Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности токосъема при интенсивном аэродинамическом воздействии на токоприемник электроподвижного состава 10
1.1 Анализ исследований аэродинамического воздействия на токоприемник 11
1.2 Критерии и показатели качества токосъема 17
1.3 Влияние аэродинамической составляющей контактного нажатия на качество токосъема 26
1.4 Выводы 29
2 Совершенствование токоприемника путем применения аэродинамического устройства регулирования контактного нажатия 30
2.1 Анализ подходов для моделирования аэродинамического воздействия на токоприемник электроподвижного состава посредством методов вычислительной гидрогазодинамики 30
2.2 Разработка методики «поэлементного CFD-анализа» для определения аэродинамических сил токоприемника 45
2.3 Определение аэродинамических сил токоприемника при различных метеорологических условиях 59
2.4 Совершенствование аппаратных средств для измерения плотности воздушной среды 64
2.5 Расчет распределения контактного нажатия при взаимодействии токоприемника с контактной подвеской 69
2.6 Оценка требуемого уровня компенсации вертикальной составляющей аэродинамической силы токоприемника 88
2.7 Разработка устройства для компенсации вертикальной составляющей аэродинамической силы токоприемника 98
2.8 Выводы 110
3 Экспериментальные исследования параметров и характеристик аэродинамического устройства 111
3.1 Определение аэродинамических показателей верхнего узла токоприемника в лабораторных условиях 112
3.2 Определение аэродинамических показателей токоприемника в ходе натурных испытаний 119
3.3 Сопоставление результатов, полученных при различных методах исследований аэродинамического воздействия на токоприемник 125
3.4 Выводы 128
4 Технико-экономическая эффективность внедрения полученных результатов 129
4.1 Расчет износа контактных элементов полоза токоприемника ТА1-УКС.160 (АИСТ) 129
4.2 Расчет экономического эффекта от внедрения аэродинамических устройств на современный электроподвижной состав 136
4.3 Выводы 148
Заключение 149
Список литературы
- Критерии и показатели качества токосъема
- Разработка методики «поэлементного CFD-анализа» для определения аэродинамических сил токоприемника
- Определение аэродинамических показателей токоприемника в ходе натурных испытаний
- Расчет экономического эффекта от внедрения аэродинамических устройств на современный электроподвижной состав
Введение к работе
Актуальность исследования. Согласно стратегии развития железнодорожного транспорта в России до 2030 года планируется создать национальную систему высокоскоростного движения. В настоящее время на линии Санкт-Петербург – Москва эксплуатируется высокоскоростной поезд «Сапсан» (скорость движения – 250 км/ч), на линии Санкт-Петербург – Хельсинки – высокоскоростной поезд «Аллегро» (скорость движения – 200 км/ч). Планируется строительство Высокоскоростной железнодорожной магистрали – ВСЖМ № 1 (Москва – Санкт-Петербург) только для движения высокоскоростных поездов и ВСМ № 2 (Москва – Екатеринбург).
Увеличение скоростей движения приводит к росту аэродинамического воздействия на токоприемник электроподвижного состава, что отрицательно сказывается на качестве токосъема: увеличивается износ контактирующих элементов; снижается надежность работы системы токосъема; возрастает аэродинамический шум; усиливается загрязнение окружающей среды продуктами износа; растут эксплуатационные расходы на обслуживание контактной сети и токоприемников. Поэтому вопросы снижения аэродинамического воздействия на токоприемник и совершенствование методов расчета данного воздействия являются актуальными.
Степень разработанности проблемы. Решение задачи снижения аэродинамического воздействия на токоприемник включает в себя регулирование вертикальной составляющей аэродинамической силы, действующей на него при различных скоростях движения электроподвижного состава. В существующих на данный момент методах учета вертикальной составляющей аэродинамической силы в процессе токосъема эта сила представляется в виде приращения статического нажатия, зависящего от скорости движения. Численные методы, используемые для расчета аэродинамических сил токоприемника, позволяют определить вертикальную составляющую аэродинамической силы, но требуют значительных временных затрат. Поэтому численные методы, а также оценка влияния метеорологических факторов в процессе приведенного выше учета нуждаются в совершенствовании.
