к.т.н., доцент Ковалев А.А., студент гр. ЭЭ-410 Головин А.А.

Уральский государственный университет путей сообщения г. Екатеринбург

СОВРЕМЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ УСТРОЙСТВ

ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

На сегодняшний день железная дорога является одним из самых востребованных видов транспорта на территории Российской Федерации. В связи с этим все чаще поднимаются вопросы увеличения скоростей движения и надежности, уменьшении количества отказов узлов контактной сети [1]. Контактная подвеска − один из элементов системы токосъема. Одним из основных видов отказа является пережог провода.

Пережог провода контактной сети – разрыв провода в результате термического воздействия электрического тока (электрической дуги) в зоне взаимодействия с другим устройством. Наиболее часто происходят пережоги контактного провода (КП): над токоприемниками неподвижного электроподвижного состава (ЭПС) из-за возникновения короткого замыкания (КЗ) в его высоковольтных цепях; при подъеме или опускании токоприемника из-за протекания тока нагрузки или КЗ через электрическую дугу; при увеличении контактного сопротивления между проводом и контактными вставками токоприемника (из-за окисления их поверхностей или из-за избытка токопроводящей смазки на полозе токоприемника); при недостаточном нажатии токоприемника на контактный провод; в результате разделения контактных поверхностей непроводящими загрязнениями или гололедно-изморозевыми отложениями; при замыкании полозом токоприемника движущегося или остановившегося ЭПС разнопотенциальных ветвей изолирующего сопряжения анкерных участков.

Часто пережог провода происходит в местах трогания ЭПС в следствии больших пусковых токов . Предотвратить пережоги проводов на станционных путях можно, выполняя следующие мероприятия: соединение параллельно не менее 3-х станционных путей в зонах трогания и разгона в каждом пролете и вне этих зон – через 3-4 пролета; обеспечение двустороннего питания групп параллельно соединенных проводов путей с обеих горловин станции; при параллельном соединении необходимо следить за тем, чтобы в горловинах до выхода на главные пути не было мест с ослабленным сечением; установку электрических соединителей между несущим тросом и контактным проводом около опор и в середине пролета; установку электрических соединителей между усиливающими проводами и контактной подвеской на затяжных подъемах и в зонах трогания и разгона в каждом пролете и вне этих зон – через 3-4 пролета [2].

Проектирование деталей контактной сети занимает много времени и требует большой точности расчетов. Сегодня, чтобы испытывать детали на прочность, необходимо выполнять множество вычислений, прибегая к немалому количеству допущений.

В зависимости от функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации САПР можно условно разделить на три группы:

1. Легкие системы. Это первый в сложившемся историческом развитии класс систем. К данной категории можно отнести программные продукты AutoCAD, CAD-KEY, PersonalDesigner, ADEM, КОМПАС. Такие системы, как правило, используются на персональных компьютерах отдельными пользователями и предназначены в основном для качественного выполнения чертежей.

2. Системы среднего класса. Сравнительно недавно появившийся класс относительно недорогих трехмерных CAD-систем, к числу которых относятся AMD, SolidEdge, SolidWorks и т. д. С помощью таких систем можно решать до 80 % типичных машиностроительных задач.

3. Системы тяжелого класса. Такие системы предоставляют полный набор интегрированных средств проектирования, производства и анализа изделий. В эту категорию попадают программные продукты CATIA, Unigraphics, Pro/ENGENEER, CADDS5, EUCLID, Cimatron.

Для моделирования деталей контактной сети можно применять системы среднего класса. Рассмотрим программный комплекс SolidWorks.

SolidWorks предназначен для автоматизации работ на этапах конструкторской и технологической подготовки производства изделий любой степени сложности и назначения. Конструкторская подготовка производства включает в себя 3D-проектирование любых изделий (деталей и сборок) с учетом специфики изготовления, создание конструкторской документации в строгом соответствии с ГОСТ, промышленный дизайн, реверсивный инжиниринг, проектирование коммуникаций, инженерный анализ (прочность, устойчивость, теплопередача, частотный анализ, электромагнитные расчеты), экспресс-анализ технологичности на этапе проектирования.

Данный продукт позволяет строить 3D-модели для визуального представления проекта, оформлять чертежи, а самое главное – испытывать эти модели на механическую устойчивость к нагрузкам. К преимуществам можно отнести интуитивно понятный интерфейс, с которым может разобраться каждый пользователь, не прибегая к специальным курсам; простоту проведения расчетов при необходимой точности [3].

Для испытания прочностных характеристик узлов контактной сети исследования проведем на примере зажима КС-048 (рис. 1), чтобы в дальнейшем можно было сделать выбор материала для изготовления и знать места наиболее подверженные разрушению под нагрузкой всей контактной подвески в целом.

Рис.1. Вид с составленными деталями зажима КС-048

Для проведения расчета на прочность необходимо указать место фиксации – плоскость прохождения несущего троса (выемку вверху детали) и приложить усилия порядка 10 кН к месту расположения струны (полукруглый паз внизу детали). Указав эти минимальные параметры, можно проследить возможную деформацию зажима, распределение напряжений по детали (рис. 2, а), а также выявить области, подвергающиеся необратимой деформации (разрушению) при превышении коэффициента запаса прочности. В приведенном эксперименте был выставлен коэффициент 4 для более наглядного проявления слабых мест на детали (рис. 2, б).

а	б
Рис. 2. Результаты испытаний: а – распределение и шкала напряжений; б – разрушение детали

При протекании тока по системе токосъема имеет место закон Джоуля – Ленца, т. е. проводящие элементы нагреваются. При нагреве все материалы значительно меняют свои свойства. Это можно учесть при проведении виртуальных испытаний.

Для примера выставим при испытаниях в SolidWorks температуру допустимого перегрева для класса А (105 °С). Напряжения в детали практически распределяются, как и в первом испытании, но по значениям заметно отличаются (рис. 3).

Рис. 3. Результаты испытаний в SolidWorks при заданной температуре

При помощи САПР можно проводить анализ различных материалов, форм зажима и прогнозировать его поведение под теми или иными нагрузками при воздействии внешних факторов. Это помогает опробовать новые конструктивные решения, и провести простейшие испытания не изготавливая опытный образец, и не используя дорогостоящие испытательные лаборатории.

По итогам испытаний можно сделать вывод о том, что нагрузки превышают предел текучести материала, а деформации не обратимы, особенно при температурах. Следовательно, зажим КС-048 нельзя использовать в узлах подвески в места трогания тяжеловесных поездов с большими пусковыми токами.

Таким образом, применение САПР для моделирования работы объектов электрифицированных железных дорог способствует выбору наиболее прочных материалов для их изготовления и повышает их надежность в период эксплуатации.

Список использованных источников

1. Троицкий В. А. Технические требования и стандарты в процессе международной интеграции систем железнодорожного транспорта // Известия Транссиба. – 2012. – № 4. – С. 99–106.

2. Правила устройств и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ЦЭ-868). Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения Российской Федерации. – М. : Трансиздат, 2002. − 184 с.

3. Ковалев А. А., Исаков Н. А., Несмелов Ф. С. Применение методов компьютерного моделирования для испытаний устройств контактной сети // Инновационный транспорт. – 2012. − № 5 (6). – С. 99–106.