Введение к работе
Актуальность проблемы. В 2008 году Правительством Российской Федерации принята стратегия развития железнодорожного транспорта до 2030 года, которая предусматривает реконструкцию действующих линий и организацию скоростного движения между крупными региональными центрами (скорость движения 160-200 км/ч, а на отдельных участках – до 250 км/ч), а также строительство выделенных высокоскоростных магистралей (ВСМ), на которых будет организовано пассажирское движение поездов со скоростями до 350 км/ч.
Для обеспечения надежного и экономичного токосъема при высоких скоростях движения возникает необходимость в разработке новых и совершенствовании существующих конструкций контактной сети. Для этого требуется выполнение инженерных расчетов, значительная часть которых относится к классу механических расчетов контактных подвесок в статике.
Как показала практика разработки и испытаний новых конструкций контактной сети КС-200 в 2005–2008 гг., методы механических расчетов контактных подвесок, широко применяемые в нашей стране до настоящего времени, не позволяют определять параметры подвесок для высоких скоростей движения с необходимой степенью достоверности. Кроме того, расчеты по существующим методам сопряжены со значительными временными затратами при проектировании.
Качество взаимодействия токоприемников и контактной подвески, а следовательно, технико-экономические показатели системы токосъема, зависят не только от проектных значений параметров контактной подвески и токоприемников, но и от качества регулировки подвески. Международные нормы устанавливают жесткие требования к показателям качества регулировки для скоростных контактных подвесок. Однако, как следует из практики монтажа контактной сети на участке Санкт-Петербург–Москва, обеспечить эти требования в условиях реальной реконструкции представляется затруднительным. Для выполнения требований по регулировке необходимы значительные временные ресурсы. В условиях ограниченных монтажных «окон» эти требования на практике не выполняются.
Совершенствование технологии монтажа контактной подвески с целью сокращения времени, затрачиваемого на высокоточную регулировку, возможно на базе исследований чувствительности показателей качества регулировки к точности установки различных монтажных параметров. Проведение подобных исследований на основе существующих методов расчетов контактных подвесок затруднительно.
Цель диссертационной работы – разработка усовершенствованных методов механических расчетов контактных подвесок на основе статических конечноэлементных моделей, обеспечивающих повышение качества технических решений, сокращение времени проектирования и монтажа, а также улучшение качества регулировки.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
Проведение анализа существующих методов механических расчетов контактных подвесок, оценка их применимости для расчетов скоростных подвесок. Обоснование необходимости совершенствования существующих методов на основе конечноэлементных моделей.
-
Изучение особенностей применения метода конечных элементов (МКЭ) для статических расчетов контактных подвесок. Разработка последовательности расчета МКЭ с учетом выявленных особенностей.
-
Разработка конечноэлементных моделей контактных подвесок в двух вариантах: упрощенной модели, позволяющей отработать принципы применения МКЭ для расчетов подвесок, и модели, основанной на минимальном числе принимаемых допущений. Разработка алгоритмов для различных видов статических расчетов контактных подвесок на основе моделей. Программная реализация. Оценка адекватности моделей.
-
Исследование чувствительности статических характеристик контактных подвесок к изменениям конструктивных параметров, к точности установки монтажных параметров, а также к внешним воздействиям.
-
Оценка эффективности применения разработанных моделей на различных стадиях жизненного цикла контактной сети.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе математического моделирования методом конечных элементов. Для решения задач в нелинейной постановке применены методы последовательных приближений. Решение систем линейных алгебраических уравнений выполнено на основе метода, использующего разложение Холецкого.
Достоверность результатов, полученных теоретическими методами, оценивалась путем их сопоставления с данными натурных экспериментов, проведенных в 2006–2008 гг. на опытном участке Калашниково–Лихославль Октябрьской железной дороги.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана новая упрощенная двухмерная линейная модель контактной подвески, доступная для воспроизведения широким кругом специалистов, а также пространственная нелинейная модель, свободная от большинства допущений, принимаемых при расчетах по ранее разработанным методам. В частности, в нелинейной модели учтены изменения натяжений проводов в пределах анкерного участка контактной подвески, а также упругое растяжение проводов.
-
Разработаны алгоритмы для всех основных видов механических расчетов контактных подвесок на основе конечноэлементных моделей.
-
Установлены зависимости, определяющие чувствительность статических характеристик современных контактных подвесок к изменениям конструктивных и монтажных параметров и к внешним воздействиям.
Достоверность научных положений и результатов работы обоснована теоретически и подтверждена результатами натурных экспериментов. Усредненное расхождение результатов расчета эластичности контактной подвески и данных экспериментов составило 4,16% (5,28% для нерессорных подвесок и 3,04% для рессорных).
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
-
Разработанные методы механических расчетов позволяют выбирать наиболее рациональные параметры контактных подвесок, что может быть использовано при разработке и совершенствовании конструкций скоростных контактных сетей, в том числе для ВСМ.
-
Разработанные методы рекомендованы для применения при проектировании контактной сети. При этом обеспечивается повышение точности расчетов и сокращение трудозатрат. Расчет мерных струн на основе моделей позволяет выполнять информационное сопровождение монтажа.
-
Проведенное исследование чувствительности показателей качества регулировки контактных подвесок к изменениям монтажных параметров позволяет сократить время, затрачиваемое на высокоточную регулировку. Рекомендации, полученные в результате исследования, полезны для совершенствования технологии монтажа скоростных контактных подвесок.
-
Разработанные модели позволяют повысить эффективность обучения персонала проектных, монтажных и эксплуатирующих организаций.
Реализация результатов работы. Представленные в работе методы, модели, разработанное программное обеспечение и результаты расчетов использованы ЗАО «Универсал – контактные сети» при совершенствовании конструкций скоростных контактных подвесок, предназначенных для применения на перспективных направлениях железных дорог России. Результаты работы использованы при разработке новых типовых проектов, а также элементов технологии монтажа и регулировки контактной сети. Кроме того, модели применяются в целях обучения персонала.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы обсуждены на международных симпозиумах «Элтранс» 2003–2009 гг. в Санкт-Петербурге, заседаниях секции «Электрификация и электроснабжение» научно-технического совета ОАО «РЖД», а также на научно-технических семинарах кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС и кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПС.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одиннадцати печатных работах, включая шесть статей (две – в журналах, входящих в перечень, рекомендованных ВАК РФ), тезисы пяти докладов на международных и всероссийских научно-практических конференциях и симпозиумах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем диссертации составляет 187 страниц, включая 16 таблиц и 74 рисунка.
