранспорта в черте городов, необходимостью разгрузки существующих и создания альтернативных надежных и экологичных транспортных систем.
Работы по созданию монорельсовых транспортных систем в России начались с 1975 г. Первая пассажирская линия открылась в Москве в 2003 г. для эксплуатации между станциями метро «Ботанический сад» и «Тимирязевская».
Устройства токосъема Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС) имеют ряд существенных недостатков, которые ограничивают скорость движения до 60 км/ч и заключаются в использовании контактных пар с плоскими рабочими поверхностями.
Планируемый рост скорости движения на существующей линии, а также имеющиеся в настоящее время планы строительства новых линий монорельсовых дорог требуют разработки новых и совершенствования существующих устройств токосъема, которые должны обеспечивать надежную и экономичную передачу электроэнергии.
В 2004 г. разработан проект монорельсовой транспортной системы
со скоростью движения до 150 км/ч. Увеличение скорости движения более 120 км/ч требует применения токоприемников с устройствами авторегули-рования и улучшенными динамическими характеристиками. К таким устройствам можно отнести токоприемники, оборудованные резинокордными элементами (РКЭ).
Эксплуатационный диапазон температур для российских условий составляет от + 40 до – 50 оС. Накопленный опыт эксплуатации РКЭ свидетельствует о негативном влиянии низкой температуры окружающей среды на их свойства: происходит снижение статического нажатия, повышение жесткости и коэффициента демпфирования, увеличение времени подъема и опускания токоприемника, что является причинами возникновения аварийных ситуаций и требует принятия мер по устранению отказа устройств токосъема с РКЭ.
Цель диссертационной работы – повышение качества токосъема на монорельсовых транспортных системах за счет применения усовершенствованных контактных пар с рациональной формой рабочих поверхностей и обеспечение работоспособности токоприемников при низких температурах окружающей среды.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи.
1. Выполнить анализ недостатков устройств токосъема монорельсового транспорта городского и пригородного сообщения и предложить усовершенствованные конструкции токоприемников и токопроводов.
2. Разработать методы расчета взаимодействия токоприемников с жесткими токопроводами охватывающего типа.
3. Создать метод экспериментальных исследований взаимодействия
токоприемников с жесткими токопроводами охватывающего типа.
4. Усовершенствовать метод расчета характеристик токоприемников
монорельсового транспорта с учетом влияния низкой температуры окружающей среды.
5. Предложить метод экспериментальных лабораторных исследований токоприемников монорельсового транспорта с учетом влияния низких температур окружающей среды.
6. Выполнить оценку экономической эффективности усовершенствованных конструкций устройств токосъема.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе методов системного подхода, корреляционного анализа, математического моделирования на ПЭВМ с использованием универсальной математической программы MathСAD, программы проектирования и расчета механических конструкций методом конечных элементов SolidWorks.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан метод расчета взаимодействия токоприемников с жесткими токопроводами охватывающего типа.
2. Создан метод экспериментальных исследований взаимодействия токоприемников с жесткими токопроводами охватывающего типа.
3. Усовершенствован метод расчета характеристик токоприемников
монорельсового транспорта с учетом влияния низкой температуры окружающей среды.
4. Предложен метод экспериментальных лабораторных исследований
токоприемников монорельсового транспорта с учетом влияния низкой температуры окружающей среды.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами лабораторных экспериментов. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными составляет не более 8 %.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем.
1. Разработанный метод расчета взаимодействия токоприемника с охватывающим токопроводом позволяет получить кривую контактного нажатия для заданного участка трассы, выбрать параметры контактных пар для снижения их износа.
2. Предлагаемая система токосъема С-образной формы позволяет повысить скорость движения электроподвижного состава ММТС до 105 км/ч (при длине пролета токопровода 2 м) и увеличить срок службы контактных элементов в 2,6 раза.
3. Усовершенствованный метод расчета взаимодействия токоприемника с токопроводом позволяет оценить работоспособность токоприемника и выбрать схемные решения для обеспечения его надежной работы при температуре до минус 50°С.
4. Предлагаемый метод лабораторных экспериментальных исследований токоприемников позволяет оценить интенсивность и характер влияния низкой температуры на работу токоприемников в лабораторных условиях с учетом
основных видов воздействий, характерных для эксплуатационных режимов, и на основе этого выполнить анализ качества токосъема.
