Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ элементов скоростных авторегулируемых токоприемников электроподвижного состава магистральных железных дорог 9
1.1. Особенности систем автоматического регулирования (САР) токоприемников 12
1.2. Обзор известных датчиков измерения контактного нажатия 26
1.3. Выводы 37
2. Определение параметров и характеристик системы автоматического регулирования нажатия токоприемника при его взаимодействии с контактной подвеской 38
2.1. Определение принципа регулирования нажатия токоприемника 39
2.2. Описание САР нажатия токоприемника 46
2.3. Анализ входного сигнала САР нажатия токоприемника 48
2.4. Расчет САР нажатия токоприемника и исследование ее параметров 51
2.4.1. Определение передаточных функций САР нажатия токоприемника 52
2.4.2. Определение параметров САР нажатия токоприемника 64
2.4.3. Синтез САР нажатия токоприемника 74
2.5. Выводы 80
3. Расчет взаимодействия токоприемника, оснащенного системой автоматического регулирования нажатия, с контактной подвеской 81
3.1. Анализ известных методов расчета взаимодействия токоприемников с контактными подвесками 82
3.2. Расчет характеристики нажатия токоприемника на контактную подвеску, представленную в виде модели с сосредоточенными параметрами 83
3.2.1. Математическая модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской с учетом воздействия со стороны контактного провода и осповацш токоприемника 84
3.2.2. Учет силы трения скольжения в контакте 93
3.2.3. Учет аэродинамического влияния со стороны встречного воздушного потока 93
3.2.4. Уравнения движения элементов токоприемника 96
3.3. Анализ результатов расчета токоприемника, оснащенного САР нажатия, при его взаимодействии с контактной подвеской, представленной в виде модели с сосредоточенными параметрами 99
3.4. Оценка адекватности предложенного метода расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской 103
3.5. Расчет характеристики нажатия токоприемника на контактную подвеску 106
3.6. Анализ результатов расчета токоприемника, оснащенного САР нажатия, при его взаимодействии с контактной подвеской, представленной в виде модели с распределенными параметрами 108
3.7. Оценка адекватности предложенного расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской, представленной в виде модели с распределенными параметрами 112
3.8. Выводы 114
4. Особенности предлагаемых элементов системы автоматического регулирования нажатия токоприем ника 115
4.1. Полоз токоприемника с пневматическими упругими элементами 115
4.2. Блок управления САР нажатия токоприемника 119
4.3. Пневматическая система токоприемника, оснащенного САР нажатия 125
4.4. Выводы 126
5. Экспериментальные исследования предложенной системы автоматического регулирования нажатия токоприемника и ее элементов 128
5.1. Методика испытаний разработанной САР нажатия токоприемника и ее элементов 128
5.7.7. Исследования с использованием лабораторных стендовых установок 129
5.7.2. Методика стендовых испытаний устройства для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод 136
5.7.3. Методика стендовых испытаний САР нажатия токоприемни- 137 ка
5.1.3. Методика натурных испытаний устройства для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод с использованием В ИКСа 138
5.2. Результаты экспериментальных исследований 139
5.2.7. Экспериментальное исследование устройства для оперативной
оценки нажатия токоприемника на контактный провод 139
5.2.2. Экспериментальное определение переходного процесса САР нажатия 143
5.2.3. Экспериментальное исследование устройства для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод с использованием ВИКСа 145
5.2.4. Дополнительные экспериментальные исследования устройства для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод 148
5.2.4.1. Высоковольтные испытания 148
5.2.4.2. Исследование устройства для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод в условиях низких температур 150
5.3. Выводы 153
6. Оценка экономической эффективности использования предлагаемой системы автоматического регулирования нажатия токоприемника 154
6.1. Определение стоимостной оценки результатов 156
6.2. Определение единовременных затрат 157
6.3. Определение показателей экономической эффективности 159
6.4. Выводы 160
Заключение..., 161
Библиографический список
- Обзор известных датчиков измерения контактного нажатия
- Расчет САР нажатия токоприемника и исследование ее параметров
- Расчет характеристики нажатия токоприемника на контактную подвеску, представленную в виде модели с сосредоточенными параметрами
- Пневматическая система токоприемника, оснащенного САР нажатия
Введение к работе
Актуальность исследования. В Российской Федерации, как и в других развитых странах, транспорт является одной из крупнейших базовых отраслей хозяйства, важнейшей составной частью производственной и социальной инфраструктуры.
