Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время система контактного токосъема является основным способом передачи электроэнергии электроподвижному составу электрифицированных железных дорог. В условиях роста объемов перевозок, сопровождающегося увеличением скоростей движения, массы поездов особо актуальной по причине существенных затрат становится проблема поддержания в работоспособном состоянии контактной сети и токоприемников электроподвижного состава.
Обеспечение качественного токосъема в сложных режимах эксплуатации связано с решением комплекса проблем. Одной из них является контроль эксплуатационного состояния элементов контактной сети и токоприемников.
Основные проблемы и задачи по их решению отражены в ряде основополагающих документов: федеральной целевой программе «Модернизация транспортной системы России (2002–2010) (подпрограмма «Железнодорожный транспорт») №848, утвержденной Правительством Российской Федерации 5.12.2001г.; «Концепции модернизации устройств электроснабжения железных дорог», одобренной президиумом НТС МПС РФ протокол №34 от 19.11.1999 г.; указаниях МПС РФ от 06.03.00 №И-453у «О мерах по реализации «Программы обновления хозяйства электроснабжения на 2000–2005 гг.».
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ДВГУПС (№ г.р. 0120.0 503178; № г.р. 0120.0 503186).
В диссертацию вошли результаты исследований, которые выполнялись автором в соответствии с «Программами научно-технического взаимодействия вузов МПС России Сибирского и Дальневосточного регионов и СО РАН по совершенствованию перевозочного процесса и технических средств при обеспечении снижения эксплуатационных расходов и эффективного использования материальных и энергетических ресурсов на 2000–2002 и 2003–2005 гг».
По статистическим данным Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» доля повреждений проводов в общем количестве повреждений контактной сети не уменьшается и составляет более четверти. Не уменьшается и доля пережогов проводов. Причем около 50 % пережогов на участках постоянного тока и 55…65 % на участках переменного тока происходит над токоприемниками.
Важными компонентами контактной подвески являются токопроводящие контактные зажимы. По степени риска отказов такая арматура занимает второе место после контактного провода на электрифицированных железных дорогах постоянного тока и шестое на дорогах переменного тока. До настоящего времени входной контроль зажимов контактной сети осуществлялся визуально. При этом возможно выявление лишь дефектов, расположенных на поверхности зажима, а скрытые дефекты, например, структуры не выявляются.
Проблема устойчивости опор контактной сети в теле земляного полотна – одна из острейших для железных дорог Сибири и Дальнего Востока. Часто она связана с недостаточным заглублением опор в тело насыпи.
Реализация мер по повышению надежности работы токосъемных устройств возможна за счет создания высокоэффективных средств их диагностирования, позволяющих снизить затраты на обеспечение требуемого уровня надежности.
Определение степени повреждения токосъемных устройств в условиях эксплуатации, основанное на косвенной связи прочностных свойств с механическими или электрическими характеристиками объекта, не всегда приводит к положительному результату в силу значительной их зависимости от внешних условий и отсутствия комплексного подхода к решению названной проблемы.
Вследствие этого необходимы детальные теоретические и экспериментальные исследования механизмов и причин разрушения элементов контактной сети и токоприемников, поиск факторов и условий, уменьшающих количество электроэрозионных явлений, разработка комплексной системы мер и мероприятий по диагностике токосъемных устройств в условиях эксплуатации на основе неразрушающих методов контроля.
Однако ограничиваться только разработкой методов проведения неразрушающего контроля нецелесообразно. Необходимы технические и технологические решения, направленные на повышение качества токосъема.
