Асимметричный токоприёмник с улучшенными динамическими показателями Ецков Тимофей Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Развитие железнодорожного машиностроения относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации (Указ Президента РФ № 899 от 07.07.2011 г., тема № 7). Одной из важных задач в железнодорожном машиностроении является обеспечение на железнодорожном электроподвижном составе надёжного и экономичного токосъёма, особенно при высоких скоростях движения у пассажирского подвижного состава.

Увеличение скоростей движения электроподвижного состава приводит к росту аэродинамического и динамического воздействия на токоприёмник электроподвижного состава (далее – ТП), являющийся тяговым электрическим аппаратом в соответствии с ГОСТ 19350-74 (термин 13), а увеличение мощности вновь разрабатываемого электроподвижного состава – к увеличению значений снимаемых токов. Это обуславливает снижение качества токосъёма: увеличивается износ контактирующих элементов и как следствие - усиливается загрязнение окружающей среды продуктами их износа; снижается надёжность работы системы токосъёма; возрастает аэродинамический шум; растут эксплуатационные расходы на обслуживание контактной сети и ТП. Поэтому задачи совершенствования методов расчёта ТП с улучшенными динамическими показателями (аэродинамической характеристикой, динамическим контактным нажатием полоза на контактный провод и др.) и разработки технических решений, позволяющих осуществлять съём допустимого длительного тока одним ТП при скорости движения 200 км/ч и более, являются актуальными.

Наиболее рациональное решение вышеуказанных задач возможно только с применением методов численного моделирования и современных вычислительных средств, следовательно – с использованием численных моделей. Применение численных моделей на этапе проектирования ТП позволяет получить ответы на целый ряд вопросов без создания макетного образца ТП и проведения дорогостоящих и длительных экспериментов.

Степень разработанности темы исследования. В России разработкой численных моделей ТП и контактных подвесок занимаются: АО «ВНИИЖТ», ОАО «ВЭлНИИ», АО «Универсал – контактные сети», РГУПС, ОмГУПС (ОмИИТ), УрГУПС и другие научные и производственные организации. За рубежом этим вопросом занимаются Production (совместно с Миланским политехническим институтом – PolIMi, Италия), Faiveley Transport Lekov (Франция, Чехия), Siemens/MElecS (Австрия), Schunk (Германия), Stemmann Technik/Wabtec (Германия, США), Brecknell Willis (Великобритания). Большое внимание уделяется исследованию аэродинамического воздействия на ТП и его взаимодействию с контактной сетью. При этом в численных моделях ТП зачастую представляется упрощённо, а исследованию внутренних процессов в нём уделяется недостаточно внимания. Поэтому численные модели и методы проектирования ТП нуждаются в совершенствовании.

Работы многих отечественных специалистов посвящены различным аспектам проектирования ТП с улучшенными динамическими показателями. Данные вопросы рассматриваются в работах И.А. Беляева, В.А. Вологина, П.Г. Тюрнина, Н.В. Мироноса, В.П. Михеева, Г.П. Маслова, А.В. Ефимова, А.В. Плакса, К.Г. Марквардта, Ю.Е. Купцова, О.А. Сидорова и других авторов. Исследования направлены на повышение экономич-

ности токосъёма, его надёжности и экологичности. Предлагаются методы совершенствования отдельных узлов высокоскоростных ТП. При этом, как правило, используются традиционные методы кинематических расчётов ТП с использованием численных моделей с малым числом степеней свободы (до трёх). Для регулирования аэродинамических характеристик ТП различные исследователи предлагают использовать аэродинамические компенсаторы (крылья). В большинстве исследований рассматривается взаимодействие ТП с контактной сетью. Научные работы, посвященные исследованию и сравнению кинематических схем ТП, практически не встречаются.

Объектом исследования является тяговый электрический аппарат – асимметричный ТП электроподвижного состава.

Предметом исследования являются электрические, механические и аэродинамические процессы в ТП электроподвижного состава при различной скорости движения и высоте подъёма ТП.

Целью диссертационной работы является разработка конструкции асимметричного ТП с улучшенными динамическими показателями путём его численного моделирования с учётом инерционных сил элементов кинематической схемы, сил реакций в шарнирах и аэродинамических сил, действующих на отдельные элементы ТП; совершенствование алгоритма проектирования ТП.

