Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ исследований системы контактная подвеска токоприемник при высоких скоростях движения электроподвижного состава 9
1.1. Анализ требований к токосъему с воздушной контактной сети 9
1.2. Обзор конструкций высокоскоростных контактных подвесок 13
1.3. Обзор конструкций токоприемников для высоких скоростей движения 20
1.4. Аэродинамические силы, действующие на токоприемник 23
1.5. Включение аэродинамического профиля в конструкцию токоприемника. Общие требования 28
1.6. Повышение надежности и безопасности токосъема с контактной подвески при высоких скоростях движения 32
1.7. Цель работы, задачи и методы исследования 34
1.8. Выводы по первой главе 36
2. Повышение надежности работы токоприемника при эксплуатации электроподвижного состава 38
2.1. Устройство дистанционной регистрации дефектов контактной подвески 38
2.2. Электроимпульсная магнитно-механическая система аварийного опускания токоприемника электровоза 46
2.3. Расчет параметров ЭИММС 50
2.4. Выводы по второй главе 58
3. Разработка методов описания вертикальных волн в контактной подвеске, взаимодействующей с рабочими токоприемниками э.п.с 60
3.1 Расчет изменения провеса и силы натяжения контактного провода при воздействии на него полоза токоприемника 60
3.2. Дисперсия вертикальных волн в контактном проводе 65
3.3. Главные колебания в системе токоприемник-контактная подвеска 72
3.4. Волны в контактном проводе 83
3.5. Модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской на основе уравнения Клейна-Гордона 88
3.6. Математическое моделирование нормальных колебаний Контактной подвески 96
3.7. Выводы по третьей главе 109
4. Регулирования контактного нажатия токоприемника с помощью аэродинамического профиля с отклоняющимися элементами 111
4.1. Аэродинамические профили ЦАГИ серии «В» составе несимметричного токоприемника ТП-250 111
4.2. Расчет аэродинамического профиля для симметричного токоприемника 116
4.3. Экспериментальное определение коэффициента подъемной силы симметричного профиля для токоприемника методом электроанологии 121
4.4. Выводы по четвертой главе 130
Заключени е 132
Список использованных источников 134
- Включение аэродинамического профиля в конструкцию токоприемника. Общие требования
- Электроимпульсная магнитно-механическая система аварийного опускания токоприемника электровоза
- Модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской на основе уравнения Клейна-Гордона
- Экспериментальное определение коэффициента подъемной силы симметричного профиля для токоприемника методом электроанологии
Введение к работе
До середины XX века на большинстве железных дорог нашей страны была разрешена скорость не выше 70 км/ч. В этих условиях взаимодействие токоприемника и контактной подвески вполне адекватно описывалось уравнениями статики. В 50х годах на отечественных железных дорогах появились электровозы ЧС1, ЧС2, ЧСЗ и электропоезда ЭР1 с максимально-допустимой скоростью 120...160 км/ч. Для описания работы токоприемника и контактной подвески пришлось использовать уравнение колебательной системы с одной степенью свободы.
Дальнейшее повышение скоростей движения до 200 км/ч и выше на отечественных и зарубежных железных дорогах потребовало рассмотрения волновых колебаний контактно подвески при взаимодействии ее с движущимся токоприемником, т.е. перехода к системе с бесконечно большим числом степеней свободы.
Однако, ввиду сложности конструкции контактной подвески ее колебания не могут быть адекватно описаны классическим волновым уравнением. Применение метода конечных элементов позволяет решать конкретные численные задачи но не дает возможности найти уравнения, описывающие физические процессы в исследуемой системе.
Проблема развития высокоскоростного транспорта носит общенациональный характер. Ее решение позволило бы существенно улучшить ситуацию с организацией перевозок пассажиров на основных направлениях сети железных дорог, обеспечить увеличение пассажирооборота, сократить потребность в подвижном составе и в результате поднять престиж отечественных железных дорог и государства в международном аспекте.