Современная экономика и общество нуждаются в транспорте как средстве обеспечения своего функционирования. Автомобильный транспорт играет фундаментальную роль в эффективных цепях поставок грузов, обслуживая практически все отрасли хозяйства.
Рост потребности на услуги автомобильного транспорта является следствием экономического роста и неотделим от него. Международные автоперевозки являются одной из наиболее прогрессивных движущих сил интеграционного процесса в силу их ориентированности на обслуживание международной торговли. По итогам 2009 года доля автомобильного транспорта в обеспечении внешнеторгового оборота РФ составила 25%, что соответствует стоимости перевозимых грузов в 150 млрд. долларов.
Уровень развития и объем международных автомобильных перевозок грузов (МАПГ) напрямую зависит от общего состояния экономики страны, внешнеэкономических и политических факторов. Вместе с тем без дальнейшего развития отечественных международных автоперевозок, без повышения эффективности и конкурентоспособности российских операторов на рынке транспортных услуг вряд ли возможны уверенный экономический рост и, как следствие, увеличение ВВП. Столь высокая актуальность данного вопроса также связана с процессом интеграции РФ в мировую экономику.
Современный рынок МАПГ характеризуется наличием острой конкуренции, причем как со стороны российских операторов, так и со стороны иностранных. Российские операторы вынуждены сами искать пути своего развития в условиях динамичной внешней среды, гибко реагировать на ее изменения для сохранения своей конкурентоспособности и обеспечения эффективности развития в условиях рынка.
Важнейшим направлением повышения эффективности и конкурентоспособности российских операторов на рынке МАПГ является совершенствование организационно-экономических методов планирования и управления их деятельностью. В условиях выхода из финансового кризиса российским операторам и транспортно-экспедиционным компаниям следует направлять свои силы не только на сохранение достигнутых результатов, но и на повышение эффективности своего функционирования, что требует внимательного изучения рынка МАПГ с целью выявления наиболее перспективных и привлекательных направлений перевозок.
Новизна подхода к решению проблем повышения эффективности деятельности российских операторов заключается в теоретической и методической проработке вопросов формирования стратегии развития международных операторов, учитывающей существующие особенности международных автомобильных грузоперевозок и экономическую реальность сегодняшнего дня и перспективы, основываясь на положительном отечественном и зарубежном практическом опыте.
Отсутствие комплексного подхода к разработке конкретного инструментария повышения эффективности деятельности международных автоперевозчиков в рыночных условиях выявило необходимость привлечения методов стратегического планирования для разработки концепции и методологии формирования стратегии развития их бизнеса, что и определило выбор темы и актуальность научного исследования с учетом его теоретической и практической значимости.
Целью диссертационного исследования является разработка стратегии развития системы российских операторов рынка МАПГ на перспективный период, обеспечивающей повышение эффективности их деятельности.
Задачи диссертационного исследования. Для достижения цели были сформулированы и решены следующие задачи:
проведен комплексный анализ современного состояния и проблем развития российского рынка МАПГ;
построен прогноз основных показателей возможного развития рынка МАПГ на основе проведенного анализа за ретроспективный период;
проведен анализ современного состояния теории и практики повышения эффективности функционирования российских операторов рынка МАПГ в период формирования рыночных отношений;
определена структура бизнес-портфеля системы российских операторов исходя из сложившейся ситуации на рынке МАПГ;
проведена оценка и ранжирование существующих направлений перевозок грузов по степени их привлекательности для российских операторов;
предложены методика и алгоритм определения различных вариантов и траектории развития системы международных операторов, основанные на формировании области возможного развития и анализе различных рыночных ситуаций, которые могут возникнуть в условиях неопределенности работы на рынке МАПГ в перспективе;
проведена оценка экономической эффективности предложенной методики на примере разработки стратегии развития системы российских автоперевозчиков грузов в перспективе до 2014 года.