Задачи диссертационной работы:

1. выполнить анализ существующей классификации динамических показателей ТП;

2. разработать численную модель, предназначенную для расчёта электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП;

3. выполнить расчётно-теоретические исследования электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП и оценить влияние различных факторов (скорости движения, высоты подъёма ТП, размеров звеньев ТП) на основные характеристики ТП по ГОСТ 32204-2013 (статическое контактное нажатие, продольное отклонение центра полоза от вертикали, сумма вертикальной составляющей аэродинамической силы на поднятый ТП и активного нажатия);

4. разработать ТП с улучшенными динамическими показателями, выполнить необходимые экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности результатов расчётов, полученных по разработанным численным моделям;

5. на основе полученных данных предложить рекомендации по проектированию и испытаниям ТП, по модернизации серийных ТП.

Научная новизна полученных результатов:

1) разработана и обоснована комбинированная численная модель анализа протекающих в ТП физических процессов, отличающаяся от известных тем, что она на основе расчёта аэродинамических и механических полей, одновременного учёта влияния сил тяжести, моментов инерции и аэродинамических характеристик звеньев кинематической схемы, сил реакций и трения в шарнирах позволяет получить электрические и механические характеристики ТП, что значительно сокращает время проектирования ТП и количество необходимых опытных образцов (сходимость расчётных и экспериментальных данных 4,1 %);

2. получены оригинальные аэродинамические характеристики ТП, отличающиеся от известных тем, что при их расчёте учитывались как вертикальная, так и горизонтальная компоненты векторов аэродинамических сил, приложенных к подвижным элементам ТП, а сами аэродинамические силы определялись на сетках с общим числом конечных элементов более 79 млн. (0,5 млн. у существующих моделей). Это позволяет учесть увеличение механических усилий в шарнирах (до 52 % при скорости движения 200 км/ч) и избежать ошибок при выборе подшипников;

3. проведены анализ и исследование механических, аэродинамических и электрических процессов, протекающих в ТП, позволившие выработать рекомендации по выбору оптимальной кинематической схемы и конструктивному исполнению асимметричных высокоскоростных ТП, обеспечивающих высокие значения динамических показателей вновь создаваемых ТП;

4. предложен усовершенствованный алгоритм проектирования высокоскоростного ТП, отличающийся тем, что при выборе подшипников шарниров используются значения сил реакций в шарнирах, полученные с одновременным учётом сил тяжести и моментов инерции подвижных рам и аэродинамических сил, значительно повышающий достоверность результатов проектирования, что в конечном итоге снижает затраты на проектирование и сокращает его сроки.

Теоретическая значимость диссертационной работы:

1. разработанная численная модель позволяет расширить знания о механических, аэродинамических и электрических процессах в ТП электроподвижного состава вследствие повышения точности моделирования;

2. обоснована необходимость учёта влияния продольной и вертикальной компонент аэродинамических сил, действующих на отдельные элементы ТП (звенья кинематической схемы), на силы реакций и силы трения в шарнирах, а также на контактное нажатие и, следовательно, на переходное контактное сопротивление, при расчётах ТП с улучшенными динамическими показателями.

Практическая значимость диссертационной работы:

3. выработаны рекомендации по выбору кинематической схемы асимметричных ТП, который является первым этапом разработки ТП с улучшенными динамическими показателями;

4. разработаны предложения по модернизации конструкции существующих ТП с кулисным механизмом, которые могут быть использованы организациями, проектирующими ТП;

5. предложенная численная модель ТП позволяет частично автоматизировать процесс проектирования ТП; определять силы реакции в шарнирах в зависимости от размеров подвижных рам ТП, скорости подъёма/опускания и скорости движения с целью выбора рациональной конструкции шарнирных соединений; осуществлять предварительный подбор аэродинамических компенсаторов (крыльев) перед аэродинамическими испытаниями; определять переходное электрическое сопротивление и температуру в контакте «полоз ТП – контактный провод»;

6. усовершенствованный алгоритм проектирования ТП позволяет находить оптимальную конструкцию ТП (вид кинематической схемы, размеры её звеньев, тип подшипников в шарнирах, обеспечивающие наибольшую износостойкость);

5) результаты численного моделирования аэродинамических характеристик подвижных звеньев ТП (подвижных рам, кареток, полозов, аэродинамических крыльев), статического контактного нажатия, сил реакций в шарнирах рекомендуется использовать при проектировании, модернизации и испытаниях ТП.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы: системный подход, метод конечных элементов, метод перебора, метод физического моделирования, метод планирования эксперимента, алгебра матриц, аналитическая геометрия, положения теоретической механики, положения прикладной аэродинамики, теория пограничного слоя, численное моделирование на ПЭВМ с использованием программных комплексов «Универсальный механизм 7» и AnSys. Экспериментальные исследования проводились на опытных образцах ТП с использованием метода планирования эксперимента и подтверждены результатами испытаний на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская – Майкоп» (СКЖД) в 2015 г.