Работы многих отечественных специалистов в разное время были посвящены решению задачи снижения аэродинамического воздействия на токоприемник. Данные вопросы рассматриваются в работах В. П. Михеева, Г. П. Маслова, В. А. Вологина, А. В. Ефимова, А. В. Плакса, К. Г. Марквардта, О. А. Сидорова, В. Н. Ли, И. А. Беляева и других авторов.
Цель диссертационной работы – повышение качества токосъема при высоких скоростях движения электроподвижного состава путем регулирования вертикальной составляющей аэродинамической силы токоприемника.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
провести классификацию исследований аэродинамического воздействия на токоприемник при высоких скоростях движения;
-
разработать методику определения рационального значения вертикальной составляющей аэродинамической силы токоприемника, обеспечивающей снижение износа контактирующих элементов при токосъеме;
-
усовершенствовать методы задания граничных условий при CFD-моделировании аэродинамического воздействия на токоприемник;
-
усовершенствовать методику экспериментальных исследований токосъема за счет учета экспериментального показателя плотности среды;
-
предложить конструкцию аэродинамического устройства для регулирования вертикальной составляющей аэродинамической силы в зависимости от направления движения токоприемника;
6) определить экономический эффект от применения разработанного
устройства.
Объект исследования – токоприемник электроподвижного состава. Предмет исследования – аэродинамические характеристики токоприемника электроподвижного состава.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) усовершенствован метод численного моделирования аэродинами
ческого воздействия на токоприемник путем рационального задания граничных
условий и учета показателя плотности среды;
-
разработана методика определения рациональной аэродинамической характеристики токоприемника по условиям минимизации износа контактирующих элементов при протекании номинального тока в скользящем контакте;
-
усовершенствованы методики лабораторных и натурных испытаний токоприемника путем дополнительного контроля показателя плотности среды, что позволяет сравнивать данные, полученные при различных метеоусловиях.
Практическая ценность диссертации заключается в следующем:
-
усовершенствованный метод численного моделирования аэродинамического воздействия на токоприемник позволяет снизить временные затраты на стадии проектирования;
-
разработанный алгоритм позволяет определить рациональную аэродинамическую характеристику токоприемника;
3) усовершенствованные методики лабораторных и натурных испытаний позволяют учитывать плотность среды, что обеспечивает повышение точности полученных аэродинамических параметров токоприемника.
Реализация результатов работы. Предложенный метод численного моделирования аэродинамического воздействия, использующий рациональное задание граничных условий и учитывающий показатель плотности среды, применялся при разработке магистрального токоприемника для применения на линиях с модернизированной инфраструктурой системы токосъема в рамках выполнения работ по договору № 151/10 от 12.07.2010.
Усовершенствованные методики натурных испытаний токоприемника использовались при проведении экспериментальных исследований на Октябрьской железной дороге. Получен патент на аэродинамическое устройство, позволяющее приблизить вертикальные составляющие аэродинамических сил к рациональным значениям.
Методы исследования. Теоретические исследования базировались на применении теории определяющих соотношений и методах механики сплошных сред. Математическое моделирование выполнялось на ПЭВМ с применением программных продуктов, использующих средства вычислительной гидрогазодинамики. Лабораторные исследования проведены с учетом теории планирования эксперимента. Данные натурных испытаний получены на линии Москва – Санкт-Петербург Октябрьской железной дороги в 2004 – 2012 гг. Обработка экспериментальных данных выполнялась с привлечением методов математической статистики и регрессионного анализа.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
усовершенствованный метод численного моделирования аэродинамического воздействия на токоприемник, а также методика определения показателя плотности среды;
-
алгоритм определения рациональной аэродинамической характеристики токоприемника, учитывающий экспериментальные износные характеристики и эксплуатационные ограничения системы токосъема;
-
усовершенствованные за счет контроля показателя плотности среды методики лабораторных и натурных испытаний токоприемника и его отдельных элементов;
-
аэродинамическое устройство компенсации вертикальной составляющей аэродинамической силы токоприемника.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментов, проведенных в лаборатории и на действующих электрифицированных участках
Октябрьской железной дороги. Расхождение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 10 %.
Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура» (Екатеринбург, 2011); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы проектирования и эксплуатации контактных подвесок и токоприемников электрического транспорта» (Омск, 2011); на всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск, 2012); на всероссийской научно-практической конференции «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); на семинаре кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПСа (2014), на семинаре кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» УрГУПСа (Екатеринбург, 2015); на постоянно действующем научно-техническом семинаре ОмГУПСа (Омск, 2015).
Личный вклад соискателя. Создание методики определения
рационального значения вертикальной составляющей аэродинамической силы
токоприемника, совершенствование метода численного моделирования
аэродинамического воздействия на токоприемник, использующего
рациональное задание граничных условий и учитывающего показатель плотности среды; разработка устройства для регулирования вертикальной составляющей аэродинамической силы, позволяющего уменьшить износ токосъемных элементов при высоких скоростях движения и аппаратуры для учета показателя плотности среды. Основные научные положения и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 печатных работах, которые включают в себя 11 статей, 4 патента РФ на полезную модель, получено одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Четыре статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 123 наименований, четырех приложений и содержит 178 страниц основного текста, 66 рисунков, 25 таблиц.
Критерии и показатели качества токосъема
Оценку качества токосъема производят с помощью его критериев. Правильный выбор этих критериев должен обеспечивать надежность, экономичность и экологичность токосъема, снизить материальные затраты на перевозку пассажиров и грузов. Надежная работа электрического контакта между контактными вставками токоприемника и контактным проводом возможна только при устойчивом механическом соприкосновении контактирующих элементов. Поэтому основой надежного экономичного и экологичного токосъема должно быть, прежде всего, обеспечение надлежащего контакта [6].
Нарушения контакта, т. е. отрывы вставок полоза от контактного провода, приводят к различным нежелательным явлениям. Кратковременные отрывы, возникающие в жестких точках, являются причиной усиленного электрического износа вставок и провода. Нарушения контакта длительностью более 0,10 с., которые зачастую носят периодический характер, не только усиливают износ, но и могут быть причиной отжигов, пережогов контактных проводов и разрушения контактной подвески.
Периодические нарушения контакта определяются условиями динамического взаимодействия токоприемника и контактной подвески и скоростью движения электроподвижного состава. Длительность отрывов особенно велика и представляет существенную опасность для конструкции контактной сети в зонах резонансных скоростей.
Для улучшения токосъема необходимо согласование динамических параметров токоприемника и контактной подвески с учетом условий движения. Большой эффект от снижения длительности отрывов можно получить демпфированием колебаний контактной подвески и токоприемника [53]. Длительность нарушений контакта в большинстве случаев может быть уменьшена также повышением контактного нажатия, что достигается увеличением статического нажатия токоприемника, но следствием этого будет усиление механического износа контактирующих элементов и отжатия контактного провода до величин, при которых недостаточно плавны подхваты контактных проводов на воздушных стрелках и возможны удары полоза токоприемника по фиксаторам. Соответственно чрезмерно большие значения контактного нажатия являются недопустимыми и могут причинить вред конструкциям контактной сети.
Необходимый диапазон изменения контактного нажатии определяют не только из условий обеспечения минимального механического и электрического износа контактного провода и токосъемных элементов токоприемника, а также обеспечения безаварийности, но и из условий сохранения на необходимом уровне переходного сопротивления контакта «вставка – контактный провод». Недостаточное нажатие в контакте может быть причиной такого перегрева контактного провода на стоянке, при котором происходит его отжиг и даже обрыв.
В процессе движения токоприемника контактное нажатие не остается постоянным. Объясняется это разностью высоты контактного провода над уровнем головок рельсов в разных точках пролета и тем, что эластичность контактной подвески и ее приведенная масса в пролете непостоянны.