Объектом диссертационного исследования является система грузовых автотранспортных предприятий, осуществляющих свою деятельность на рынке МАПГ, параметры и элементы ее развития во взаимоотношении с внешней средой в условиях рыночной экономики.
Предметом диссертационного исследования являются проблемы и задачи повышения эффективности развития системы российских операторов на рынке МАПГ в перспективный период.
Методология исследования базируется на трудах ведущих отечественных и зарубежных ученых в области международных автомобильных перевозок грузов, стратегического планирования развития предприятий, эксплуатации транспорта и логистики.
Поставленные в диссертационном исследовании задачи реализованы с использованием принципов системного подхода и экономико-математического моделирования экономических процессов, в работе применялись методы экономической и математической статистики, а также методы стратегического планирования развития предприятий, включая методы портфельного анализа.
Информационную основу исследования составили статистические данные Министерства Транспорта РФ, Федеральной службы государственной статистики РФ, Ассоциации международных автомобильных перевозчиков, законодательные и нормативные акты РФ, данные международных организаций: Международного союза автомобильного транспорта (IRU), Европейской Конференции Министров Транспорта (ЕКМТ).
Научная новизна проведенного исследования заключается в разработке методических подходов и практических рекомендаций по повышению эффективности деятельности системы операторов на рынке МАПГ.
Научной новизной диссертационной работы обладают:
комплексный анализ работы системы российских операторов на рынке МАПГ в разрезе направлений, определивший объективную необходимость разработки организационно-экономических основ повышения эффективности ее деятельности на конкретных направлениях;
методические основы оценки и ранжирования направлений перевозок грузов по привлекательности для российских операторов;
методика формирования эффективного бизнес-портфеля системы международных автоперевозчиков грузов, основанная на оценке привлекательности направлений перевозок;
методика и алгоритм формирования наиболее рациональной стратегии развития системы международных автоперевозчиков с целью повышения эффективности ее деятельности;
траектория развития системы российских автоперевозчиков грузов на перспективу 2010-2014 гг., обеспечивающая повышение эффективности ее деятельности.
Практическая ценность диссертационного исследования заключается в том, что предложенные подходы и методы могут применяться операторами международных автомобильных перевозок грузов при разработке и реализации рациональной стратегии их развития, обеспечивающей повышение эффективности функционирования в условиях жесткой конкуренции.
Апробация результатов исследования. Результаты выполненных исследований использованы при разработке стратегии развития системы российских операторов на рынке МАПГ на перспективу 2010-2014 гг.
Положения диссертационной работы в части формирования стратегии развития системы российских автоперевозчиков грузов и формирования эффективного бизнес-портфеля используются кафедрой Экономики автомобильного транспорта Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ).
Основные положения диссертационного исследования были доложены и обсуждены на 65 и 66 научно-практических конференциях МАДГТУ (МАДИ) в г. Москве в 2009-2010 гг.
Публикации. По результатам выполненных исследований автором подготовлено и опубликовано 5 научных статей общим объемом 2,1 п.л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 161 страницы машинописного текста состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка использованных литературных источников, насчитывающего 107 наименований, 51 рисунка, 21 таблицы и 9 приложений.
Обзор известных датчиков измерения контактного нажатия
В роли устройств измерения контактного нажатия выступают различного рода датчики и чувствительные элементы,, от быстродействия и точности которых зависит качество применяемой СЛР нажатия токоприемішка. Наиболее широкое применение нашли тензометрический и оптоэлектрический методы преобразования силы в электрический сигнал.