Достижение скоростей движения 300 км/ч и выше является актуальной задачей для российских железных дорог. До сих пор предельные скорости движения электроподвижного состава (э.п.с.) на железных дорогах России не превосходят 200 км/ч. Как показывает опыт Японии, Франции, Германии и других стран, электропоезда, способные развить скорости 250...350 км/ч, экономически
выгодны и на расстояниях порядка 1000 км успешно конкурируют с автомобильным транспортом и авиацией. Кроме того, железнодорожные перевозки отличаются большей безопасностью по сравнению с другими видами транспорта и меньшим воздействием на окружающую среду.
Создание высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург - Москва является в настоящее время первоочередной задачей. В связи с этим Российское Акционерное Общество «Высокоскоростные магистрали» (РАО «ВСМ») осуществило проектирование новой пассажирской магистрали Санкт-Петербург - Москва для движения электропоездов со скоростью до 300 км/ч, электрифицированной на переменном токе 25 кВ, 50 Гц. Правительство РФ 15.06.94г. издало Постановление №671 «О финансировании высокоскоростной магистрали Санкт-Петербург-Москва» переменного тока. О необходимости разработки контактной сети и токоприемников для ВСМ свидетельствует включение этих вопросов в Федеральную программу «Транспорт России» ГПТР.ТТ.03.002.00 PAT.
На увеличение скоростей движения э.п.с. направлена «Программа разработки контактной сети постоянного тока типа КС-200», утвержденная 17.08.95 г. начальником ЦЭ МПС РФ. В период до 2010г. планируется увеличение скоростей движения на участках Санкт-Петербург-Москва, Москва - Брест, Москва -Нижний Новгород и др. на протяжении около 6,7 тыс.км, причем основой проектов являются разработки, связанные с расчетом сети КС-200.
Для решения поставленных задач необходимо, прежде всего, обеспечить повышение качества и эффективности токосъема с контактной сети при высоких скоростях движения э.п.с.
Актуальность темы обусловлена тем, что увеличение скорости электроподвижного состава (э.п.с.) до 200...350 км/час, как показывает отечественный и зарубежный опыт, значительно ухудшает динамические условия взаимодействия токоприемника с контактной подвеской и, кроме того, снижает безопасность эксплуатации э.п.с. Нестабильное нажатие токоприемника приводит к быстрому износу полоза и контактного провода. Столкновение токоприемника с дефектами подвески ведут не только к его разрушению, но и к обрыву контактного провода, что является серьезным транспортным про-
исшествием, вызывающим длительный выход из строя целого участка контактной сети.
Обеспечение стабильного токосъема с минимальным числом повреждений контактной сети является не только технической но и актуальной экономической задачей, решение которой дает значительную экономию в результате:
Повышения скоростей электрического подвижного состава;
Увеличения срока службы контактных проводов и токоприемников;
Предотвращения ущерба, связанного с повреждением контактной сети и токоприемников.
Анализ особенностей токосъема при высоких скоростях движения показывает, что повышение надежности эксплуатации электропоездов и качества токосъема требуют:
Дистанционного обнаружения дефектов контактной сети за время не меньшее чем 1 сек до возможного столкновения с ними полоза токоприемника и экстренного опускания токоприемников или, в крайнем случае, снятия их продольной жесткости;
Стабилизации контактного нажатия с учетом переменных по величине и направлению аэродинамических сил, действующих на токоприемник.
Целью работы является исследование проблем повышения качества и надежности токосъема с контактной сети при высоких скоростях э.п.с. и выработка рекомендаций по техническим решениям выполнения этой задачи, которая подразумевает:
Повышение безопасности и безаварийности токосъема при высоких скоростях движения э.п.с;
Обеспечение надежного контакта токоприемника э.п.с. с контактным проводом за счет стабилизации величины нажатия при высоких скоростях движения, в том числе и в области резонансных частот.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Усовершенствован метод расчета волновых процессов в контактной подвеске и условий возникновения резонансных эффектов в системе токоприемник -контактная подвеска;
На основании анализа спектров колебаний контактного провода сделана оценка групповой скорости распространения вертикальных волн;
Предложен новый метод описания вертикальных волн в контактной подвеске, основанный на уравнении Клейна-Гордона.