Следовательно, основным динамическим показателем качества токосъема является изменение контактного нажатия при движении токоприемника. Очень важным является понимание процесса механического взаимодействия токоприемника с контактной подвеской и выявление технических показателей, определяющих критерии качества токосъема. Существующие показатели качества токосъема приведены в [6, 12, 70]. Рассмотрим основные показатели качества токосъема, которые наиболее часто используются для его оценки. Экономические показатели, а именно затраты на эксплуатацию включают в себя такие показатели как минимум годовых затрат, упрощенный и весовой коэффициенты экономичности и износ контактного провода и контактных вставок токоприемника.
Минимум годовых приведенных затрат используется в качестве обобщающего критерия, позволяющего оптимизировать характеристики как токоприемника, так и контактных подвесок [12, 70]: Э = — + ССИ+ССП+КТ + СТИ+СТП, (1.1) где ССИ, СТИ - эксплуатационные расходы от износа контактных проводов и пластин токоприемников соответственно, тыс. руб.; СТП, ССП - эксплуатационные расходы от повреждений токоприемников и контактной сети, тыс. руб; КТ, КС - капитальные затраты на токоприемники и контактную сеть, включая диагностику и ремонтные работы, тыс. руб. / год; ТТ, ТС - нормативные сроки окупаемости токоприемников и контактной сети, лет. Ключевая задача при проектировании объектов инфраструктуры токосъема состоит в минимизации этого показателя. Упрощенный коэффициент экономичности токосъема можно определить, используя точку [/–образной характеристики, соответствующей минимальному износу контактирующих элементов. Коэффициент можно найти, анализируя отклонения значений максимального и минимального нажатий в пролете от оптимального [70]: ЭУ=( кс + -2 oпт) (1.2) Коэффициент экономичности, также может быть получен с учетом гистограммы нажатий в пролете и конфигурации реальных U-образных кривых. Весовой коэффициент экономичности показывает износ 1 км подвески при пробеге 1000 токоприемников [12]: , 1000 K= ZjJi-ni (1.3) где n – количество рассматриваемых интервалов определения нажатия в контакте, ji – интенсивность износа (функция от нажатия и тока), мм/тыс. км.
Износ контактного провода и контактных вставок является наиболее объективным косвенным критерием оценки приведенных затрат на содержание системы токосъема. Однако важнейшими для эксплуатации являются статистические данные по среднему удельному износу проводов и расходу пластин, соотнесенные к пробегу ЭПС. Параметры работы контактной подвески используют для оценки работы устройств без математически сложного расчета взаимодействия.
Разработка методики «поэлементного CFD-анализа» для определения аэродинамических сил токоприемника
Однако, в реальных условиях эксплуатации, при изменении одного из вышеперечисленных метеорологических параметров зачастую меняются и остальные, что не учитывалось Соответственно плотность воздуха автором предложено считать основным интегральным показателем среды: р = /(Т,Р,ф,ш), (2.25) где Т - температура среды, К; P - давление среды, Па; (р - относительная влажность среды, %; со - доля второй фазы в среде. ранее. Так, например, при смене антициклона на циклон относительная влажность увеличивается, но давление и температура снижаются [101 - 103]. В диссертационной работе были рассчитаны аэродинамические характеристики токоприемника ТА1-УКС.160 «АИСТ» и определена степень влияния различных метеорологических факторов на аэродинамические силы. Кроме климатических эксплуатационных параметров величина вертикальной составляющей аэродинамической силы зависит от рабочей высоты токоприемника, направления движения.
Влияние рабочей высоты токоприемника на вертикальную составляющую аэродинамической силы при интегральном показателе воздушной среды р = 1,204 кг/м3 и движении «коленом» вперед приведено на рисунке 2.14, а при движении «коленом» назад - на рисунке 2.15.
Применение средств вычислительной гидрогазодинамики позволило установить, что из всех метеорологических факторов, влияющих на аэродинамические силы токоприемника, наибольшее изменение данных сил происходит при изменении температуры (до 27 % при изменении от 223 до 313 К). Изменение давления от 740 до 780 мм. рт. ст. и изменение концентрации второй фазы в среде с 1 до 5 % приводят к изменению аэродинамических сил на величину не более 10 %. 1400 мм
Аэродинамические характеристики токоприемника при движении «коленом» назад Стоит также отметить, что согласно [104] экстремальные значения по давлению и высокая степень концентрации второй фазы имеют место в редких случаях. Поэтому основным неконструктивным фактором, определяющим изменение аэродинамических характеристик, является плотность, которая в наибольшей степени зависит от температуры окружающей среды. Таким образом, перед автором стояла задача разработать методику и устройство для измерения плотности воздушной среды в диапазоне температур, приведенных в [76].
