В настоящее время в России ведутся работы по созданию новых типов магистрального электроподвижного состава (ЭПС), рассчитанных на высокие скорости движения и повышенные токовые нагрузки.
Так, в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года [1] планируется организация высокоскоростных железнодорожных линий, на которых будет реализовано движение со скоростями до 350 км/ч: Санкт-Петербург – Москва; Санкт-Петербург – Хельсинки; Москва – Адлер; Москва – Нижний Новгород; Москва – Смоленск – Красное.
Передача электроэнергии ЭПС осуществляется через скользящий контакт, вследствие чего элементы контактной пары функционируют в условиях повышенного электромеханического износа [2]. В свете этой проблемы согласно «Стратегии инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» [3] одними из основных направлений научно-технической политики являются повышение надежности, экономичности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств. Снижение износа и повышение ресурса элементов устройств токосъема может быть обеспечено различными способами, в том числе путем выбора таких материалов контактной пары, которые наиболее полно отвечают требованиям качества токосъема.
Целью исследования является оперативное прогнозирование износа контактных элементов с целью увеличения ресурса контактных пар устройств токосъема.
Материалы и методы исследования
В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС) разработана методика [4] прогнозирования ресурса контактных пар устройств токосъема, основанная на использовании результатов экспериментальных исследований. Исследования выполняются на специализированной установке возвратно-поступательного типа (рис. 1), позволяющей моделировать процесс взаимодействия элементов контактных пар в условиях, максимально приближенных к режиму эксплуатации устройств токосъема электроподвижного состава.
Рис. 1. Специализированная установка возвратно-поступательного типа
Установка имеет модульную конструкцию и в зависимости от целей исследования может быть оснащена следующими модулями: модулем для исследования силы трения в скользящем контакте, модулем для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон контактного провода, модулем для исследования износа при высоких или низких температурах и др.
Механическая часть установки включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 4. На каретке закреплен токоприемник с контактным элементом (контактной вставкой) 3, взаимодействующий с отрезком контактного провода 1, закрепленным на изолировочной пластине 2. Возвратно-поступательное перемещение каретки 4 осуществляется с помощью привода вращения, связанного с кареткой тягой 7. Конструктивное исполнение тяги включает блок 8 для подключения перечисленных выше модулей.
Помимо возвратно-поступательного установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении [5], т.е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 6, который устанавливается на тяге. При движении ролика 5 по поверхности копира контактный провод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют. Для имитации реального процесса взаимодействия трибосистемы «токоприемник – контактный провод» в соответствии с положениями теории моделирования были выбраны параметры жесткости контактного провода.
Методика экспериментальных исследований реализуется по следующим направлениям:
– оценка работоспособности трибосистемы «контактный элемент – контактный провод» при различных сочетаниях материалов и режимов испытания, соответствующих натурному узлу;
– оценка износостойкости элементов контактных пар для заданных параметров процесса эксплуатации;
– прогнозирование фрикционно-износных характеристик узла трения;
– анализ чувствительности, т.е. точное определение такого сочетания внешних факторов и их значений, при котором обеспечиваются наилучшие выходные характеристики всей трибосистемы; выявление функциональных соотношений между внешними факторами и откликом системы.
Для сокращения объема исследований может быть использован комбинированный способ – совокупность необходимого минимума экспериментов с реальными объектами (или их аналогами) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема.
Моделирование процесса трения в контактных парах устройств токосъема связано с необходимостью решения многофакторной задачи, снизить количественный уровень которой позволяет теория подобия. Ввиду неоднородности составляющих процесса электромеханического износа контактных пар устройства токосъема магистрального электроподвижного состава были составлены соответствующие модели для электрического и механического видов изнашивания.