Рассчитаны частоты и коэффициенты распределения главных колебаний полоза и рам токоприемника. По полученным значениям определены характеристики волнового пакета, распространяющегося по контактной подвеске.
Практическая значимость работы:
Предложены устройство дистанционного обнаружения дефектов контактной подвески и электроимпульсная магнитно-механическая система аварийного опускания или снятия продольной жесткости токоприемника.
Предложено устройство активного регулирования контактного нажатия полоза токоприемника, выполненное в виде специального аэродинамического профиля с отклоняющимися элементами, форма которого учитывает возможность движения как в прямом так и обратном направлениях.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы аналитические методы и математическое моделирование колебаний контактной подвески, которое проводилось с помощью компьютерных программ MATLAB и ANSYS 5.6. Гармонический анализ волн в контактном проводе выполнялся путем разложения рассматриваемых функций в ряды Фурье. Коэффициенты подъемной силы аэродинамического профиля определялись методом электроаналогии. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях и симпозиумах: Eltrans 2003 «Электрификация и развитие железнодорожного транспорта России. Традиции, современность, перспективы». «Подвижной состав XXI века (Идеи, требования, проекты)» (ПГУПС, 2003), на восьмой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых специа-
листов (С-Пб.2003). На объединенном заседании кафедр: «Вагоны и вагонное хозяйство», «Физика» и «Электрическая тяга» ПГУПС.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 4 главы и заключение. Материал изложен на 101 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 52 рисунка. Список использованных источников содержит 119 наименований.
Включение аэродинамического профиля в конструкцию токоприемника. Общие требования
Конструктивно наиболее распространенны одно- и двухступенчатые токоприемники которые разделяются на однорычажные (асимметричные), двухрычажные и четырехрычажные - по числу рычагов на нижних валах подвижных рам. Из них высокоскоростными являются двухступенчатые и малогабаритные одноступенчатые токоприемники. Пригодность к высокоскоростному диапазону определяется приведенной массой тт таких систем, что обусловливает малую величину динамической составляющей контактного нажатия (1.1.4), способствуя общей стабилизации контакта [24]. Высокоскоростные токоприемники отличаются также строго определенной аэродинамической характеристикой, позволяющей компенсировать отрицательные инерционные силы и наличием демпферов. Наиболее часто демпферы устанавливают между основанием и нижними подвижными рамами (как, например, в итальянском токоприемнике 52FS), чем обеспечивается плавность траектории верхнего шарнира подвижных рам. Демпферы, установленные между подвижными рамами и полозом (в немецком токоприемнике DBS 54) предназначены для предотвращения резонансных колебаний в процессе токосъема.
Высокоскоростные одноступенчатые токоприемники применяются для контактных сетей с практически постоянной высотой подвеса контактного провода [25]. Двухступенчатые токоприемники разработаны для электрифицированных дорог со значительным диапазоном изменения высоты подвеса контактного провода. Приведенная масса таких токоприемников практически зависит только от массы полоза и приведенной массы верхней подвижной системы, как, например, у авторегулируемого токоприемника ТСп-1М [26], на скоростном поезде ЭР-200. При формулировке требований к параметрам токоприемника необходимо учитывать характеристики контактной подвески. Так, исследования токосъема на линии Санкт-Петербург-Москва показали, что на участках, ооорудованных полукомпенсированной контактной подвеской постоянного тока, где предусматривается движение со скоростями 200 км/ч, приведенная масса токоприемника не должна превышать 26 кг. На участках с компенсированной подвеской соответствующее значение составляет 36 кг (при условии одновременной работы нескольких токоприемников поезда в обоих случаях) [27].
Токоприемники ТСп-1М и СП-6М имеют две подвижные системы. [28]. Масса верхней подвижной системы ТСп-1М составляет 9,5 кг, масса полоза 13,9 кг, полоз токоприемника имеет значительную ширину (440 мм) для его устойчивости при высокой скорости движения. Токоприемник СП-6М отличается от ТСп-1М, габаритами, отсутствием подвижного основания и креплением гидравлических демпферов. Основные параметры этих и некоторых других токоприемников приведены в табл. 1.3.1.