Недостатками рассмотренных устройств являются сложность настройки и высокая стоимость, их установка требует создания специальных измерительных полозов, что не позволяет использовать типовые конструкции полозов.
1. Анализ методов измерения контактного нажатия показал, что наиболее широкое примспеїше нашли тензометрический и оптоэлсктричеекий методы преобразования силы в электрический сигнал.
2. Основными недостатками известных устройств для измерения контактного нажатия является сложность настройки и высокая стоимость, кроме того их установка требует создания специальных измерительных полозов, что не позволяет использовать типовые конструкции полозов.
Разработанный профессором В. П. Михеевым метод оценки качества передачи электроэнергии через скользящий контакт предусматривает определение: двух основных показателей - надежности и экономичности токоснимания [46].
Основным критерием надежности и экономичности является контактное нажатие для конкретных материалов контактных пар, при умепыпешш которого возрастает вероятность отрывов и связанных с ним случаев кекрообразовапия, а при увеличешш возникает опасность повреждения контактирующих элементов (токоприемника и токопровода) за счет значительных дииаміїческих сил, особенно при высоких скоростях движения [47 - 53].
Износ токосъемыых элементов также прямо зависит от нажатия, при увеличении которого интенсивность истирания токоприемника и токопровода увеличивается (рисунок 2.1). Уменьшение нажатия приводит к снижению износа, но только до определенного значения, после которого дальнейшее уменьшение нажатия ведет к росту износа за счет искрообразавакия и электроэрозиошюго разрушения поверхностного слоя контактных материалов.
Таким образом, выбор оптимального нажатия в. контакте сводится к решению двух основных задач:
1) получение U-образных зависимостей износа от нажатия для выбрашюй контактной пары и при заданном нагрузочном токе. Минимум износа на кривой (точка min у) соответствует оптимальному значению нажатия Ропт;
2) корректировка исходного нажатия Ропт с учетом реальных параметров токоприемника и воздействия внешней среды, так как кривая нажатия при движении подвижного состава будет иметь отклонения вверх и вниз вплоть до достижения предельных уровней, выход за которые приводит к динамическим ударам или к потере нажатия с появлением искрения.
Решение второй задачи заключается в применении активно регулируемых токоприемников, оснащенных управляемыми приводами. Причем наиболее перспективным является способ, основанный на авторегулировании нажатия в контакте с применегаїем следящей системы с обратной связью, отличительной особенностью которого является то, что в виде регулирующего и регулируемого параметра выбрано контактное нажатие, то есть нажатие должно регулироваться нажатием [10].
Полученные в ходе натурных испытаний на линии Москва - Санкт-Петербург Октябрьской железной дороги кривые контактного нажатия свидетельствуют об увеличении разброса контактного нажатия с увеличением скорости движения электроподвижного состава (рисунок 2.2, а и рисунок 2.3, а). Также по результатам испытаний были получены данные об отрывах полоза токоприемника с контактной сетью (рисунок 2.2, б и рисунок 2.3, б), из которых следует, что с увеличением разброса контактного нажатия происходит увеличение коэффициента отрыва, что в значительной степени увеличивает электрический износ контактного провода при высоких скоростях движения, так как нарушение контакта приводит к нежелательным последствиям - пережогу и отжигу контактного провода.
Процесс взаимодействия токоприемника е контактной подвеской вызывает стохастическне (случайные) возмущающие воздействия на полоз токоприемника. В связи с этим необходимо произвести анализ взаимодействия САР нажатия с контактной подверкой.
Расчет САР нажатия токоприемника и исследование ее параметров
В результате спектрального анализа определено, что входной сигнал САР нажатия ограничен по спектру частотой fmax, не превьппающей 1 Гц, при скорости движения до 200 км/ч. Ограничивающие спектр частоты определяются величиной амплитуды, превышающей 10% от максимальной составляющей. Теорема Ко-тельникова утверждает, что любой сигнал с ограниченным спектром (бесконечный во времени) однозначно определяется своими отсчетами, взятыми через определенный интервал времени:
Из теоремы следует, что если сигнал f(t) имеет преобразование Фурье отличное от пуля при частотах меньших 2лГшах, то в отсчетах сигнала f(kAt) взятых через интервал At содержится вся информация о непрерывной функции f(t) [63]. Из теоремы следует, что эти отсчеты содержат информацию о сигнале f(t) в любой момент времени. Однако частота отсчетов должка быть по крайней мере в два раза больше высшей частоты сигнала fmax.