Положения, выносимые на защиту:

7. комплексная численная модель для расчёта электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП электроподвижного состава при различной скорости движения и высоте подъёма ТП;

8. результаты теоретического исследования и анализа электрических, механических и аэродинамических процессов в ТП;

9. усовершенствованный алгоритм проектирования ТП.

Степень достоверности полученных результатов. Степень достоверности результатов, защищаемых в настоящей работе, обуславливается использованием известных физических закономерностей и апробированных методик, а также подтверждается сходимостью с данными экспериментальных исследований опытных образцов ТП на стенде для проверки статической характеристики и на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская – Майкоп» (СКЖД).

Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты
диссертации докладывались, обсуждались на Всероссийской научно-

практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и ТП электрического транспорта» (г. Омск, 2011 г.); XXIII Международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (г. Ялта, 2013 г.).

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «ВЭлНИИ»:

10. при проектировании магистральных ТП тяжёлого типа ТАс 24-НЭВЗ 200 и лёгкого типа ЛАс 25-НЭВЗ 200 с конструкционной скоростью 200 км/ч. Получен патент на полезную модель ТП с механизмом аварийного опускания, клапаном предельной высоты и аэродинамическими крыльями;

11. при аэродинамических испытаниях опытных образцов вышеуказанных ТП на скоростном испытательном полигоне АО «ВНИИЖТ» «Белореченская – Майкоп» (Северо-Кавказская железная дорога (далее – СКЖД)) для предварительного подбора аэродинамических компенсаторов (крыльев).

ООО «ИНТЕЛПРО ТМХ» планирует использовать результаты диссертационной работы при проектировании высокоскоростных ТП, в т.ч. с конструкционной скоростью движения до 400 км/ч.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ (три без соавторов), в том числе: 11 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК (две без соавторов), один патент на полезную модель.

Личный вклад автора состоит в разработке численных моделей для расчёта аэродинамического воздействия на подвижные элементы ТП, выполнении с их помощью расчётов аэродинамических сил, анализе и обработке полученных результатов, разработке численной модели механической системы ТП для двух типов кинематических схем асимметричного типа, проведении с их помощью численных экспериментов, анализе полученных результатов, участии в разработке конструкторской документации опытных образцов ТП с конструкционной скоростью движения 200 км/ч, участии в стендовых испытаниях опытных образцов ТП, подготовке основных публикаций по выполненной работе. Предложенные автором технические решения реализованы в конструктивных решениях совместно со специалистами ОАО «ВЭлНИИ» Л.В. Бадиковой, Т.Ю. Волоховой, И.Л. Кострубиным, П.В. Поповым.

Соответствие паспорту научной специальности

Исследования, выполненные в диссертационной работе, соответствуют формуле и пунктам 1 и 5 паспорта специальности 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты:

формуле паспорта специальности, так как в диссертации рассматриваются вопросы «исследования по физическим и техническим принципам создания и совершенствования… электрических, контактных… аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии», «комплексные исследования научно-технических, производственных проблем проводятся с целью повышения энергетической эффективности, технологичности, экологической и эксплуатационной безопасности аппаратов»;

областям исследования паспорта специальности, в частности:

пункту 1: «Анализ и исследование физических явлений, лежащих в основе функционирования электрических, электромеханических преобразователей энергии и электрических аппаратов», поскольку в диссертации исследуются механические, аэродинамические и электромеханические процессы, лежащие в основе функционирования электрического аппарата – ТП;

пункту 5: «Разработка подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих проектирование, надёжность, контроль и диагностику функционирования электрических, электромеханических преобразователей и электрических аппаратов в процессе эксплуатации, в составе рабочих комплексов», поскольку в диссертации предложен улучшенный алгоритм проектирования ТП.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 174 наименований, восьми приложений. Общий объём работы 307 страниц, включая 121 страницу приложений, 247 иллюстраций и 20 таблиц.