Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время системы контактного токосъема с жестким токопроводом нашли широкое применение в качестве устройств передачи электроэнергии на борт подвижного состава метрополитена и электрических монорельсовых транспортных систем (навесных, подвесных, с колесным и электромагнитным опиранием и линейными тяговыми двигателями). Контактные подвески с жестким токопроводом используются для подвижного состава магистральных электрических железных дорог и передвижных кранов, применяемых на контейнерных терминалах для грузовых операций с вагонами-контейнеровозами магистральных железных дорог.
Для каждой из указанных сфер применения систем токосъема с жестким токопроводом в настоящее время характерны увеличение скоростей движения, значительный рост токовых нагрузок, появление новых типов электроподвижного состава (ЭПС), условия работы которого требуют совершенствования существующих и создания новых устройств, обеспечивающих надежную, экономичную и экологичную передачу электроэнергии на борт транспортных средств.
В первую очередь это относится к высокоскоростным электромагнитным монорельсовым системам, развитие которых в настоящее время вышло на новый качественный уровень - в конце 2002 г. в Китае введена в эксплуатацию первая в мире коммерческая линия между Шанхаем и аэропортом По-донг длиной 30 км, предназначенная для перевозки пассажиров со скоростями до 400 км/ч.
В Японии активно ведутся работы по созданию электромагнитных монорельсовых систем с электродинамическим подвесом (проект MLX) для междугородних перевозок со скоростями до 550 км/ч. Создана и функционирует экспериментальная трасса в префектуре Яманаши длиной 43 км.
В Германии в опытно-коммерческую эксплуатацию введен подвижной состав нового поколения с электромагнитным подвесом Transrapid 08.
Широкое применение во всех развитых в экономическом отношении странах нашли городские монорельсовые системы с колесным опиранием. Монорельсовые пассажирские линии функционируют в США, Японии, Германии, Франции, Великобритании, Канаде, Малайзии и других странах.
В России работы по созданию электромагнитных монорельсовых систем были начаты в 1975 г. и выполнялись в соответствии с постановлением Государственного комитета СССР по науке и технике 0.54.07 от 30.10.85 г., Государственной научно-технической программой «Скоростной экологически чистый транспорт» и постановлением Правительства г. Москвы, Миннауки и Минтранса России от 08.02.96 г. «О развитии новых видов скоростного пассажирского транспорта для г. Москвы и Московского региона».
Головными организациями по этой тематике являлись Всесоюзный научно-исследовательский институт электровозостроения (ВЭлНИИ, г. Ново-
черкасск), объединение «Спецтранс» и Инженерно-научный центр «ТЭМП» (г. Москва).
В настоящее время в соответствии с постановлением Правительства г. Москвы № 463-ПП от 22.05.2001 г. выполняются работы по сооружению первоочередной трассы Московской монорельсовой транспортной системы (ММТС) между станциями метро «Тимирязевская» и «Ботанический сад». Осуществляется проектирование скоростной монорельсовой линии нового поколения сообщением «город - аэропорт». Головными организациями этих программ являются акционерное общество «Московские монорельсовые дороги» (ОАО «ММД») и государственное предприятие «Московский институт теплотехники» (ГП «МИТ»).
ОмГУПС с 1977 г. принимает участие во всех указанных отечественных программах, выполняя теоретические и экспериментальные исследования по совершенствованию и разработке новых вариантов токоприемников и жестких токопроводов различных конструкций и назначения, которые наряду с устройствами тяги, подвеса, направления и автоматического управления движением имеют большое значение для надежного функционирования всей транспортной системы. Обеспечение надежного и экономичного токоснима-ния - одна из главных проблем развития электрического транспорта.
Особую остроту этой проблеме придают значительно возросшие требования к снижению негативного воздействия транспорта, особенно городского, на окружающую среду, что отражено в экологической программе ОАО «РЖД», федеральных законах по охране окружающей среды и Экологической доктрине Российской Федерации (одобрено распоряжением Правительства РФ № 1225-р от 31 августа 2002 г.).