Изменение плотности среды непосредственно влияет на величину аэродинамических сил, действующих на токоприемник электроподвижного состава и являющихся составляющими контактного нажатия. По техническим условиям [105] исследуемый токоприемник должен работать при температурных условиях от – 50 С до + 40 С. Соответственно, необходимо оборудование для измерения плотности воздуха в диапазоне этих температур.
Для измерения плотности воздуха применяются шаровидные пикнометры. Данные устройства состоят из круглодонной колбы из толстого стекла объемом не менее 150 мл и одного или двух капиллярных кранов. Данные устройства должны соответствовать [106]. Плотность воздуха измеряют посредством взвешивания его известного объема при заданной температуре. Сухой пикнометр с одним краном присоединяют открытым краном к насосу, создающему вакуум. Воздух из пикнометра откачивается в течение 10 минут. Разница в высоте столбов ртути в обоих коленах не должна быть более 1 мм. Затем, отсоединив пикнометр, производят его взвешивание на аналитических весах. Далее заполняют пикнометр воздухом, взвешивают его и повторяют измерения для проверки его герметичности.
К основным достоинствам пикнометрического метода определения плотности можно отнести: высокую точность измерений (до 10 – 5 г/см), возможность использования малых количеств вещества (0,5 – 100 см), раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания. Основным недостатком пикнометров является невозможность цифровой обработки данных, а также учета плотности в случае наличия второй фазы в среде. К тому же, пикнометр неудобен в применении при натурных испытаниях.
Данных недостатков лишен способ, предлагаемый автором. Известно, что скорость звука различается при его прохождении в среде с различной плотностью [103]. Для воздуха зависимость скорости звука в воздушной среде от плотности показана на рисунке 2.16. Эта зависимость справедлива при изменении параметров среды, и е удобно использовать в ходе лабораторных и натурных экспериментов. Она имеет параболический характер и позволяет определить плотность от скорости звука в среде с помощью функции аппроксимации, встроенной в Excel. Полученное путем полиномиальной аппроксимации кривой уравнение необходимо для расчета плотности в зависимости от скорости звука в программе, написанной на языке Processing.
В измерителях плотности целесообразно использовать ультразвуковые сигналы, которые в отличие от звуков слышимого спектра способны фокусироваться и отражаться, могут распространяться в любых материалах, что позволяет исследовать плотность многофазных сред и имеют на несколько порядков большую мощность. Широко ультразвук начал применяться на практике с открытием пьезоэффекта, который проявлялся в появлении электрического заряда при деформации пластинки кварца или другого пьезо-материала. Возможен был и обратный процесс при приложении к пластинке переменного напряжения.
Определение аэродинамических показателей токоприемника в ходе натурных испытаний
Целью экспериментальных исследований является получение информации о параметрах и характеристиках аэродинамического устройства токоприемника электроподвижного состава и о влиянии вертикальной составляющей аэродинамической силы, скомпенсированной с помощью этого устройства, на качество токосъема. Использование для данной цели методов вычислительной гидрогазодинамики на сегодняшний день не позволяет полностью заменить лабораторные и натурные испытания вследствие сильной зависимости результатов расчета от качества сетки, используемой модели и заданных начальных и граничных условий. Однако эти методы широко применяются для предварительных исследований. В ходе дальнейших испытаний обычно проводят экспериментальные исследования в лаборатории. При этом имеется возможность варьировать различными характеристиками и конструкциями элементов токоприемников и аэродинамических устройств и проверять влияние допущений в используемых методах расчета аэродинамического воздействия на токоприемник в программах для ПЭВМ, сопоставляя для этого результаты расчетов и экспериментов на стендах. Последним этапом исследований является натурные эксперименты, условия проведения которых максимально приближены к эксплуатационным. При этом недостатком такого вида испытаний является их высокая стоимость.