Российский электропоезд «Сокол», имеющий конструкционную скорость 250 км/ч, оборудован токоприемником ТП-250 [43], рассчитанным на тяговую сеть переменного тока 25кВ. Токоприемник выполнен по схеме асимметричного полупантографа 2810x2260x550 мм, что обеспечивает приближенную вертикальность хода верхнего узла. Для повышения скоростей движения необходимы дополнительные меры, обеспечивающие стабильность электрического контакта полоз - контактный провод [59]. Перспективным направлением решения этой задачи является разработка токоприемников с активным регулированием подвижной системы. Так, при модернизации токоприемника типа DSA 350S, использован типовой пропорционально- интегральный контур с обратной связью по силе нажатия с установкой в цепи обратной связи фильтра резонансного типа с частотой пропускания около 2 Гц [29].
В применяемых на Японских железных дорогах токоприемниках имеется активное демпфирование колебаний с помощью быстродействующего гидравлического привода. Испытания на скоростях до 350 км/ч с номинальным нажатием 210 Н показали, что при вертикальных колебаниях с частотой 0,1...40 Гц динамические усилия на контакте с проводом снижены благодаря демпфированию на 40% [30]. В [31] отмечается существенное улучшение амплитудно-частотных характеристик системы в диапазоне 0,01...100 Гц. Соответствующие испытания выполнялись на поезде и на динамическом стенде при номинальном нажатии на контактный провод 70 Н.
Устройства, стабилизирующие контактное нажатие, существенно уменьшают износ контактных пластин и контактного провода [32].
Для расчета токоприемника, взаимодействующего с контактной подвеской часто применяют эквивалентные схемы замещения, включающие приведенные массы полоза и рам токоприемника, а также самой контактной подвески, кроме того вводятся обобщенные коэффициенты жесткости подъемных и опускающих пружин и подвески. Вводятся демфирующиее элементы и гасители колебаний. На рис. 1.3.1 показаны эквивалентные схемы не подресоренного (рис.1.3.1а) и подресоренного (рис.1.3.16) токоприемников, имеющих взаимодействия с контактной подвеской.
Большое значение для современных высокоскоростных токоприемников имеет аэродинамическое воздействие на токоприемник встречного потока воздуха. При высоких скоростях движения э.п.с. 250 км/ч встречный поток воздуха заметно увеличивает подъемную силу и силу лобового сопротивления. При этом изменяется по величине и знаку контактное нажатие токоприемника возбуждающие колебания контактной подвески.
Поэтому при разработке высокоскоростных токоприемников стремятся к устранению влияния аэродинамического фактора.
Исследования контактного нажатия токоприемников ТСп-1М и Сп-бМ показали, что для удовлетворительного токосъема при скоростях 200 км/ч целесообразно уменьшить аэродинамическую подъемную силу Fy до значений 70...80 Н при среднем статическом нажатии около 100 Н. Достижение необходимых величин Fy потребовало установки под углом 45 к горизонтали специального экрана с площадью 170...200 см под полозом токоприемника, уменьшающего подъемную силу на 18...25 Н [25].
Электроимпульсная магнитно-механическая система аварийного опускания токоприемника электровоза
Для обнаружения дефекта контактной подвески предлагается установить на электровозе два излучателя с двумя парами параболических антенн А\ , В\ и А2, В2 и два приемника Р\ и Р2. Антенны имеют малый диаметр 8... 10 см и направлены под разными встречными углами у к оси х совпадающей с направлением пути: для антенн А\ и А2 у - 2. для антенн В\ и В2 у = 6.
При скорости движения 200 км/ч излучение осуществляется через антенны Лі и А2, а при скорости меньшей 80 км/ч через антенны В і и В2. Приемник Р\ находится под излучателем А\, а приемник Р2 под излучателем В2, как показано на рис.2.1.3. Расстояние между блоками приемник-излучатель составляет =3 м, что определяется габаритами электровоза.
