Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях устойчивая работа Российских железных дорог является одним из решающих факторов успешной реализации курса развития нашей страны на интенсификацию производственно-экономического потенциала и её интеграцию в международное пространство. Основные задачи и положения ОАО «РЖД» в этом направлении на период до 2030 г. сформулированы в программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года».
К 2030 г. предстоит увеличить грузооборот почти в 1,7 раза, пассажирооборот – в 1,3 раза с доведением качества перевозок до мирового уровня. Должны быть существенно повышены скорости движения пассажирских поездов и скорость доставки грузов, снижен удельный расход электроэнергии на тягу поездов на 15 %. Существенно должен быть повышен уровень безопасности движения поездов.
Реализовать поставленные масштабные цели возможно только на основе инновационного развития железнодорожного транспорта. В рамках «Стратегии 2030» одним из важных направлений является совершенствование системы тягового электроснабжения (СТЭ) за счет повышения технического уровня и надежности работы.
Контактная сеть – наиболее уязвимый объект в СТЭ, так как она практически не имеет резерва. Поэтому необходимо стремиться к более высокой надежности каждого элемента подвески в условиях эксплуатации. Несмотря на принимаемые организационные и технические меры по обеспечению стабильной работы КС, повреждаемость ее не снижается.
Важными компонентами контактной подвески являются места соединения проводов – токопроводящие зажимы. Более 95 % соединений проводов на железных дорогах РФ осуществляется плашечно-болтовыми зажимами. По степени риска отказов соединительная арматура занимает одно из самых высоких мест после контактного провода. К тому же причинами обрывов самих проводов контактной подвески, а в особенности несущих тросов, питающих или усиливающих фидеров в ряде случаев являются перегревы
установленных на них токопроводящих зажимов из-за недостаточной площади контакта. Другой возможной причиной отказа может быть плохое качество изготовления соединительной арматуры. Избежать этого можно с помощью входного контроля, который до настоящего времени осуществляется визуально. При этом возможно выявление лишь дефектов, расположенных на поверхности зажима, а скрытые дефекты, например структуры, не выявляются. Наличие подобных дефектов в процессе эксплуатации может привести к разрушению зажима. Таким образом, повышение надежности болтовых электрических соединений контактной сети является одной из важнейших задач в повышении эффективности работы СТЭ.
Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности токопроводящих зажимов путем совершенствования контактных поверхностей и создания методов неразрушающего входного контроля.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Разработать теоретическую и экспериментальную методики исследования характеристик зажимов, базирующихся на математическом и физическом моделировании их работы.
2. Предложить на основе проведенных исследований способы улучшения электрических свойств зажимов контактной сети за счет применения токопроводящих покрытий.
3. Создать устройство входного контроля качества изготовления зажимов акустическим способом.
4. Оценить экономическую эффективность предложенных технических решений.
Методика исследований. Поставленная цель в работе достигается путем комплексных аналитических и экспериментальных исследований.
Моделирование тепловых процессов в соединительных узлах подвески произведено с использованием программного обеспечения SolidWorks методом фиктивных областей. Численные расчеты выполнены в программной среде Mathcad, Maple.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель нагрева болтовых зажимов, учитывающая функциональную зависимость между формой теплопередающей поверхности и коэффициентом теплоотдачи плашек зажима.
2. Предложено для снижения и стабилизации значения переходного электросопротивления нанесение серебряно-цинкового покрытия на контактные поверхности токоведущих зажимов методом электроискрового легирования.
3. Разработана методика входного неразрушающего контроля внутренней структуры зажимов, основанная на методе свободных колебаний, и реализованная в устройстве с автоматизацией обработки результата.
Личный вклад автора состоит в проведении анализа функционирования токопроводящих зажимов контактной сети с последующим формированием задач теоретических и экспериментальных исследований; разработке математической модели тепловых процессов, протекающих в болтовых соединениях, систематизации и анализе результатов исследования; разработке предложений по улучшению свойств зажимов применением токопроводящих покрытий и создании методики входного неразрушающего контроля.
Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями. Измерения проводились поверенной аппаратурой и приборами контроля с учетом погрешностей всех видов измерений. Расхождение между данными, полученными практическими исследованиями и результатами расчетов не превышало 5 %.
Практическая ценность
1. Нанесение серебряно-цинкового покрытия методом электроискрового легирования улучшает токопроводящие свойства зажимов контактной сети путем снижения переходного электросопротивления более чем на 20 % от нормируемой величины.
2. Установленная зависимость коэффициента теплоотдачи зажима от его размера дает возможность производить расчеты конвективного потока теплоотдачи для всех типов болтовых соединений.
3. Предложенная математическая модель нагрева болтовых зажимов позволяет определять величину нагрева электрического соединения в различных условиях эксплуатации.
4. Разработанная методика входного неразрушающего контроля качества изготовления зажимов контактной подвески акустическим способом позволяет с высокой степенью точности выявлять дефектность их структуры.
Внедрение. Устройство входного контроля зажимов контактной сети «ВКЗ-1» передано в постоянную эксплуатацию Забайкальской железной дороге – филиалу ОАО «РЖД».
Научные результаты диссертации используются для проведения научно-исследовательской работы, научно-технических экспертиз и учебного процесса в Электроэнергетическом институте и институте дополнительного
образования ДВГУПС.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались, обсуждались и были одобрены:
- на 5-й Международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 17 – 19 апреля 2007 года;
- 45-й Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки, Хабаровск, ДВГУПС, 7 – 9 ноября 2007 года;
- 3-й Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций», г. Екатеринбург, 2007 года;
- «Modern materials and technologies 2007» Materials of international VIII Russia – China Symposium, Khabarovsk, Pacific National University, 17 – 18 october, 2007;
- Всероссийской научной конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», Хабаровск, ДВГУПС, 22 –24 апреля 2008 года;
- 11-м краевом конкурсе молодых ученых Хабаровского края, Хабаровск, ТОГУ, 21 января 2009 года;
- Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке», Хабаровск, ДВГУПС, 22–24 апреля 2009 года;
- заседаниях и научно-технических семинарах кафедры электроснабжения транспорта, Хабаровск, ДВГУПС, 2006 – 2009 годы.
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 15 печатных работах, в том числе 2 статьи опубликованных в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ, одна из которых по транспорту, и трех патентах на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 114 наименований. Работа содержит 143 страницы основного текста, 44 рисунка, 22 таблицы и приложение.
