Введение к работе
Актуальность исследований.
Одной из важнейших стратегических задач развития ОАО «РЖД» является рост эффективности и безопасности работы железнодорожного транспорта. Выполнение поставленных задач в немалой степени зависит от поддержания высоких эксплуатационных характеристик используемых технических объектов путем применения новых технологий в области диагностики технического состояния контролируемых элементов.
В ряду технических и экономических проблем электрических железных дорог одно из основных мест занимают проблемы обеспечения надежного и экономичного токосъема. Особая роль отводится разработке и применению высоконадежных и эффективных систем диагностики качества взаимодействия токоприемника ЭПС и контактного провода, позволяющих проводить оперативную диагностику нарушений токосъема на перегоне и осуществлять информационное обеспечение соответствующих служб и подразделений.
В настоящее время контроль нарушений токосъема на железнодорожной линии осуществляется специализированным вагоном-лабораторией. При этом имеют место относительно большие периоды времени между плановыми объездами участков (раз в квартал), в промежутках между которыми мониторинг практически не осуществляется. Кроме того, такой контроль привязан к токоприемнику одного локомотива, к которому прицеплен вагон. Такое положение не позволяет своевременно выявлять внезапно возникающие дефекты при осуществлении перевозочного процесса (отжиги, изгибы, вмятины, износ контактного провода, пропилы и сколы токосъемных накладок токоприемников), а также учитывать влияние на токосъем негативных климатических факторов (ветровые нагрузки, гололедно-изморозевые образования).
Для решения задачи постоянного контроля взаимодействия токоприемников ЭПС и контактной подвески по состоянию токосъема целесообразно использовать автоматизированные стационарные комплексы, расположенные вдоль трассы железной дороги, однако в настоящее время в нашей стране таких систем не существует. Основной проблемой при создании автоматизированных комплексов мониторинга токосъема является необходимость разработки бесконтактного метода обнаружения нарушений токосъема и методики достоверного выявления полезного сигнала на фоне различных помех. Представляется, что эта задача может быть решена путем анализа радиоизлучений при нарушениях токосъема с помощью аппарата математического моделирования.
Существующие модели токосъема, описанные в литературе, не в полной мере учитывают специфику электродуговых процессов для электрифицированной железнодорожной линии переменного тока. В свою очередь, экспериментальные результаты измерений позволяют получать лишь ограниченную информацию в связи с привязкой результатов к конкретным условиям исследований и невозможностью рассмотрения влияния всех сопутствующих факторов.
Для решения поставленной задачи представляется необходимой разработка математических моделей взаимодействия токоприемника ЭПС и контактного провода, выполненных с учетом особенностей токосъема на железной дороге и подтвержденных натурными экспериментами.
Результаты моделирования физических и электрических процессов при различных режимах токосъема с учетом варьирования влияющих факторов могут быть использованы для создания и выбора оптимальных характеристик радиоприемных устройств, входящих в состав разрабатываемой автоматизированной системы диагностики нарушения токосъема и являющихся одними из наиболее важных ее элементов, а также для совершенствования алгоритма функционирования комплекса в целом.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей электродуговых процессов при нормальном токосъеме ЭПС и его дуговом нарушении для выполнения задач построения стационарных радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема и выбора их технических характеристик с учетом общих принципов функционирования комплекса мониторинга.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
- выполнен анализ процессов дугообразования при нормальном (безотрывном) токосъеме и его нарушениях применительно к специфическим условиям электрифицированной железной дороги переменного тока;
- осуществлено создание и программная реализация аналитических и статистических моделей взаимодействия токоприемника электровоза и контактного провода при токосъеме при рассмотренных режимах и анализ результатов расчетов для выбора характеристик радиоприемных узлов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема;
- разработана математическая модель дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения EWB Multisim на ЭВМ с учетом особенностей электродуговых процессов на линиях переменного тока;
- проведен анализ результатов расчетов с использованием разработанных моделей и сравнение с данными экспериментальных исследований для определения адекватности моделей и достоверности полученных результатов;
- разработаны рекомендации по созданию и совершенствованию технических характеристик радиоприемного узла автоматизированной системы мониторинга токосъема по результатам моделирования.
Методика исследования. Основу диссертационной работы составляют теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором в период 2003-2007 гг. В работе использованы методики моделирования на ЭВM сложных электрических систем с применением аппарата линейной алгебры, теории функции многих переменных, численных методов решения систем нелинейных уравнений, систем дифференциальных уравнений, теории матриц.
Научная новизна работы заключается в создании специализированных математических моделей дугового токосъема, отличающихся от существующих учетом особенностей электродуговых процессов на контактной сети переменного тока. Разработанные модели позволяют провести количественную оценку радиоизлучений при нарушениях токосъема при изменении различных влияющих факторов.
Основными научными результатами являются:
- математическая модель нормального токосъема с использованием системы нелинейных уравнений для определения количественных характеристик электромагнитных излучений в данном режиме эксплуатации;
- аналитические и статистические модели для основных режимов нарушения токосъема, выполненные с помощью математического описания электромагнитных характеристик процессов, статистического анализа данных измерений на действующих участках и применения систем компьютерного моделирования;
- методика расчета электромагнитных излучений при нарушениях токосъема с использованием специализированных компьютерных средств моделирования работы участка электрифицированной железной дороги, учитывающая особенности электродуговых процессов при токосъеме на линиях переменного тока;
- рекомендации по выбору радиоприемных устройств средств технической диагностики, входящих в состав автоматизированного комплекса мониторинга токосъема, и определению параметров их функционирования.
Достоверность научных положений и выводов. Достоверность разработанных аналитических и статистических моделей подтверждена строгостью теоретического обоснования и сравнением полученных результатов моделирования с экспериментальными данными.
Практическая ценность работы. Созданы простые и достоверные средства моделирования различных режимов нарушения токосъема на участках переменного тока; разработаны рекомендации выбору параметров функционирования радиоприемных элементов автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись, обсуждались и были одобрены на:
- 4-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2003г.);
- 2-м международном симпозиуме Eltrans 2003 (Санкт-Петербург, 2003г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», (Ростов-на-Дону, 2005г.);
- 7-й международной конференции «Modern electric traction in integrated XXIst century Europe» (Варшава, Польша, 2005г.);
- 6-й международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006г.);
- 7-й международной научно-практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2006г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», (Ростов-на-Дону, 2007г.);
- 7-й международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2007г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 148 страниц основного текста, 8 таблиц, 74 рисунка, список использованных источников из 115 наименований и приложение на 10 страницах.