Значительный вклад в решение проблем токосъема внесли отечественные и зарубежные ученые: В. Д. Авилов, И. А. Беляев, В. Я. Берент, Н. А. Буше, И. И. Власов, Л. А. Вислоух, В. А. Вологин, А. Г. Галкин, И. С. Гершман, В. Л. Григорьев, А. Т. Демченко, Ю. И. Жарков, Ю. Е. Купцов, Г. П. Маслов, К. Г. Марквардт, В. П. Михеев, А. В. Плакс, А. А. Порцелан, Ю. А. Родзаевская, И. Я. Сегал, С. Д. Соколов, О. А. Сидоров, В. Е. Чекулаев, Ю. Н. Щерба, М. Буассонад, Р. Дюпонт, М. Зюберкрюб, И. Кумезава, Х. Макино, С. Сато, Х. Сибата, Т. Тэрасио , И. Хитути и др.; в области неразрушающего контроля Х. Бергер, Х. Блюменауэр, А. И. Богомолов, И. Н. Ермолов, Г. П. Иванов, В. В. Клюев, А. И. Кондратьев, И. М. Лифшиц, Л. Г. Меркулов, Г. Д. Пархомовский, А. И. Пехович, С. Я. Соколов, А. С. Фалькевич, Я. Б. Фридман, Р. И. Янус, Л. Бергман, Р. Д. Буххейт, У. Ф. Киндл, Х. Э. Кнехтель, Н. Крауткремер, Дж. М. Макколл, Р. Мак-Мастер, У. Мэзон, В. Рот, Р. Труэл, Ф. Ферстер, Б. Чик, Ч. Эльбаум; в области устойчивости земляного полотна железнодорожного пути Г. М. Шахунянц, Н. В. Прокудин, а также другие ученые и специалисты.
Целью работы является повышение эффективности эксплуатации контактной сети и токоприемников путем совершенствования методов их диагностирования за счет создания новых технологических и технических средств.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи.
1. Изучить механизмы износа контактного провода и установить корреляционные зависимости между структурными, акустическими и механическими свойствами контактных проводов.
2. Разработать концепцию системы неразрушающего контроля прочностных свойств контактных проводов с использованием теоретического и экспериментального моделирования разупрочнения контактных проводов электродуговым процессом.
3. Установить механизмы разрушения контактных вставок токоприемников и разработать методики входного неразрушающего контроля.
4. Создать методику контроля внутреннего строения материала зажимов и предложить покрытия для уменьшения переходного контактного электросопротивления.
5. Предложить на основе анализа влияния различных эксплуатационных факторов на устойчивость опор контактной сети в теле земляного полотна методические и технические решения, направленные на улучшение их эксплуатационных показателей.
6. Разработать критерии для оценки технического состояния контактных проводов и на их основе предложить в эксплуатационные регламенты пределы регулирования натяжений.
7. Оценить экономическую эффективность предлагаемых технических решений.
Предметом исследования являются причины и факторы ухудшения эксплуатационных характеристик и показателей контактных проводов, зажимов и угольно-графитовых вставок токоприемников, железобетонных опор; модели объектов и процессов, необходимые для обоснования методов неразрушающего контроля; аппаратные средства неразрушающего контроля структурных изменений материалов токосъемных устройств.
Научная новизна работы. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, и на их основе даны новые технологические и технические решения, позволяющие поднять на более высокий информационный уровень знания в области диагностирования элементов контактной сети и токоприемников, токосъема и аппаратных средств реализации неразрушающего контроля. Научная новизна заключается в следующем.
1. Выявлены механизмы разупрочнения контактных проводов и получены корреляционные зависимости между их структурными, акустическими и механическими свойствами, на основании которых показано, что наряду с механическим и электроэрозионным износом присутствует тепловой износ, адекватный разупрочнению материала в определенном объеме провода.
2. Разработана математическая модель процесса нагрева контактного провода подвижной электрической дугой, учитывающая размеры и степень разупрочнения материала контактного провода, накопление структурных изменений в процессе многократного электрородугового воздействия.
3. Предложен алгоритм построения системы неразрушающего контроля состояния контактного провода и токосъема, включающий оценку контактного нажатия, параметров электрической дуги и нагрева контактной поверхности провода.
4. Создана методика проведения неразрушающего контроля угольных контактных вставок, основанная на методе ультразвукового зондирования и учитывающая критерии сортировки вставок по структурному состоянию, наличию дефектов, а также месту установки в полозе токоприемника.