Для рассматриваемого устройства необходимы антенны, имеющие сектор диаграммы направленности П 1,5...1,7 град. Такие устройства широко применяются в радиорелейной связи на ж.д. транспорте начиная с немецких систем «Olympic» введенных еще в 80х годах [57]. Установка излучающих антенн под встречными углами у ведет к образованию зоны перекрытия радиолучей показанной на рис.2.1.3, ее можно характеризовать двумя размерами D[ и D2. Эта зона должна быть локализована именно над полотном дороги, по которой движется э.п.с. и иметь характерный размер D 2,5...3,5 м, что определяется габаритом ж.д. пути.
Излучатель А і испускает электромагнитные волны с частотой со\, а излучатель Аг - с частотой сог . Волны одновременно отражаются от дефекта контактной подвески только когда он оказывается в зоне перекрытия лучей, что и регистрируется локатором. От всех других предметов, оказывающихся вне зоны одновременное отражение электромагнитных волн той и другой частот невозможно. Таким образом, осуществляется защита от сигналов, отраженных посторонними предметами, не являющихся дефектами контактной подвески. В области зоны перекрытия лучей остается контактный провод, сигнал, отраженный от него также должен быть исключен. сящий на контактном проводе. Показан также ход отраженных от этих предметов лучей, построенных на основании законов геометрической оптики.
Из рис.2.1.4а видно, что угол падения луча на контактный провод близок /?=90 и отраженный луч на приемники не попадает. Луч, отраженный от фиксатора в рабочем положении рис.2.1.46 отражается вверх, но может попасть на приемники, но при этом его интенсивность мала, так как фиксатор в большей своей части находится вне зоны перекрытия лучей. Угол падения луча на фиксатор, висящий на контактном проводе рис.2.1.4в близок к /М). Отраженный луч падает на приемники и имеет наибольшую интенсивность.
Дефект контактной подвески, попадая в зону перекрытия лучей, играет роль двух источников излучения Si и 52, рассмотренных выше. Используя формулы (2.1.12) легко получить, что при 10 3м Д.9 = 0,003...0,0003. Под этими углами расхождения дефект обнаруживается на расстоянии /-0=70...100 м.
При скорости э.п.с. =210...250 (59 ...70 м/с) зона перекрытия лучей образуется на расстоянии г0=70...100м от электровоза. При скорости э.п.с. К 80 км/ч (22 м/с) излучение производится через антенны В\ и Вг располо-женные ниже антенн А\ и Аг. В этом случае зона перекрытия лучей формируется на расстоянии го= 40 м от электровоза.
В том и другом случае поезд проходит, отмеченные расстояния за т= 1,5...2 сек. Дефект обнаруживается за это время до столкновения указанное время до столкновения с ним полоза токоприемника.
На кривых участках пути генераторы электромагнитных волн переключаются с антенн А\, Аг на антенны В\ и #2- Известно, что радиус кривизны железнодорожного пути на поворотах не должен быть меньшем і?=250м, а скорость прохождения электропоездом этого участка не должна превышать Г=80 км/ч(22,2 м/с). Приближение зоны перекрытия лучей до го=40 м обеспечивает ее положение над полотном железной дороги.
Если столкновения токоприемника с дефектом подвески нельзя избежать, то можно свести к минимуму ущерб от него - сохранить в рабочем состоянии подвеску и без затрат восстановить токоприемник. Для этого необходимо, чтобы в момент столкновения он не обладал продольной жесткостью.
Экстренное аварийное опускание или устранение продольной жесткости токоприемников э.п.с. может быть осуществлено электроимпульсной магнитно - механической системой (ЭИММС), которые применяются в авиации для удаления льда с крыльев самолетов [50], а также в устройствах магнитно-импульсной обработки металлов [63,65,69].
ЭИММС может быть реализована двумя способами, основанными на магнитном взаимодействии мощных (сотни ампер) импульсных токов. При первом способе токи протекают по двум коротким соленоидам, находящимся на малом расстоянии друг от друга. При втором ток протекает только через один соленоид, расположенный рядом с подвижным металлическим штырем, обеспечивающим соединение элементов конструкции токоприемника. Импульс тока в соленоиде создает магнитное поле, которое наводит в штыре вихревые токи, взаимодействующие с током в соленоиде, что вызывает перемещение штыря. ЭИММС производит, например, отсоединение подъемных пружин от нижних рам токоприемника, открытие запорного вентиля пневматического цилиндра и др. Соленоиды, по которым пропускается импульс тока, называются индукторами, а подвижные штыри, в которых наводятся вихревые токи - ин-денторами [63,65]. Подбирая необходимую длительность, амплитуду и крутизну фронтов импульса можно обеспечить большую силу, действующую на индентор магнитного взаимодействия токов.