5. Разработанные устройства подогрева РКЭ токоприемников позволяют обеспечить требуемое качество токосъема во всем эксплуатационном диапазоне температур от – 50 до + 40°С.
Реализация результатов работы. Методика определения статических и динамических характеристик токоприемников, оснащенных резинокордным подъемно-опускающим механизмом, в условиях эксплуатационного диапазона температур внедрена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта при проведении испытаний токоприемников магистрального электроподвижного состава на Октябрьской железной дороге.
Линейный стенд для исследования взаимодействия токоприемников с контактной подвеской, оснащенный С-образным токопроводом, внедрен в лаборатории «Контактные сети, линии электропередачи и устройства токосъема» ОмГУПСа и используется в научных и учебных целях.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научной конференции «Mobility-Sustainability-Safety» (Дрезден, 2005), 12-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 ), IV международной научной конференции «Trans-Mech-Art-Chem» (Москва, 2006), XIV международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2008), IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» (Москва, 2008), 15-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2009), всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009), на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа в 2006 – 2009 гг.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 16 научных работах, которые включают в себя шесть статей, две из которых опубликованы в изданиях перечня ВАКа, шесть патентов на полезные модели и четыре тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, библиографического списка из 115 наименований и одного приложения. Общий объем диссертации – 142 страницы, в том числе 92 рисунка и пять таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассматривается состояние проблемы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследований и намечаются пути их
решения.
В первом разделе описаны системы токосъема основных монорельсовых транспортных систем, выявлены недостатки устройств токосъема ММТС, устранение которых возможно за счет применения контактной пары рациональной формы, оснащения токоприемников пружинами вторичного подрессоривания и смещения точки крепления токопроводящего кабеля. Описаны преимущества токоприемника СпР-432 перед ТМС (пат. № 000) для пригородной монорельсовой трассы при условии устранения влияния на РКЭ низкой температуры.
Во втором разделе предложена система токосъема С-образной формы (рис. 1,б), которая отличается от эксплуатирующейся (рис. 1,а) геометрией контактных поверхностей (пат. № 000).
а б Рис. 1. Системы токосъема монорельсового транспорта: а – ММТС; б – предлагаемая
Рис. 2. Расчетная схема а – вид сверху; б – сбоку | Жесткий токопровод 1 имеет рабочую поверхность поперечного сечения в форме окружности, с которой взаимодействует контактный элемент 2. Поперечное сечение рабочей поверхности контактного элемента представляет собой дугу меньшего радиуса r по сравнению с внутренней поверхностью токопровода R. Усовершенствованный метод расчета предлагаемого токоприемника основан на решении уравнений Лагранжа второго рода с учетом геометрии контактных поверхнос-тей для расчетной схемы, представленной на рис. 2:
где Т – кинетическая энергия механической системы; П – потенциальная энергия; Qi – i-я |
(1)обобщенная сила по обобщенной координате; H – перемещение контактного элемента по вертикали; α – вертикальный, β – горизонтальный углы поворота рычагов и других элементов токоприемника.
Разработкой математических моделей взаимодействия токоприемников с контактными подвесками занимались известные специалисты в области токосъема Р. Ниблер, А. В. Плакс, С. Фуджии, Н. Шибата, И. Кумезава, ,
Л. Паскуччи, К. Г. Марквардт, А. В. Фрайфельд, И. И. Власов, В. П. Михеев,
Г. П. Маслов, В. А. Нехаев, О. А. Сидоров, В. А. Вологин, А. К. Кузнецов, И. А. Беляев, А. В. Ефимов, А. Г. Галкин, В. М. Павлов, Саля И. Л. и др.
Большинство известных моделей взаимо-действия токоприемников с контактными подвесками разработано с учетом вертикального перемещения подвижных масс токоприемника, боковые перемещения токоприемника и его основания и горизонтальное отклонение токопровода не рассматривались. Указанные перемещения характерны для кинематических схем токоприемников монорельсового транспорта. На рис. 3 приведены схемы к определению сил, учитываемых в расчетах: трения скольжения Fт. с:
и контактного нажатия Pкт –
разложенных на горизонтальные (с индексом Y), вертикальные H и продольные X составляющие |
Рис. 3. Схема для определения обобщенных сил: а – фронтальный вид; б – сверху |
, (2)
(3)
, (4)
и приведенных к обобщенным координатам через геометрические соотношения определяемых углов поворота и перемещений.