5. Разработана методика неразрушающего контроля внутренней структуры материала зажимов методом вынужденных акустических колебаний и установлено, что со временем переходное электросопротивление контактов болтовых зажимов увеличивается выше нормируемых значений независимо от степени их затяжки, и в связи с этим предложено нанесение токопроводящих покрытий на контактные поверхности зажимов электроискровым способом.
6. Предложены методы оценки совокупного воздействия комплекса факторов, отрицательно влияющих на устойчивость опор контактной сети, которые учитывают это воздействие соответствующими вибродинамическими коэффициентами.
Методы исследований. Методологической основой при теоретических и экспериментальных исследованиях является системный подход к решению проблемы повышения качества токосъема, предусматривающий разработку методов, технологий, диагностических средств для совершенствования системы комплексной диагностики контактной сети.
Теоретическая часть диссертации базируется: на математических и физических моделях, учитывающих происходящие в материале элементов контактной сети физико-механические процессы, обусловленные воздействием тепловых режимов; теориях планирования эксперимента; основных положениях механики сплошных сред; корреляционном и регрессионном анализе; теориях взаимодействия токоприемника с контактной подвеской.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях и на реальных натурных объектах.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, базируется на положениях физики твердого тела, теориях математического анализа, математического моделирования и математической статистики; подтверждена практической реализацией и экспериментальной проверкой материалов исследований, разрабатываемых методов контроля элементов контактной сети и токоприемников. Оценка регрессионных связей показала, что механические и акустические характеристики контактных проводов, имеющих тепловой износ, хорошо коррелируют между собой, коэффициент корреляции получен от 0,77 до 0,94. Адекватность математической модели подтверждается приемлемыми значениями критериев подобия Пекле, Рейнольдса, Прандтля, Нуссельта.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
выявленные механизмы разупрочнения контактных проводов и полученные корреляционные зависимости между их структурными, акустическими и механическими свойствами позволяют разработать методы определения степени теплового износа материала контактных проводов путем идентификации на них мест, в которых структура материала соответствует разупрочненному состоянию;
предложенная математическая модель процесса нагрева контактного провода подвижной электрической дугой позволяет определить характерные параметры термической усталости, количественные критерии образования дефектов структуры в контактной зоне провода;
предложенный алгоритм построения системы неразрушающего контроля состояния контактного провода дает возможность реализовать диагностирование инспекционным вагоном
контактной сети эксплуатационное состояние медного контактного провода и качество токосъема;
созданная методика проведения неразрушающего контроля угольных контактных вставок позволяет выбрать соответствующие способы отбраковки и сортировки угольных контактных вставок токоприемников;
разработанная методика неразрушающего контроля внутренней структуры материала зажимов контактной подвески и их диагностики в период эксплуатации неразрушающими способами позволяет с высокой степенью точности выявлять дефектные зажимы;
предложенные методы оценки совокупного воздействия различных факторов на устойчивость опор дают возможность: рассчитать оползневое давление, передающееся на опоры контактной сети при проходе подвижного состава с учетом существующих отступлений в конструкциях длительно эксплуатируемого земляного полотна и морозного пучения грунтов; разработанная методика ультразвуковой локации позволяет оперативно измерять заглубление железобетонных опор в грунт.
Реализация результатов работы. Основные положения теоретических и экспериментальных исследований, практические рекомендации, изложенные в диссертации, использованы Дальневосточной, Забайкальской, Красноярской железными дорогами – филиалами ОАО «РЖД».