Испытания токоприемника на действующей линии являются дорогостоящими и сопряжены с необходимостью организации «окон». Поэтому для первоначальной экспериментальной оценки аэродинамических сил токоприемника и работоспособности аэродинамического устройства в подавляющем большинстве случаев используют лабораторные исследования.
В условиях лаборатории «Конструкции контатктных сетей, линий электропередачи и токосъема» ОмГУПСа были проведены исследования аэродинамических характеристик верхнего узла токоприемника электроподвижного состава посредством частичного обдува в малой аэродинамической трубе. Схема стенда для проведения эксперимента приведена на рисунке 3.1.
Лабораторная установка включает в себя малую аэродинамическую трубу, состоящую из корпуса 1, электродвигателя 2, лопастей 3, сопла 4, хонейкомба 5, фиксирующих рам 6. Верхний узел токоприемника устанавливается на опоры 8 напротив сопла. Измерение аэродинамической подъемной силы производится с помощью тензодатчика 10 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11. Информация с датчика угла поворота крыла 13 также поступает на АЦП 11. Скорость потока измеряется дифманометром 9, показатель плотности – измерителем 7. Данные об аэродинамической вертикальной силе крыла аэродинамического устройства, угле его поворота, скорости потока и плотности среды поступают на ПК 12.
Базовая методика испытаний заключается в определении аэродинамической вертикальной силы крыла аэродинамического устройства при заданной скорости воздушного потока и обдуве его посредством малой аэродинамической трубы [7, 12, 49]. Усовершенствованная методика отличается от базовой в части дополнительного учета параметров среды с помощью ультразвукового измерителя показателя плотности среды и измерения угла поворота крыла с помощью датчика. Оборудование и приборы, используемые при испытании, приведены в таблице 3.1.
Апробация методики была проведена в ходе лабораторных испытаний аэродинамического устройства. Для получения достоверных данных в ходе лабораторных экспериментов и их обработки необходимо было, чтобы они соответствовали положениям теории планирования эксперимента [114]. При этом условия эксперимента, сбор массива информации в ходе его проведения и обработка данных непосредственно влияли на полученные результаты.
На этапе лабораторных исследований, который предшествовал снятию показаний, на полученные данные могли повлиять качество поверки и тарировки измерительных приборов, погрешности оператора, погрешности методики измерений, а также невыявленные в ходе подготовки недостатки экспериментальной установки и положение объекта исследования. Данный этап исследований также включал построение графиков функций и проверку результатов исследований в некоторых характерных точках, определенных заранее. Если полученные данные признавались по заданным критериям достоверными, то строились итоговые графики. В противном случае выявлялись факторы, которые вносили погрешности, и эксперимент проводился заново.
Микроконтроллер На базе ATmega328 В ходе эксперимента получали массив данных, после чего обрабатывали его с помощью методов математической статистики [115]. Алгоритм лабораторных исследований включал в себя: - подготовку схемы испытаний и измерительного инструмента; - получение требуемой скорости воздушного потока путем изменения расстояния от сопла аэродинамической трубы до крыла аэродинамического устройства и изменения сечения сопла. Эта скорость измерялась при помощи дифманометра; - тарировку тензодатчиков с помощью грузов известной массы; 115 - тарировку датчика угла поворота крыла с помощью транспортира; - проверку соответствия угла поворота крыла аэродинамического устройства с помощью датчика заданному по результатам теоретических расчетов; - определение аэродинамических вертикальных сил крыла и сопоставление их с данными гидрогазодинамических расчетов, обработка результатов измерений.
