Введение к работе
Актуальность проблемы
Важнейшую роль в техническом перевооружении железнодорожного транспорта играет электрификация железных дорог, позволяющая повысить скорость движения поездов, а следовательно, сократить время доставки грузов и пассажиров.
Основные проблемы и задачи по решаемой проблеме отражены в ряде основополагающих документов: федеральной целевой программе «Модернизация транспортной системы России (2002–2010) (подпрограмма «Железнодорожный транспорт») № 848, утвержденной Правительством Российской Федерации 5.12.2001 г.; «Стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ № 877-р от 17.06.2008 г.; «Стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дорог» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД»).
Согласно приведенным документам одним из важнейших направлений является создание подвижного состава и инфраструктуры для обеспечения высокоскоростного и тяжеловесного движения.
Особенностью электрифицированного транспорта является подвод энергии через скользящий контакт между контактным проводом и токоприемником, поэтому с повышением скоростей движения и массы поездов увеличиваются значения снимаемых полозом токов, а, следовательно, увеличивается негативное воздействие электрической дуги на токосъемные устройства. Тем самым особо актуальной задачей остается решение проблемы поддержания в работоспособном состоянии контактной сети и токоприемников электроподвижного состава.
На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, редко встречается механический износ, однако отжиг и пережог проводов встречается не менее часто, чем на постоянном. Установлено, что имеет место так называемый «тепловой» износ контактного провода, приводящий к частичной или полной потере механических характеристик, приобретенных им в процессе изготовления. Тепловой износ наблюдается как при действии токов нагрузки, коротких замыканий, так и при локальных электроэрозионных повреждениях поверхности провода, во многом зависящих от состояния контактных вставок токоприемников.
Рассмотрение механизмов разупрочнения контактного провода в процессе токосъема необходимо производить с учетом наличия второго контакта – вставки. Явления, происходящие в области контакта, и свойства самой вставки непосредственно влияют на прочностные свойства провода.
Вследствие этого необходимы исследования механизмов и причин разрушения элементов контактной сети и токоприемников, разработка комплекса средств неразрушающего контроля токосъемных устройств в условиях эксплуатации.
Цель работы
Целью работы является разработка методов неразрушающего контроля элементов токосъема электрифицированных железных дорог путем применения средств измерения их механических и акустических характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Предложить аналитическую модель теплового воздействия подвижной электрической дуги на поверхность контактного провода и определить условия дефектообразования в его материале.
2. Разработать методику оценки состояния контактных проводов на базе установленных корреляционных связей между механическими, структурными, акустическими свойствами контактных проводов и предложить неразрушающие средства оценки их состояния.
3. Установить причинно-следственные связи ухудшения эксплуатационных свойств контактных вставок токоприемников и разработать методику их неразрушающего контроля.
4. Оценить экономическую эффективность предлагаемых технических решений.
Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основе методов системного подхода, математического моделирования с использованием элементов теории тонкого слоя и линейных феноменологических соотношений.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на реальных натурных объектах с использованием метода планирования эксперимента.
Научная новизна решений, сформулированных автором, состоит в следующем.
1. Предложена аналитическая модель теплового воздействия подвижной электрической дуги, с помощью которой определены условия дефектообразования в материале контактного провода.
2. Определены корреляционные зависимости между механическими, структурными и акустическими свойствами материала контактных проводов при их нагреве, позволившие разработать ультразвуковые и механические методы контроля.
3. Разработана методика проведения неразрушающего контроля угольных контактных вставок токоприемников, основанная на методе ультразвукового зондирования и позволяющая их сортировать по структурному состоянию, наличию дефектов и месту установки в полозе.
Личный вклад автора состоит: в постановке задач исследования, анализе литературных источников, проведении теоретических и лабораторных исследований теплового воздействия электрической дуги на механические и акустические свойства проводов с последующим анализом и обработкой полученных данных; создании устройств неразрушающего контроля состояния контактного провода и угольных вставок токоприемников.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически, подтверждена данными лабораторных и натурных экспериментов, проведенных на действующих электрифицированных участках Дальневосточной железной дороги – филиала ОАО «РЖД». Сравнение результатов теоретических исследований и эксперимента свидетельствуют об адекватности разработанной математической модели нагрева провода подвижной электрической дугой. Расхождение результатов многократных определений локального разупрочнения провода по коэффициенту ослабления ультразвуковых колебаний не превышает 6 %.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Созданная экспериментальная база позволяет в лабораторных условиях обеспечить условия проведения испытания проводов контактной сети, приближенные к эксплуатационным.
2. На основе установленных корреляционных зависимостей между структурными и акустическими свойствами контактных проводов созданы устройство и программа расчета определения степени теплового износа материала контактных проводов по величине коэффициента ослабления ультразвукового сигнала.
3. Предложенные пределы регулирования натяжения контактных проводов в зависимости от степени его теплового износа позволят продлить срок использования провода и повысить надежность электроснабжения.
4. Методика проведения неразрушающего контроля угольных контактных вставок позволяет производить выбраковку и сортировку угольных контактных вставок токоприемников в эксплуатационных условиях.
Внедрение. Фактическое использование результатов диссертационной работы в хозяйстве электрификации и электроснабжения Дальневосточной железной дороги – филиала ОАО «РЖД» подтверждено соответствующими актами.
Созданные экспериментальные стенды для испытания элементов контактной сети и токоприемников, разработанные при участии автора, а также научные результаты диссертации используются для проведения научно-исследовательской работы, научно-технических экспертиз и учебного процесса в Электроэнергетическом институте и институте дополнительного образования ДВГУПС.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались и были одобрены:
- на региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог», Хабаровск, ДВГУПС, 19 – 20 декабря 2005 года;
- на 3-м международном симпозиуме Eltrans «Электрификация и развитие энергосберегающей инфраструктуры и электроподвижного состава на ж.-д. транспорте», С.-Петербург, ПГУПС, 15 – 17 ноября 2005 года;
- международном симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов», Хабаровск, ТОГУ, 12 – 15 апреля 2006 года;
- региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, 18 – 19 апреля 2006 года;
- 44-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности», Хабаровск, ДВГУПС, 25 – 26 января 2006 года;
- 5-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17 – 19 апреля 2007 года;
- VIII Международном симпозиуме Россия – Китай «Modern materials and technologies 2007», Хабаровск, ТОГУ, 17 – 18 октября 2007 года;
- 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, ДВГУПС, 7 – 9 ноября 2007 года;
- III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, ИМаш УрО РАН, 2007 год;
- 10-м краевом конкурсе молодых ученых Хабаровского края, Хабаровск, ТОГУ, 28 января 2008 года;
- заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Электроснаб-жение транспорта», Хабаровск, ДВГУПС, 2005 – 2008 годы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 14 статей (из них 1 – в издании, определенном ВАК Минобрнауки РФ), два патента на полезные модели и одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений, изложена на 165 страницах основного текста. Содержит 54 рисунка, 28 таблиц, библиографический список из 139 наименований на 14 страницах и 4 приложения на 28 страницах.