Разработаны и внедрены в эксплуатацию следующие технологии и устройства:
комплекс по выправке опор контактной сети в Свободненской дистанции электроснабжения Забайкальской железной дороги в 1998 году;
устройство по оценке остаточного ресурса медных контактных проводов с методикой неразрушающего контроля в Дорожных электротехнических лабораториях Дальневосточной, Забайкальской и Красноярской железных дорог в 2002 году;
опытный образец устройства входного контроля зажимов контактной сети на Забайкальской железной дороге в 2007 году;
устройство для оперативного измерения заглубления опор контактной сети выполнен в виде макетного образца, проходит доводку и подлежит внедрению по плану НТР ОАО «РЖД» в 2008 году на Дальневосточной железной дороге;
созданные экспериментальные стенды для испытания элементов контактной сети и токоприемников, а также научные результаты диссертации используются для проведения научно-исследовательской работы, научно-технических экспертиз и учебного процесса в Электроэнергетическом институте и Институте повышения квалификации и переподготовки ДВГУПС.
Фактическое использование результатов диссертационной работы в хозяйстве электрификации и электроснабжения железных дорог подтверждено актами внедрения.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались, обсуждались и были одобрены: на научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (г. Владивосток, 1995 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Дальневосточного региона» (г. Хабаровск, 1995, 1999 гг.); II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (г. Москва, 1996 г.); Второй международной конференции ДВО АТР РФ «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (г. Владивосток, 1997 г.); региональной научно-технической конференции «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона» (г. Хабаровск, 1998 г.); межвузовской научно-технической конференции, посвященной 160-летию отечественных железных дорог и 100-летию железнодорожного образования в Сибири «Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы» (г. Омск, 1998 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (г. Чита, 2000 г.); Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (г. Екатеринбург, 2001 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (г. Хабаровск–Владивосток, 2001 г.); Первом и Третьем Международных симпозиумах «Eltrans» (Санкт-Петербург, 2001, 2005 гг.); научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2001 г.); региональной научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу» (г. Новосибирск, 2002 г.); научно-практической конференции, посвященной завершению электрификации Транссибирской магистрали «Электрификация железнодорожного транспорта – техника и технологии нового поколения» (г. Хабаровск, 2002 г.); технико-экономическом совете Забайкальской железной дороги (г. Чита, 2000, 2002 гг.); межвузовской научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (г. Самара, 2003 г.); Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (г. Екатеринбург, 2003 г.); Сетевой научно-практической конференции «Энергетическое обследование структурных подразделений филиалов ОАО «РЖД»» (г. Омск, 2004 г.); Региональной научно-практической конференции «Вопросы энергетики и электромеханики» (г. Хабаровск, 2004 г.); 18-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Казань, 2005 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и пути решения инвестиционной и инновационной политики на предприятиях Хабаровского края. Технопарки. Инновационные проекты» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2005 г.); Пятой региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование» (г. Хабаровск, 2005 г.); Региональной научно-практической конференции представителей производства, ученых транспортных вузов и инженерных работников «Надежность и эффективность систем и устройств электроснабжения железных дорог» (г. Хабаровск, 2005 г.); XVII Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеринбург, 2005 г.); 44-й, 45-й Всероссийских научно-практических конференциях ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии – железнодорожному транспорту и промышленности» (г. Хабаровск, 2005, 2007 гг.); Региональных научно-технических конференциях «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006, 2008 гг.); научно-технических советах Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» (г. Москва, 2002, 2006 гг.); заседании учебно-методической комиссии учебно-методического объединения вузов по образованию в области железнодорожного транспорта и транспортного строительства по специальности №190401 «Электроснабжение железных дорог» (г. Самара, 2006 г.); III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2007 г.), научно-техническом семинаре кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» ОмГУПС (г. Омск , 2007 г.); научно-техническом совете ДВГУПС (г. Хабаровск, 2008 г.); научно-техническом семинаре ОмГУПС (г. Омск, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 57 печатных работ, в том числе одна монография, 43 статьи (из них 11 – в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ), пять тезисов докладов на международных, один на всероссийской конференциях, четыре патента на изобретения и три патента на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка и 2 приложений. изложена на 313 страницах, содержит 25 таблиц, 92 рисунка. Библиографический список содержит 330 наименований.