Для моделирования механического изнашивания в соответствии с положениями теории подобия и работами А.В. Чичинадзе, В.В. Кончица, Э.Д. Брауна, Н.К. Мышкина, H. Biesenack было получено уравнение [6]:
(1)
где Р – нажатие в контакте; ν – скорость скольжения; t – время испытаний; r – характерный линейный размер; Cu – содержание меди в КЭ; Н1/Н2 – безразмерный симплекс (отношение твёрдости материала контактного элемента к твёрдости материала контактного провода); λ1, λ2 – теплопроводности материалов контактного элемента (КЭ) и контактного провода (КП) соответственно; с1, с2 – удельные теплоёмкости КЭ и КП соответственно; а0 – функционал, отражающий влияние на процесс неучтённых факторов; αm – функционал, логарифмически зависящий от нажатия в контакте; βm, γm, εm – коэффициенты, определяемые экспериментально; Ptc2/(r2λ1) – комплекс; νt/r – комплекс; 
– твёрдость материала элемента контактной пары в зависимости от его температуры; Bi – критерий Био; 
– перепад температуры по объёму КЭ; ∆Т1в = Т1 – Тв – температурный напор (разность температур материала КЭ и окружающей среды).
Общий электрический износ можно определить по формуле [6]:
, (2)
где g – коэффициент, характеризующий дугостойкость материала; Q – количество электричества, прошедшее через дугу; W0 – коэффициент износа от механической нагрузки (без тока); Р – контактное нажатие; s – длина пути трения; g – коэффициент, характеризующий износ материала вследствие повышения шероховатости поверхностей; W1 – коэффициент износа при токовой нагрузке без искрения; ξ – коэффициент, характеризующий электроэрозионный износ от дугостойкости материала.
Функционалы k1 и k2 определяются по номограммам [7]; 
; 
; 
.
Таким образом, с учетом уравнений (1) и (2) можно получить суммарный электромеханический износ элементов контактной пары
Ih = IM + IE. (3)
Результаты исследования и их обсуждение
Сравнение результатов расчёта, полученных при использовании уравнения (3) путём аппроксимирования с учетом входных данных о величине износа в граничных точках механической и U-образной кривых изнашивания, и экспериментальных исследований по методике [4] при средних эксплуатационных значениях протекающего тока в скользящем контакте показывает, что отклонение расчетных и экспериментальных данных не превышает 6 % (рис. 2).
Рис. 2. Расчетные и экспериментальные зависимости изнашивания графитовой контактной вставки при нормальных условиях окружающей среды: 1 – результаты расчета механической составляющей изнашивания (I = 0); 2 – результаты расчета электрической составляющей изнашивания; 3 – суммарный расчетный график; 4 – результаты эксперимента (постоянный ток, 2200 A)
Массив информации, полученной в результате исследований контактных пар, используется для прогнозирования износа контактных элементов. Алгоритм прогнозирования представлен на рис. 3. Исходными данными для прогнозирования также являются: график контактного нажатия токоприемника; график токовой нагрузки; график скорости движения подвижного состава на конкретном участке; параметры условий эксплуатации. Затем выполняется обработка графика контактного нажатия Ркт на заданном участке: определение среднего значения нажатия, значений предельных отклонений (и количества отклонений) и т.д. Окончательный расчет износа контактных элементов и прогнозирование их ресурса осуществляется путем компьютерной обработки результатов анализа графика Ркт и U-образной зависимости износа.
Рис. 3. Алгоритм прогнозирования износа элементов контактных пар
Результаты прогнозирования для графитовой и металлокерамической контактных вставок приведены на рис. 4.
Рис. 4. Графики прогнозирования износа контактных вставок: а – график скорости движения ЭПС на участке между станциями; б – график потребления тока на участке; в – распределение контактного нажатия на участке; г – кривая интенсивности изнашивания графитовой контактной вставки; д – кривая интенсивности изнашивания металлокерамической контактной вставки
Выводы
На основании анализа особенностей условий эксплуатации контактных пар устройств токосъема, экспериментальных данных и существующих математических моделей изнашивания разработан алгоритм прогнозирования износа контактных элементов. Используя ПЭВМ, алгоритм позволяет оперативно оценить ресурс контактных элементов, втрое сократив время на проведение цикла испытаний.
Библиографическая ссылка
Сидоров О.А., Филиппов В.М. К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ИЗНОСА ЭЛЕМЕНТОВ КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-8. – С. 1393-1397;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8157 (дата обращения: 18.04.2024).