В России работы, посвященные исследованию и, созданию систем кон
тактного токосъема, в том числе с жестким токопроводом, выполнялись в
ВЭлНИИ, МИИТе, ОмГУПСе, ИНЦ«ТЭМП» (г. Москва), ОКБ им. Яковлева
(г. Москва), ОАО «ММД» (МИТ, г. Москва), ВНИИЖТе и других научных
организациях и учебных вузах. Значительный вклад в решение этой пробле
мы внесли В. П. Михеев, А. В. Плакс, И. А. Беляев, В. Я. Берент,
И. И. Власов, В. А. Вологин, С. А. Кадышев, А. И. Гуков, А. Т. Демченко,
Ю. Е. Купцов, Ю. И. Горошков, В. Н. Пупынин, Г. Г. Марквардт,
К. Г. Марквардт, Г. Г. Энгельс, Ю. Д. Соколов, А. А. Галенко,
Г. С. Галактионов, Ю. Н. Щерба, Г. Г. Манасарян А. В. Фрайфельд,
В. П. Феоктистов, Л. Н. Решетов, С. А. Привалов, Ю. П. Швец,
В. А. Смахтин, В. И. Бочаров, В. А. Винокуров, А. В. Ефимов, А. Г. Галкин,
О. В. Грибачев, В. С. Розанов, И. В. Митрофанов, К. Г. Шейн,
A. В. Чичинадзе, Т. А. Тибилов, В. М. Павлов, В. А. Нехаев, Г. П. Маслов,
B. Н. Лисунов, Е. А. Кротенко, А. В. Климович, В. В. Свешников,
А. Ф. Дроботенко, А. Г. Емельянов, Ю. И. Филатов, С. А. Ступаков,
Е. И. Быков, Б. В. Панин и другие специалисты.
Цель диссертационной работы состоит в разработке научно обоснованных технических решении на основе усовершенствованных методов теоретических и экспериментальных исследований для создания различных систем токосъема с жестким токопроводом, обеспечивающих надежное, экономичное и экологичное токоснимание.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
-
Разработать усовершенствованные методы расчета взаимодействия токоприемников с жесткими токопроводами в установившемся режиме с учетом влияния факторов, характерных для реальных условий эксплуатации.
-
Создать уточненные методы расчета кривых контактного нажатия в переходных режимах с учетом ударов в зонах температурных стыков и концевых отводов жестких токопроводов.
-
Предложить методы теоретического определения характеристик и параметров токоприемников и жестких токопроводов.
-
Создать на основании предложенных методов новые варианты токоприемников и жестких токопроводов.
-
Разработать метод экспериментальных исследований характеристик и параметров усовершенствованных токоприемников и токопроводов в лабораторных, полигонных и линейных условиях.
-
Создать методы проверки экологических характеристик токоприемников и реализовать их при синтезе новых конструкций с улучшенными параметрами.
-
Предложить метод проверки износных характеристик контактных пар и реализовать его при прогнозировании срока службы токоприемников и жестких токопроводов.
Научная новизна:
-
Разработан метод расчета взаимодействия малогабаритного штангового токоприемника с жестким токопроводом в установившемся режиме с учетом влияния колебаний подвижного состава, силы трения скольжения в контакте и нелинейных характеристик пневматического резинокордного элемента.
-
Предложена методика расчета токоприемника в переходных режимах с учетом ударов при проходе стыков жесткого токопровода, инерционных эффектов и в условиях активного изменения статического нажатия при использовании устройств автоматического регулирования.
-
Показано, что при жестком токопроводе для высокоскоростного транспорта необходимо использовать токоприемник с двумя степенями свободы и системой автоматического регулирования нажатия.
-
Разработаны методы стендовых экспериментальных исследований динамических характеристик малогабаритных токоприемников с учетом колебаний подвижного состава, изменения высоты и горизонтального смеще-
ния токопровода, аэродинамического воздействия и ударов в зонах стыков жесткого токопровода.
-
Предложены методы оценки экологических характеристик малогабаритных токоприемников. Даны рекомендации по снижению уровня радиопомех за счет применения графитовой смазки и экранирующих элементов.
-
Разработан метод оценки и прогнозирования износа контактных пар токоприемника и жесткого токопровода. Даны рекомендации по выбору статического нажатия для различных сочетаний материалов контактных пар и токовых нагрузок.
Методы проведения исследований:
В работе были использованы: метод системного подхода; методы математического моделирования на ПЭВМ с использованием программной среды Borland Delphi 5.0 и универсальной математической программы MathCAD; метод планирования эксперимента; корреляционный и регрессионный анализ; метод интегральной оценки качества процесса регулирования.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований и опытом эксплуатации макетных и опытных образцов разработанных устройств 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 не превышает 9 % для различных вариантов предлагаемых моделей.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработаны усовершенствованные математические модели и программные комплексы, позволяющие рассчитывать характеристики и параметры токоприемников и жестких токопроводов с учетом влияния внешних факторов, характерных для реальных условий эксплуатации различных видов электроподвижного состава.
-
Созданы новые и усовершенствованные конструкции токоприемников и жестких токопроводов для обеспечения надежного, экономичного и экологичного токосъема при скоростях движения подвижного состава до 500 км/ч.
-
Разработаны методы экспериментальной проверки характеристик и параметров токоприемников и токопроводов в условиях, максимально приближенных к реальным. Создан универсальный лабораторный комплекс и участок специализированного полигона для испытания устройств токосъема при реальных и имитируемых скоростях движения.
