В Омском государственном университете путей сообщения разработана методика исследования износа контактных пар устройств токосъема, которая реализуется лабораторным комплексом, позволяющим осуществлять износоусталостные испытания в соответствии с требован

Технические науки/4. Транспорт

Сидоров О. А., Филиппов В. М., Ступаков С. А.

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

Исследование влияния низких температур на изнашивание элементов контактных пар устройств токосъема электрического транспорта

Создание высокоскоростного электрического транспорта является одним из путей повышения провозной и пропускной способности магистралей. В настоящее время в мире активно реализуются проекты по развитию транспортной инфраструктуры крупных мегаполисов: строятся метрополитены и монорельсовые системы [1]. Для бесперебойной передачи электроэнергии подвижному составу необходимо оснащение его устройствами токосъема, отвечающими требованиям надежности и качества электроснабжения, а также отличающимися от существующих увеличенным сроком службы.

При проектировании устройств токосъема необходимо учитывать возможные параметры их эксплуатации и факторы, влияющие на качество токоснимания. Контактная пара устройства токосъема (УТ) обеспечивает передачу подвижному составу тягового тока, что вызывает усиленный электромеханический износ ее элементов. Одним из факторов, существенно ускоряющих процесс изнашивания элементов пары, является термическое действие электрического тока. Сотрудниками Омского государственного университета путей сообщения выполнялись экспериментальные исследования изнашивания различных элементов контактных пар по методике, приведенной в работе [2].

Исследования проводятся на установках лабораторного комплекса, прошедших государственную аттестацию и позволяющих выполнять всесторонние исследования УТ магистрального, монорельсового и других видов электрического транспорта. В рамках данной статьи рассматриваются методика и результаты экспериментальных исследований изнашивания элементов контактных пар (ЭКП) УТ монорельсового транспорта.

ЭКП УТ монорельсового транспорта отличаются сложной геометрией поверхностей контакта, поэтому исследования выполнялись на специализированной установке возвратно-поступательного типа (рис. 1), позволяющей моделировать процесс взаимодействия ЭКП в условиях, максимально приближенных к режиму эксплуатации УТ монорельсового электрического транспорта.

Рис.1. Специализированная установка возвратно-поступательного типа

Установка имеет модульную конструкцию и, в зависимости от целей исследования, может быть оснащена различными модулями, в том числе модулем для исследования износа при высоких или низких температурах. Оригинальность решений, использованных при создании установки и ее модулей, подтверждена патентами РФ на полезные модели.

Механическая часть установки включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 1. На каретке закреплен токоприемник с контактным элементом 2, взаимодействующий с отрезком токопровода 3. Возвратно-поступательное перемещение каретки 1 осуществляется с помощью привода вращения, связанного с кареткой тягой 4. Конструктивное исполнение тяги включает блок 5 для подключения перечисленных выше модулей.

Помимо возвратно-поступательного установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении, т. е. имитировать реальный процесс движения в одном направлении. Процесс движения в одну сторону реализуется с помощью копира 6, который устанавливается на тяге. При движении ролика 7 по поверхности копира токопровод поднимается и половину периода вращения привода элементы трибосистемы не взаимодействуют. Для имитации реального процесса взаимодействия трибосистемы «токоприемник – токопровод» в соответствии с положениями теории моделирования были выбраны параметры жесткости токопровода. Результаты исследований изнашивания контактных пар при нормальных условиях окружающей среды приведены в [2, 3].

Анализ условий эксплуатации электрического транспорта в России показывает, что ввиду разнообразия климатических зон температура окружающей среды варьируется от – 50 до + 40 ^оС. Необходимо отметить, что в зависимости от температурной зоны удельный вес зимнего периода за год может быть учтен с помощью соответствующего коэффициента (от 0,23 до 0,65). Воздействие низких температур на материалы контактных пар УТ осложняется влиянием ветровой нагрузки, которая в некоторых зонах составляет более 30 % от продолжительности зимнего периода, и повышенной влажностью.

Низкая температура ЭКП (до – 65 ^оС) для исследований их изнашивания ЭКП была достигнута посредством использования хладагента (рис. 2, а, б).

датчик температуры

контактный элемент

хладагент

хладагент

токопровод

Рис. 2. Размещение хладагента для охлаждения элементов контактной пары:

а – контактный элемент; б – токопровод

При низких температурах в металлах возникают внутренние структурные превращения [4]. Такие явления возникают в материалах даже в случаях кратковременного воздействия отрицательных температур и сопровождаются хрупким разрушением поверхностных слоев контакта в результате уменьшения пластичности материала.

Токовая нагрузка (независимо от рода тока) приводит к повышению температуры ЭКП в точке контакта: до 105 ^оС на контактном элементе (КЭ), до 73 ^оС на токопровода. Однако с учетом низкотемпературных изменений в материале интенсивность электромеханического изнашивания элементов остается выше, чем при нормальных условиях окружающей среды (рис. 3).

Рис. 3. Интенсивность изнашивания КЭ:

а – из меднографитового композита; б – из бронзы

На рис. 3 приняты следующие обозначения: 1 – интенсивность изнашивания КЭ при низкой температуре, 2 – то же при нормальных условиях окружающей среды, 3 – то же при абразивном воздействии; токовая нагрузка – 300 А.

Таким образом, режим эксплуатации УТ в условиях низких температур характеризуется повышенными значениями интенсивности изнашивания ЭКП для всех исследуемых материалов.

Литература

1. Правительство Российской Федерации. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года: распоряжение № 887-р от 17 июня 2008 г.

2. Сидоров О. А. Вопросы прогнозирования износа контактных пар устройств токосъема монорельсового электрического транспорта / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков // Трение и смазка в машинах и механизмах. М.: Машиностроение, 2012. № 2. С. 37 – 47.

3. Ступаков С. А. К вопросу исследования влияния температурных процессов на изнашивание контактных пар устройств токосъема электрического транспорта / С. А. Ступаков, В. М. Филиппов, В. В. Томилов // Materiały VIII Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Europejska nauka XXI powieką – 2012». Przemysl: Nauka i studia, 2012. P. 27 – 32.

4. Чичинадзе А. В. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун [и др.]. // М.: Машиностроение, 2001. 664 с.