Расчет экономического эффекта от внедрения аэродинамических устройств на современный электроподвижной состав
Данные таблиц 4.1 – 4.3 показывают, что при использовании медно-графитовых контактных пластин и токе 1000 А применение аэродинамического устройства целесообразно для локомотивов и электровозов, движущихся со скоростями не менее 160 км/ч по отдельным высокоскоростным и скоростным линиям. Для поездов, предназначенных для скоростного и высокоскоростного движения на обычных линиях, должен быть произведен отдельный расчет экономической эффективности применения аэродинамических устройств в зависимости от скорости движения по участкам. Также должно быть учтено влияние изменения поля скоростей и давлений от крыши локомотива на аэродинамическую составляющую контактного нажатия токоприемника. К данным локомотивам могут быть отнесены ЭП20, ЭП2К, ЧС6, ЧС7, ЧС200. Крышевое оборудование уменьшает аэродинамическое воздействие на нижние рамы токоприемника, что в некоторых случаях обусловливает необходимость применения аэродинамических устройств, компенсирующих это воздействие.
Таким образом, должны быть учтены следующие факторы, обуславливающие эффективность применения аэродинамического устройства: стоимость контактных вставок токоприемника, т.к. положительный экономический эффект может быть достигнут в основном для дорогих импортных контактных вставок из композитных материалов; работа токоприемника на отдельной высокоскоростной линии, т.к. наиболее эффективно применять устройство при скоростном и высокоскоростном движении.
Расчет экономического эффекта от внедрения аэродинамических устройств на современный электроподвижной состав
Расход электрической энергии связан с тем, что аэродинамическое устройство увеличивает горизонтальную составляющую аэродинамической силы токоприемника. Эти затраты также являются частью издержек на эксплуатацию данного устройства. Увеличение затрат на тягу определялось с учетом графика движения электропоезда Siemens Velaro RUS «Сапсан», максимальная скорость движения которого 250 км/ч.
Спектры обтекания, показанные на рисунке 4.7, позволяют сделать вывод, что крышевое оборудование фактически не влияет на аэродинамические силы токоприемников.
Аэродинамическое лобовое сопротивление профиля NACA-2210 было рассчитано с помощью программы Autodesk Simulation CFD. Полученные характеристики для температуры 293 К приведены на рисунке 4.8.
Поскольку токоприемники поезда Siemens Velaro RUS находятся друг от друга на расстоянии более 100 м, то принималось допущение, что аэродинамический след от первого токоприемника полностью рассеивается, не влияя на второй по ходу движения токоприемник. Скорость движения электропоезда Siemens Velaro RUS считали равной 120 км/ч на участке 65 км, 140 км/ч на участке 80 км, 200 км/ч на участке 427 км, 250 км/ч на участке 86 км [3], временем разгона и торможения пренебрегали.
Рассчитанные величины горизонтальной составляющей аэродинамических сил приведены в таблицах 4.4 – 4.5.
Количество потребляемой энергии на преодоление лобового сопротивления токоприемника за время потребления электрической энергии, равному 1 час, измеряемое в кВт ч: A=N. (4.4) Покупная стоимость электроэнергии для ОАО «РЖД» составляла 2,82 руб. / кВтч [118]. Данную стоимость необходимо умножить на 1,26, т. к. уровень потерь электрической энергии, прежде чем она дойдет до тяговой нагрузки составит 26 % [119]. Получили 3,55 руб. / кВтч.
Тогда годовые затраты на дополнительный расход электрической энергии для одного поезда за время потребления электрической энергии, равному 1 час, равны:
В соответствии с [3] время для участка 120 км составило 0,3704 ч, 140 км/ч - 0,4559 ч, 200 км/ч - 2,4335 ч, 250 км/ч - 0,4901 ч. Для исследуемого подвижного состава Siemens Velaro RUS получены следующие результаты при т = 572, п = 2 за один год:
Используя вышеприведенную методику были определены затраты на преодоление дополнительного сопротивления движению поезда при использовании аэродинамического устройства в расчете на один электроподвижной 141 состав. В расчетах принимали величину затрат на тягу, равную 16148 рублей в год (среднее значение для температур 223 К и 313 К). Расчет затрат и экономических показателей от внедрения аэродинамического устройства токоприемника включает расходы на материалы, установку, оплату труда обслуживающего персонала и отчисления в социальные фонды, расходы на электрическую энергию, амортизацию оборудования и общехозяйственные расходы. Расходы на материалы, необходимые для изготовления аэродинамического устройства приведены в таблице 4.7.