Индуктора ЭИММС должны иметь малую массу, габариты и электрическое сопротивление, что обеспечивается небольшим числом витков (/V— 100) изолированного провода. Витки жестко зафиксированы в обечайке или залиты в полиэтилен. Индуктора устанавливаться в необходимом количестве на различных элементах токоприемника без существенного изменения его приведенной массы. Их можно задействовать одновременно или посекционно в зависимости от поставленной задачи.
Модель взаимодействия токоприемника с контактной подвеской на основе уравнения Клейна-Гордона
Профили ЦАГИ серии «В» были разработаны в 30е годы и используются по настоящее время. Они применялись в качестве конструкций крыльев и оперения самолетов второй мировой войны, имеющих крейсерскую скорость 400...500 км/час, у которых винт (пропеллер) помещался перед крылом, благодаря чему оно обтекалось сильно турбулизированным потоком воздуха. Токоприемник также обтекается турбулентным потоком. Кинематическая схема управления, элеронами и закрылком у этих крыльев отличались простотой изготовления и низкой стоимостью.
Профили ЦАГИ серии «В» имеют только простой закрылок. Этот профиль описывается уравнением вида: где х и у - координаты точек профиля, выраженные в долях хорды (начало координат расположено в хвостике профиля, знак (+) относится к верхнему контуру, знак (-) к нижнему контуру профиля.
Для токоприемника 17РР рассматривался профиль с площадью S„=0,3M , размахом /я-1м, длинной хорды Ъ = 0,3, закрылок которого имеет длину, равную размаху и ширину 63= 0,256=0,075м. На рис. 4.1.1а показаны кривые зависимости аэродинамического коэф фициента подъемной силы Су от угла атаки а для тонкого и среднего профи ля ЦАГИ, на рис.4.1.1 б зависимости коэффициента момента Ст от коэффи циента подъемной силы Су. С их помощью можно оценить величину подъем ной силы Ру действующую на профиль заданной площади S„. На рис. 4.1.2 представлены расчетные зависимости от скорости Сдвижения э.п.с. аэродинамических сил действующих на полоз токоприемника и на аэродинамический профиль с длиной хорды Ь= 0,3 м и размахом /л=1м, а также результирующая этих двух сил, при условии, что полоз токоприемника и аэродинамический профиль имеют одинаковый угол атаки. Рассматривались варианты тонкого и среднего профилей, при с неотклоненным закрылком углах атаки а=1 и а=3. Вдоль оси ординат рис.6 отложены модули аэродинамических сил, кривая Fno.-un - характеризует подъемную силу, действующую на полоз, кривая рЄзульт - на профиль, кривая Fpc3y T - результирующую первых двух сил. При установке аэродинамического профиля выпуклой стороной вниз направление силы РА меняется на противоположное и кривая 2 будет направлена вниз. Из рис.4.1.2 видно, что модули сил FA и РА меняются со скоростью в близкой зависимости, так что результирующая этих сил сравнительно мала. При углах атаки а=1 уже положительной, при углах атаки ct=3 AF становится отрицательной. Отсюда с очевидностью следует вывод, что оптимальным установочным углом атаки рассматриваемого аэродинамического профиля является а=2...2,5. На рис.4.1.3а,б представлены результаты расчетов зависимости результирующей силы AF от скорости V для углов атаки с а=1, а=2, а=3 для тонкого среднего профилей ЦАГИ. Как видно из рис. 4.1.3 а,б (сила ДРдаже при очень больших скоростях V=\ 10 м/с не превышает 70 Н. Анализ данных, представленных нарис. 