Согласно теореме Котсльниковз, минимальный период следования отсчетов непрерывного сигнала (период дискретизации сигнала):
Используя результаты спектрального анализа входного сигнала, определяется максимальный период дискретизации, составляющий Т = 0,5 с.
Минимальное время наблюдения входного сигнала определяется исходя из значения нижней частоты, вычисляемой при спектральном анализе. В данном случае минимальная значимая частота составляет 0,2 Гц, следовательно, для наблюдения достаточно 5 с.
В спектре сигнала датчика давления присутствуют также частотные составляющие выше 1 Гц, которые могут проявляться на низких частотах в результате эффекта поглощения, вклад же более высоких частот очень незначителен и в процессе регулирования ими молено пренебречь.
Кроме того, используя результаты спектрального анализа, определяется быстродействие САР нажатия, поскольку от системы требуется отрабатывать весь диапазон значимых частот. Частота среза логарифмической амплитудной частотной характеристики f САР нажатия должна быть больше частоты возмущающего воздействия fmax, исходя из этого частота среза предлагаемой САР нажатия токоприемника должна быть не менее 1 Гц. 2.4. Расчет САР нажатия токоприемника и исследование ее параметров
Основное требование, которому должна удовлетворять любая система автоматического регулирования или управления, заключается в обеспечении заданного для регулируемого или управляемого объекта режима, вследствие возмущающих воздействий или изменения задающего воздействия на систему. При восстановлении заданного состояния или при смене состояний в системе возникают переходные процессы, сопровождающиеся изменением регулируемых величин во времени [64].
Требования, предъявляемые к разработашюй САР: - выполните требования точности - нажатие тохоприемника должно поддерживаться на заданном уровне независимо от возмущении, причем разница между задшпшм и фактическим значениями не должна превышать допустимую. Процесс перехода от одного уровня нажатия к другому представляется динамической характеристикой, а время процесса должно быть минимально возможным (при заданной величине перерегулирования); - выполнение условия устойчивости, система должна оставаться устойчивой на всех режимах токосъема; - выполнение норм перерегулирования (меры колебательности процесса); - выполнение требования робастности — система должна сохранять устойчивость и приемлемое качество даже в том случае, если динамика объекта и свойства внешних возмущений отличаются от тех, что использовались при проектировании САР [65 - 68].
На основе функциональной схемы САР составляется структурная схема (рисунок 2.13). В задачах анализа полностью известка структура системы, заданы, как правило, все параметры системы, и требуется оценить какое - либо сё статическое или динамическое свойство. К задачам анализа относятся расчет точности в установившихся режимах, определение устойчивости, оценка качества системы.
Для выполнения анализа САР необходимо определить передаточные функции всех звеньев рассматриваемой системы. По переходной характеристике находятся амплитуды колебаний Aj , А2 и период колебаний Тх , по которым определяются частота колебаний Я и коэффициент затухания у:
Коэффициент относительного демпфирования токоприемника и посто янная времени Т определяются из уравнений (2.7 - 2.8):
Методика расчета коэффициента усиления к те- сводится, в основном, к определению статического нажатия токоприемника на контактный провод с учетом параметров конкретного конструктивного исполнения привода [69].
Исходя из конструктивного исполнения привода необходимо определить величину силы Ро, создаваемой РКЭ в зависимости от высоты подъема токоприемника.
Из условия равновесия системы следует, что в точках О должен быть приложен момент Мркэ) равный по величине и противоположный по направлению моменту, создаваемому силами, нагружающими токоприемник.