Функция провисания токопровода f в расчетах принималась синусоидальной; ее соответствие реальной форме провисания определено при выполне-
нии механического расчета токопровода (методом сил), а также конечно-элементной модели С-образной балки в программе Solid Works. Горизонтальные отклонения токопровода s приняты синусоидальными. Перемещения контактного элемента определялись по уравнению окружности с координатами геометрического центра токопровода Hс; Yс (рис. 4): |
Рис. 4. Схема для определения |
(5)
Итоговая система уравнений Лагранжа имеет вид:
| (6) |
где ai – приведенные коэффициенты инерции, включающие в себя соотношения масс mi и размеров li элементов i-х элементов токоприемника: 1 – верхняя и 2 – нижняя штанги, 3 – каретка, 4 – токопроводящий кабель, 5 и 6 – нажимная и вторичного подрессоривания пружины, 7 – контактный элемент; Pi – вес i-х элементов; ci – Mwα и Mwβ – приведенные моменты сухого трения в шарнирах токоприемника; WH – сухое трение в каретке; Di – исходная длина i-й пружины; η и μ – коэффициенты трения скольжения поперек и вдоль токопровода соответственно; sign – функция направления приложения силы (момента) против направленного движения.
Результатом решения системы уравнений (6) являются графики контактного нажатия, его горизонтальных и вертикальных составляющих и перемещения масс токоприемника.
Огибающая максимальных и минимальных контактных нажатий не отображает точки приложения силы в контакте. Для прогнозирования износа
контактных пар предлагается проводить оценку времени расположения
контактного элемента относительно токопровода по диаграмме плотности распределения отклонений (рис. 5,а), а степень воздействия оценивать по диаграмме средних контактных нажатий (рис. 5,б).
 
Рис. 5. Диаграмма плотности |
Рис. 6. Диаграмма распределения |
Установлено, что при наличии горизонтальных колебаний со стороны основания токоприемника причинами наибольшего перемещения контактного элемента и разброса нажатия являются боковые отклонения токопровода.
В третьем разделе приведены |
Рис. 7. Общий вид линейного стенда |
контактный элемент – стальной токопровод». Срок службы одного элемента составляет 65 дней.
Динамические характеристики макетного образца получены на колебательном стенде. Установлено, что токоприемник обеспечивает надежный токосъем при скоростях до 105 км/ч (при длине пролета 2 м). Расхождение экспериментальных и расчетных кривых контактного нажатия не превышает 7 %.
В четвертом разделе решаются проблемы влияния на устройства токосъема низкой температуры. Предложен усовершенствованный метод расчета динамических характеристик штанговых токоприемников, оснащенных РКЭ, на основе уравнений Лагранжа второго рода с учетом влияния низкой температуры.
Рис. 8. Расчетная схема токоприемника | Для расчетной схемы на рис. 8 приняты обозначения: х – вертикальное смещение контактного элемента, принято х=xmsin(ωt); φ – угол поворота штанги; сi, fстi – жесткость и предварительное сжатие эквивалентных i-х пружин; w – сухое трение; α – коэффициент вязкого трения РКЭ; mi, Ji – масса и момент инерции соответствующего i-го элемента. |
Уравнение контактного нажатия для частоты внешнего воздействия ω стрелы провеса xm определено методом вариации произвольных постоянных:
| (7) |
Анализ результатов расчета контактного нажатия (рис. 9) свидетельствует о его значительном изменении, нарушении работы токоприемника и снижении качества токосъема в зависимости от температуры. Установлено, что для обеспечения работоспособности токоприемника, надежного и качественного токосъема необходимо использовать искусственный подогрев резинокордной оболочки. |
Рис. 9. Зависимость |
В пятом разделе представлена усовершенствованная методика экспериментального исследования токоприемников, позволяющая в лабораторных условиях оценить интенсивность и характер влияния на работу токоприемников низкой температуры (до минус 70 оС). Внешний вид экспериментального комплекса показан на рис. 10 (пат. № 000, 89033). В качестве объекта испытания использован штанговый токоприемник СпВ-1, оснащенный РКЭ марки И-09.