4.1.3 показывает, что тонкий и средний профиль практически одинаково компенсируют подъемную силу, действующую на полоз, но тонкий профиль создает меньшую силу лобового сопротивления Рк. Отсюда следует, что тонкий профиль с =8% и средний с =12% несимметричный профиль ЦАГИ серии «В» с относительной толщиной указанными размерами по хорде и размаху оптимален для включения в конструкцию асимметричного полупантографа ТП-250. В работе [25] отмечается, необходимость, чтобы «аэродинамическое воздействие на рабочий токоприемник встречного воздушного потока при максимальной скорости движения не должно вызывать увеличения нажатия по сравнению со средним статическим более чем в 1,8 раза». Как видно, профиль ЦАГИ серии «В» обеспечивает выполнение этого условия полностью до скоростей электровоза при V=\ 10 м/с (369 км/ч). Однако, воздействие аэродинамической силы на полоз токоприемника может быть сведено практически к нулю. Для обеспечения этого подразумевается использовать закрылок на аэродинамическом профиле. На рис.4.1.4 показана экспериментальная зависимость аэродинамического коэффициента подъемной силы Су от угла отклонения 9 закрылка на профиле ЦАГИ серии «В», которая была получена в модельных опытах на аэродинамической трубе опубликованные в работе [89]. По оси абсцисс отложены значения угла атака а профиля, по оси ординат значения коэффициента Су. Угол отклонения 9 закрылка фигурирует в качестве параметра. Из рис.4.1.4 видно, что при углах атаки а 10 отклонение закрылка вызывает изменение коэффициента подъемной силы Су пропорционально углу отклонения 9 по величине и знаку. Так при а=0 отклонение закрылка на угол 9=+10 увеличивает коэффициент подъемной силы от Су =0,2 до Су = 0,35, а при отклонении закрылка в другую сторону уменьшает этот коэффициент от Су =0,2 до Су=0. Соответственно при Г=100 м/с изменяется и подъемная сила профиля от РУ=740Н до =0. Таким образом, движение закрылка может отслеживать изменение контактного нажатия, обеспечивая его стабильность. Видно, что с ростом относительной толщины профиля зависимость коэффициента Су от угла атаки снижается, чем обуславливаются преимущества более тонкого профиля, если стоит задача уменьшения приведенной массы токоприемника. Угол атаки а может быть задан изначально, как установочный, фиксированный для данного интервала скоростей. Если угол атаки подразумевается неизменным, близким к нулю, предпочтительным является более толстый профиль.
Экспериментальное определение коэффициента подъемной силы симметричного профиля для токоприемника методом электроанологии
При электромоделировании определяют как эквипотенциальные лини, так и линии тока. Эти эксперименты называются соответственно аналогией «А» и аналогией «В» [106].
Аналогия «А» используется при моделировании безциркуляционного, а аналогия «В» при чисто циркуляционном обтекании профиля. В действительности имеет место наложение друг на друга циркуляционного и поступательного течения воздуха. Потенциалы скорости и функция тока определяются при этом соответственно выражениями: где индекс «1» относится к циркуляционному, а индекс «2» к поступательному течению. Этим функциям соответствует значения электрического потенциала р = Р\+(р2 и функции тока \і/ = ц/х+ц/2.
На рис.4.2.3 показана принципиальная схема установки для моделирования линий тока при циркуляционном обтекании профиля (аналогия «В»). На листе электропроводящей бумаге с помощью электропроводящей пасты наклеивается под заданным углом атаки а изготовленная из медной фольги модель профиля. Шины-зажимы подсоединяются и к электропроводящей бумаге, и к модели профиля как показано на рис.4.2.3. филя циркуляционно-поступательным потокам. При этом необходимо чтобы электрическое поле моделировало условие обтекания профиля таким воздушным потоком при котором задняя кромка профиля С является точкой плавного схода струй. С этой целью подбирают напряжение на модели контура, при котором одна из линий тока у/к совпадала с контуром именно в точке С.
Методика измерений сводится к следующему. Сначала производится моделирование по аналоги «В», а затем по аналогии «А». Заданными условиями являются форма профиля, угол атаки а и скорость набегающего потока V . В результате эксперимента определяется геометрическая картина обтекания в виде семейства линий тока и эквипотенциальных кривых по которым находится распределение скоростей (давлений) в возмущенной области течения, включая контур профиля и вычисляется коэффициент подъемной СИЛЫ Су.