4. Созданы экспериментальные стендовые установки, позволяющие
оперативно проверять экологические и износные характеристики контактных
пар токоприемников и жестких токопроводов.
5. Разработан метод прогнозирования износа контактных пар токоприемников и жестких токопроводов, позволяющий обеспечивать в эксплуатации надежный и экологичный токосъем при минимальном износе контактирующих элементов.
Реализация результатов работы заключается в следующем:
1. Методы расчета взаимодействия токоприемников с токопроводом,
методы экспериментальной оценки уровня радиопомех, методы исследова
ния и прогнозирования износа контактных пар внедрены в ОАО «Москов
ские монорельсовые дороги» в 2002 г. при разработке технической докумен
тации и выборе параметров устройств токосъема первой очереди Московской
монорельсовой транспортной системы, сооружаемой между станциями метро
«Тимирязевская» и «Ботанический сад».
-
Эскизный проект и макетный образец токоприемника ТМС скоростной монорельсовой системы нового поколения внедрены в ОАО «Московские монорельсовые дороги» в 2004 г. при разработке проектной документации скоростной монорельсовой трассы нового поколения сообщением «город - аэропорт».
-
Методы расчета взаимодействия токоприемников с жесткими токо-проводами и расчетно-программный комплекс для их реализации, комплект из шести опытных образцов авторегулируемых токоприемников СпР-433 для вагона В-250 линии Москва - Шереметьево-2, комплект токоприемников Т-7 для вагона ТП-05 испытательного центра в г. Раменское использованы в Инженерно-научном центре «ТЭМП» при выработке технических решений устройств токосъема проекта пассажирской эстакадной трассы «Москва - Шереметьево-2».
Токоприемники Т-7 успешно эксплуатируются в испытательном центре г. Раменское с 1988 г. по настоящее время.
-
Методика расчета взаимодействия с токо проводами высокоскоростных авторегулируемых токоприемников, результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанного токоприемника СпВ-3 использованы в техническом проекте натурного экипажа транспорта на магнитном подвесе во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения.
-
Разработанный универсальный комплекс для испытаний устройств токосъема, содержащий колебательный, вращающийся, износный, ударный и аэродинамический стенды, с 1992 г. используется в учебном процессе и при выполнении научных исследований в качестве действующего испытательного комплекса в лаборатории устройств токосъема ОмГУПСа.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на VI Всесоюзной научно-технической конференции по методам и средствам диагностирования (Омск,
1989); III Всесоюзной научно-технической конференции «Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта» (Омск, 1991); конференции, посвященной 100-летию А. С. Алексеева «Перспективные системы и совершенствование устройств электрической тяги на ж.-д. транспорте и в электромашиностроении» (Ленинград, 1991); Международной конференции «Параметры перспективных транспортных систем республики Саха» (Якутск, 1995); Международной конференции «Актуальные проблемы развития ж.-д. транспорта» (Москва, 1996); Международной научно-практической конференции «Город и транспорт: управление экономикой в условиях рынка» (Омск, 1996); XI Международной конференции «Состояние и перспективы развития ЭПС» (Новочеркасск, 1997); юбилейной научно-технической конференции УрГАПСа «Железнодорожный транспорт сегодня и завтра» (Екатеринбург, 1998); Межвузовской научно-практической конференции (Омск, 1998); научно-практической конференции с международным участием «ТрансСибВуз-2000» (Омск, 2000); научно-практической конференции, посвященной 100-летию завершения строительства Транссибирской магистрали (Омск, 2001); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (Хабаровск, 2001); региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Новосибирск, 2002); региональной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на обособленных предприятиях Западно-Сибирской ж.-д.» (Омск, 2003); научно-технических семинарах Инженерного центра «ТЭМП» (Москва, 1988, 1989 и 1990); научно-техническом семинаре ОАО «Московские монорельсовые дороги» (Москва, 2002); IV Международной конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 2003); Втором Международном симпозиуме «Электрификация и ускорение научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте» (Санкт-Петербург, 2003); Международной научной конференции «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические» (Ростов-на-Дону, 2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 85 печатных работ, в том числе 2 монографии, 30 статей (из них 12 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ), 15 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, 28 авторских свидетельств и 8 патентов РФ на изобретения, 2 патента РФ на полезные модели. Указанные работы опубликованы после защиты автором кандидатской диссертации в 1986 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти разделов, заключения, списка использованных источников. Общий объем 377 страниц, в том числе 347 страниц основного текста, 232 иллюстрации, 21 таблица, 208 источников и одно приложение на 6-ти страницах.