Определены время опускания токоприемника, его статические и динамические характеристики. Установлено, что температура ниже минус 25 оС является фактором, препятствующим своевременному опусканию токоприемника и создающим аварийные ситуации. Определен характер повышения жесткости резинокордного элемента, сухого трения (рис. 11) и коэффициента вязкого трения. Результаты испытаний свидетельствуют о негативном влиянии на работу токоприемников низкой тем- |
Рис. 10. Внешний вид стенда |
пературы, что подтверждается полученными динамическими характеристиками контактного нажатия.
Анализ расчетных и экспериментальных данных показывает, что их расхож-дение не превышает 8 %.
а |
б |
Рис. 11. Зависимость параметров токоприемника от температуры:
а – жесткость РКЭ; б – сухое трение
Предложены конструкции токоприемников с устройством подогрева РКЭ (пат. № 000, 87966) и проведены испытания их макетных образцов.
Рис. 12. Схема токоприемника | Токоприемник с устройством автономного подогрева (рис. 12) содержит штангу 1, закрепленную на основании, контактный элемент 2, нажимной пневматический резинокордный элемент 3, гибкий термоизолирующий кожух 4, регулятор давления воздуха 5 и воздушный ресивер 6. Воздушный тепловентилятор 7 по замкнутому контуру обогрева через внешнюю полость 8 РКЭ прогоняет теплый воздух. Включение-отключение тепловентилятора производится блоком управления 9, вход которого связан с выходом датчика температуры 10. |
В шестом разделе выполнена оценка экономической эффективности
внедрения системы токосъема С-образной формы. Ожидаемый годовой экономический эффект в расчете на один состав из шести вагонов составляет
54,74 тыс. р., на один токоприемник – 6,84 тыс. р.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Выполнен анализ устройств токосъема монорельсового транспорта,
который показал, что традиционные токопроводы охватывающего типа,
взаимодействующие с ножевым контактным элементом, не обеспечивают
надежного и экономичного токосъема при скорости движения подвижного
состава свыше 60 км/ч; предложено схемное решение системы токосъема
с С-образной рабочей поверхностью.
2. Разработан усовершенствованный метод расчета взаимодействия токоприемника с жестким токопроводом с учетом геометрических особенностей рабочих поверхностей контактных пар, горизонтальных и вертикальных перемещений основания и боковых отклонений токопровода, характерных для реальных условий эксплуатации на действующей трассе ММТС.
3. Создан линейный стенд для исследования взаимодействия токоприемников монорельсового транспорта с жесткими токопроводами, который содержит макетный образец модернизированного токоприемника, установленного на телеуправляемой тележке, и шесть пролетов троллея С-образной формы.
4. Усовершенствован метод расчета характеристик токоприемников монорельсового транспорта, оснащенных РКЭ, с учетом влияния низкой температуры окружающей среды.
5. Предложен метод экспериментальных исследований токоприемников монорельсового транспорта с учетом влияния низкой температуры окружающей среды.
6. Разработана система токосъема С-образной формы, обеспечивающая надежный токосъем при скоростях движения подвижного состава до 105 км/ч и продлевающая срок службы токосъемных элементов в 2,6 раза за счет равномерного распределения нажатия по контактной пластине; разработаны токоприемники с устройствами подогрева РКЭ, позволяющие обеспечить требуемое качество токосъема во всем эксплуатационном диапазоне температур от – 50 до + 40°С.
7. По результатам экономических расчетов установлено, что срок окупаемости капиталовложений на модернизацию системы токосъема монорельсовой дороги составляет один год. Индекс рентабельности инвестиций для данного проекта равен 14,97; так как его значение больше единицы, то инвестиционный проект считается экономически эффективным.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Исследования контактных пар устройств токосъема монорельсового транспорта / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков, В. В. Томилов и др. //
Известия Самарского науч. центра РАН. / Самарская гос. акад. путей сообщения. Самара, 2007. С. 230 – 233.