Учитывая, что система симметрична как по конфигурации, так и по расположению и величинам действующих сил, можно отбросить половину, заменив ее соответствующей реакцией ХЛ (рисунки 2.16 и 2.17).
Так как половина токоприемника представляет собой конструкцию состоящую из двух звеньев, сочлененных шарнирно в точке В, то целесообразно рассмотреть равновесие каждого из звеньев отдельно, заменив отброшенное звено реакциями Хв и YB (рисунок 2.17). Исходя из условий равновесий для рамы АВ можно записать три уравнения:
Расчет характеристики нажатия токоприемника на контактную подвеску, представленную в виде модели с сосредоточенными параметрами
Главной задачей системы «контактная сеть — токоприемник» является надежная передача электрической мощности от стационарных устройств тягового электроснабжения к перемещающемуся потребителю — тяговому подвижному составу во всем диапазоне скорости движения. Процесс передачи мощности должен проходить при наличии постоянного электрического и механического контакта, в то же время износ контактных элементов должен быть минимальным [74].
Токоприемник и контактная подвеска являются сложными динамическими системами, работающими в условиях изменяющихся внешних воздействии, обусловленных многочисленными и разнообразными факторами. На скользящий контакт действуют следующие внешние факторы: сила прижатия, скорость движения, длительность импульсов изменения силы прижатия и температура и другие. Кроме того, и токоприемник, и контактная сеть представляют собой самостоятельные системы, склонные к переходу в колебательный режим.
Определение оптимального нажатия при взаимодействии токоприемника с контактной подвеской лежит в основе методики исследований устройств токосъема, которая реализована в ОмГУПСе, и базируется на системе математического моделирования.
В связи с большой стоимостью испытаний на эксплуатируемых участках и необходимостью организации «окон» в регулярном движении подвижного состава со снижением провозной способности участка для линейных испытаний в настоящее время при проектировании устройств токосъема перспективных транспортных средств востребованы теоретические методы. Наибольшее значение приобретают те, что учитывают все многообразие действующих в реальных условиях факторов, т. е. методы, адекватно отражающие физику процесса токосъема и использующие математический аппарат, обеспечивающий приемлемую точность и достоверность результатов исследований [75,76].
Расчет взаимодействия токоприемника с контактной подвеской сводится к теоретическому определению траекторий элементов токоприемника и контактного нажатия, что связано с решением задач динамики (теории колебаний) о движении тел переменной массы под действием разного рода сил.
Начиная с середины прошлого века, когда были начаты подробные исследования динамики токосъема, в научной литературе были опубликованы теоретические работы, которые базировались на анализе упрощенных схем колебательных систем, не отражающих всех особенностей реальных динамических процессов. Во всех опубликованных теоретических работах использованы определенные допущения и упрощения.
Способы расчета взаимодействия токоприемников с контактными подвесками можно классифицировать по следующим критериям: по числу степеней свободы у токоприемника; по способу учета контактной подвески (с сосредоточенными или распределенными параметрами, в виде жесткой кривой); по особенностям учета факторов, оказывающих механическое воздействие на токоприемник и контактную подвеску.
Методы, в которых учитывалась подвеска с сосредоточенными параметрами и токоприемник имел одну степень свободы, разрабатывали Р. Ниблер [77], И.И.Власов [78], С.Фуджии, Н. Сибата [79], И. Кумезава [80], А. В. Плакс [81 - 84], Л. Паскуччи [85], Э. С. Почаевец [86], В. П. Михеев [87], В.Н. Финиченко.
Модели токоприемников с двумя степенями свободы развивали Р. Моррис [88], В. А. Ан [89], А. В. Фрайфельд, М. М. Ерофеева, Г. Г. Энгельс [90 - 92], 3. Е. Фидрых, В. Т. Жарков [93], Л. Д. Тавровский [94], В. П. Михеев [95 - 97], А. Н. Горбань, В. М. Павлов, А. Бродкорн, К. Беккер.