Собирается схема, показанная на рис.4.3.2 и на шины-зажимы 4 подается питающее напряжение цл=1 и уг=0, а к фольге подводится напряжение yv С помощью измерительной иглы, соединенной с нуль-гальванометром строят линю cd с таким же потенциалом у/Кч которая сходит с профиля в точке С. Аналогично строится участок ab той же линии тока. Затем, задавшись шагом Ац/К = ±(0,05...0,l)//K по обе стороны от линии abed строятся семейство линий тока ц/ - const. При эксперименте по аналогии «А» контур профиля вырезается из листа электропроводящей бумаги, а шины - зажимы устанавливаются по схеме, показанной на рис. 4.3.1.
При этом надо учесть следующее обстоятельство. Известно, что в задачах обтекания с циркуляцией потенциал скорости у/г не является однозначной функцией, а при каждом новом обходе контура его значения отличаются на величину циркуляции. Поэтому при электромоделировании помимо обычного обращения задачи необходимо двух связанную область (контур электропроводящего листа и контур профиля) перевести в одно-связанную. Для этого, используя найденные линии тока строят ортогональную кривую, начинающуюся на контуре и являющуюся эквипотенциальной линией. Затем по ней производится разрез к краям которого крепятся полосовые шины I, II соединенные друг с другом реостатом R. Реостат R обеспечивает изменение разности потенциалов уг не является однозначной функцией, а при каждом новом обходе контура его значения отличаются на величину циркуляции. Поэтому при электромоделировании помимо обычного обращения задачи необходимо двух связанную область (контур электропроводящего листа и контур профиля) перевести в одно-связанную. Для этого, используя найденные линии тока строят ортогональную кривую, начинающуюся на контуре и являющуюся эквипотенциальной линией. Затем по ней производится разрез, к краям которого крепятся полосовые шины I, II соединенные друг с другом реостатом R. В полученной области потенциал скорости фг является однозначной функцией. Реостат R обеспечивает изменение разности потенциалов щ и ри по «берегам разреза». Движком реостата R добиваются, чтобы точка разветвления эквипотенциальной линии теп (рис.4.3.2а) совпала с задней кромкой профиля.
Аэродинамический коэффициент подъемной силы определяется по формуле где Ь - хорда модели; Дх - разность электрических потенциалов вдоль отрезка силовой линии, моделирующей линию тока набегающего потока.
С помощью иглы восстанавливают эквипотенциальную линию теп. Затем, задавшись шагом Ду/ = ±(0,05...0,1)// , строят остальные эквипотенци альные линии. В качестве примера на рис. 4.3.3 представлена картина распределения эквипотенциальных линий и линий тока, полученных при модельном иссле довании обтекания профиля серии «В» ЦАГИ, форма которого показана на рис. 4.1.16. Профиль устанавливался при угле атаки а=35. Длина хорды модели профиля, выполненной из медной фольги, равнялась Ь = 167мм, а толщина профиля Д =20 мм (относительная толщина Д = а/Ь - 0,12). В соответствии с размерами модели прямоугольный лист электропроводной бумаги имел размеры 300x500мм. Модель была наклеена электропроводным пастой в середине листа под углом а=35 к продольной оси. Шины-зажимы, установленные вдоль продольных сторон листа, соединялись с источником напряжения 28 вольт, которое принималось за 100%. На контур профиля, подавалось напряжение ц/к=70,\%, при котором линия тока о/сходила с точки задней кромки. При этом точки линии тока с потенциалом цг=Уь находились с помощью измерительной иглы и гальванометра. Аналогично строилась другая ветвь ab линии тока с іу=у/к= =70,1%.
Затем для принятого значения Ду/ = -1% были построены линии тока с электрическими потенциалами, значения которых изменялись от 69 до 60%. При этом, измерительной иглой на бумаге отыскивались точки с соответствующим потенциалом, величина которого регистрировалась по гальванометру. Построение каждой линии начиналось от одной из боковых кромок. Таким же образом были определены линии тока для выбранных у/ от 50 до 10% (с интервалом в 10%).