2. Томилов В. В. Повышение надежности работы токоприемников с пневматическими резинокордными элементами в условиях низких температур / В. В. Томилов, А. Е. Аркашев // Транспорт Урала / Уральский гос. ун-т путей сообщения. Екатеринбург, 2009. № 4. С. 101 – 103.
3. Tomilov V. Moscow monorail road / Mobility-Sustainability-Safety // Transport science meeting with eastern European and Russian students / TUD. Dresden, 2005. С. 25.
4. Компьютерные технологии при проектировании токоприемника ТМС / О. А. Сидоров, А. В. Тарасенко, В. В. Томилов и др. // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах:
Материалы VII междунар. науч-практ. конф. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2006. Ч. 1. С. 46 – 48.
5. Исследование взаимодействия трехмерной модели токоприемника
с контактной подвеской при помощи пакетов прикладных программ / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, В. В. Томилов и др. // Моделирование. Теория методы и средства: Материалы VIII междунар. науч-практ. конф. /
Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2007. Ч. 2. С. 49 – 51.
6. Сидоров О. А. Моделирование взаимодействия токоприемника с жестким токопроводом монорельсовой транспортной системы / О. А. Сидоров, В. В. Томилов // Труды всерос. науч. конф. «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» / Дальневосточный гос. ун-т.
путей сообщения. Хабаровск, 2008. Т. 6. С. 256 – 260.
7. Сидоров О. А. Расчет динамики взаимодействия токоприемника и жесткого токопровода при низких температурах / О. А. Сидоров, В. В. Томилов // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт-2009» / Ростовский гос. ун-т. путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. Ч. 3. С. 284, 285.
8. Сидоров О. А. Лабораторные испытания токоприемников в условиях экстремально низких температур / О. А. Сидоров, В. В. Томилов, А. А. Журавлев // 15-я междунар. науч.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» / МЭИ. М., 2009. Т. 2. С. 185, 186.
9. Сидоров О. А. Совершенствование систем токосъема московской монорельсовой транспортной системы / О. А. Сидоров, И. Л. Саля, В. В. Томилов // Вісник Дніпропетровського нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна / Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. Днепропетровск, 2010. Вып. 31. С. 88 – 92.
10. Сидоров О. А. Разработка и исследование устройств токосъема московской монорельсовой дороги / О. А. Сидоров, В. В. Томилов, А. Н. Кутькин // Труды IV междунар. науч. конф. «Trans-Mech-Art-Chem» / МИИТ. М., 2006. С. 144, 145.
11. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/08. Токоприемник транспортного средства / О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, И. Е. Черт-ков, А. В. Тарасенко, В. В. Томилов. (Россия) № /22; Заявлено 11.05.2006; Опубл. 10.05.2006 // Открытия. Изобретения. 2006. № 31.
12. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/00. Устройство для исследования токоприемника электрического транспорта / О. А. Сидоров, В. В. Томилов. (Россия) № /22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 27.11.2009 // Открытия. Изобретения. 2008. № 33.
13. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/00. Сис-
тема токосъема электрического транспорта / О. А. Сидоров, В. В. Томилов. (Россия) № /22; Заявлено 08.07.2008; Опубл. 27.11.2008 // Открытия. Изобретения. 2008. № 33.// Бюл. № 33.
14. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/00, В 60 L 5/02. Токоприемник транспортного средства / О. А. Сидоров, В. В. Томилов, А. Е. Аркашев, А. А. Журавлев. (Россия) № /22; Заявлено 15.12.2008; Опубл. 27.16.2009 // Открытия. Изобретения. 2009. № 18.
15. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/00, В 60 L 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта / О. А. Сидоров, В. В. Томилов. (Россия) № /22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 20.11.2009 // Открытия. Изобретения. 2009. № 32.
16. Пат. РФ на полезную модель № 000, МПК В 60 L 5/00, В 60 L 5/08. Токоприемник транспортного средства / О. А. Сидоров, В. В. Томилов.
(Россия) № /22; Заявлено 14.07.2009; Опубл. 27.10.2009 // Открытия. Изобретения. 2009. № 30.
___________________________________________________
Типография ОмГУПСа. 2010. Тираж 120 экз. Заказ.
г. Омск, пр. Маркса, 35