Взаимодействие токоприемников с подвеской в виде жесткой кривой рассматривали Б. Финк [98], И. Бейер [99], Ф. Нитхаммер [100], И. А. Беляев [101], Р. Н. Решетов [102], Т.Кобаяси [103], А. И. Гуков, Ю.Н.Щерба, В.П.Михеев, А. Н. Горбань, О. А. Сидоров, И. Л. Саля и др.
Методы расчета, в которых учитывалась подвеска с распределенными параметрами, разрабатывали Г. Г. Марквардт [104], К. Г. Марквардт, В. Бюкнер [105], Г. Джильберт, X. Дэвис [106], Р. Моррис [88], А. В. Плакс, С. Н. Ковалев [107, 108], Р. Т. Грей, С. Леви, Я. А. Бейн, Е. Я. Леклерк [109, ПО], К. Тзючия, С. Фудзин, Н. Эхара [111], М. Р. Эббот [112], П. М. Кейн, П. Р. Скотт [ИЗ], Т. А. Тибилов, А. И. Филоненко, М. В. Заволжанский, П. Д. Титаренко, A. В. Ефимов, А. Г. Галкин [114], В. П. Михеев, А. Д. Кокоев [115, 116], B. И. Себелев, А. Н. Горбань [97], М. Мюнхоф, Ф. Г. Раутер и др.
Влияние кузова подвижного состава на процесс взаимодействия токоприемника с контактной подвеской исследовали Д. Л. Коффман, X. Л. Престон [117], М. Манцо [118], Р. Моррис [90], А. В. Фрайфельд, 3. Е. Фидрих, Г. Г. Энгельс [90], В. П. Михеев [96], А. Н. Горбань [97], и др.
Теоретические исследования по влиянию аэродинамического воздействия на качество токосъема проводили К. Аллен, В. Лангер [99], М. Манцо [118], Р. Келлер, Н. Сибата, И. Кумезава [80], А. В. Плакс [84], В. П. Михеев [119], И. А. Беляев [120], Г. П. Маслов, В. А. Нехаев [112], А. П. Стариков, В. М. Павлов, В. Н. Ли, А. К. Кузнецов, О. А. Сидоров, И. Л. Саля и др.
Из всех рассмотренных методов для расчета взаимодействия токоприемника с контактной подвеской могут быть применены обобщенные схемы, в которых токоприемник представлен одно- или двухмассовой системой, а траектория и жесткость подвески - синусоидальными и другими функциями [121].
Реальный процесс механического взаимодействия токоприемников с контактными подвесками (или жестким токопроводом) является случайным. Ввиду многообразия случайных факторов исследовать теоретически динамическую систему «токоприемник — контактная подвеска» сложно. Более простым для теоретических исследований и достаточным для практического использования является рассмотрение детерминированных процессов.
Одной из распространенных расчетных схем взаимодействия токоприемника с контактной подвеской является такая, в которой на небольшом отрезке подвески осуществлены дискретизация параметров и приведение их к точке контакта. В таком виде расчетная схема может быть использована лишь для исследования взаимодействия с одним токоприемником, так как не учитывает распространения продольных колебаний контактного провода [56].
В ряде работ [122, 123] отмечалось, что при учете распространения волны в проводе более значимой становится динамическая жесткость,контактной подвески, зависящая от натяжения провода и его плотности и от скорости движения, нежели статическая. Особенно отличаются эти жесткости, когда скорость движения токоприемника приближается к скорости распространения волны в проводе, близкой к 400 км/ч, и практически совпадают, при скорости движения токоприемника ниже 80 % от скорости распространения волны.
Пневматическая система токоприемника, оснащенного САР нажатия
1. Сформирована математическая модель взаимодействия токоприемника, оснащенного САР нажатия, с контактной подвеской, отличительной особенностью которой является учет нелинейности пневматических элементов, установленных в подъемно-опускающем механизме и верхнем узле токоприемника, что позволяет произвести расчет современных токоприемников, оборудованных РКЭ, и определить их параметры (приведенную массу, жесткость, силы трения и т. д.) для обеспечения качественного токосъема.
2. Разработанная расчетная модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской позволила добиться удовлетворительной сходимости расчетных и экспериментальных данных, полученных с помощью вагона-лаборатории ВИКСа на линии Москва - Санкт-Петербург (расхождение результатов не превышает 5 %).
3. Используя предложенную математическую модель взаимодействия получены зависимости СКО контактного нажатия токоприемника по длине пролета при различной скорости движения, жесткости и вязком трении кареток полоза, из которых видно, что на скорости 150 км/ч наблюдается резонанс, приводящий к увеличению СКО контактного нажатия, однако снизить влияние резонанса удается установкой в верхний узел токоприемника пневматических элементов за счет введения вязкого трения и изменения величины жесткости кареток.
4. Для определения влияния волновых процессов на качество токосъема была использована математическая модель, в которой контактная подвеска представлена распределенными параметрами, что позволило сделать вывод о незначительном влиянии волновых процессов на СКО контактного нажатия при скоростях движения до 200 км/ч.
Обеспечение надежного и экономичного токосъема при высоких скоростях движения требует применения в конструкциях скоростных токоприемников устройств автоматического регулирования, позволяющих поддерживать оптимальное контактное нажатие для конкретных условий движения [135].
Особое внимание следует обратить на датчики контактного нажатия, посредством которых оценивается нажатие токоприемника, и на блок управления САР, обрабатывающим данные о контактном нажатии и управляющим исполнительными механизмами.
На основе проведенного анализа САР нажатия токоприемников, их параметров и характеристик, а также результатов расчета взаимодействия токосъем-ных устройств предложены следующие элементы САР, повышающие надежность токоприемника и качество токосъема.
Одним из эффективных способов контроля состояния контактной сети является использование вагон-испытательной лаборатории контактной сети (ВИКС), позволяющей регистрировать большое число параметров, в том числе и контактное нажатие, являющееся наиболее объективным критерием качества токосъема.
Известным устройством для измерения контактного нажатия является полоз токоприемника с установленными под контактными вставками тензометрически-ми датчиками. Недостатками подобной системы является необходимость изменения конструкции полоза с целью размещения датчиков, а также создание высоковольтной гальванической развязки для регистрирующей аппаратуры. Стоит отметить и высокую стоимость подобного измерительного полоза [136].
В Омском государственном университете путей сообщения ведутся работы по созданию токоприемника, оснащенного устройством для оперативной оценки нажатия токоприемника на контактный провод, отличительной особенностью которого является универсальность - возможность установки на любых типах токоприемников и использование при любом роде тока.
Исходя из анализа конструкции токоприемника и датчиков контактного нажатия, бьш предложен измерительный полоз, оборудованный чувствительными пневматическими элементами.
Пневматический элемент (ПЭ) является чувствительным элементом, передающим нажатие токоприемника через воздухопровод на датчик давления (Д). Изменение давления воздуха в замкнутом контуре при колебаниях нажатия улавливается датчиком, на выходе которого появляется переменный электрический сигнал, поступающий в блок управления (БУ), который осуществляет запись. Блок управления имеет возможность подключения к ЭВМ для дальнейшей обработки информации. Воздухопроводы выполнены из диэлектрического материала, что исключает необходимость создания гальванической развязки в системе измерения [137].
Рассматриваемый вариант является наиболее простым и дает возможность получить наименьшую приведенную массу самой каретки, а также иметь управляемую характеристику нажатия самой каретки.
Для каждой конструкции подвески и ее параметров, а так же определенной скорости движения необходима характеристика нажатия с определенной жесткостью, что достигается изменением давления воздуха в пневматическом элементе.
Пневматические элементы устанавливаются под полоз токоприемника, воспринимая его колебания параллельно пружинам кареток (рисунок 4.2). При таком способе установки жесткость верхнего узла остается неизменной, но улучшаются его демпфирующие свойства.
