Технические науки/4. Транспорт

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

Москалюк Б. М., Орлов А.А.

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

К ВОПРОСУ О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ИЗНОСА КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА МОНОРЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Одной из актуальных проблем при создании монорельсовых транспортных систем является обеспечение надежной и экономичной передачи электроэнергии подвижному составу. Решение этой проблемы связано с разработкой новых или модернизацией существующих устройств токосъема. Передача электроэнергии электрическому монорельсовому подвижному составу осуществляется через скользящий контакт «контактный элемент – токопровод», вследствие чего элементы этой пары функционируют в условиях повышенного электромеханического износа.

В Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПС) разработана методика прогнозирования ресурса контактных пар устройств токосъема, основанная на использовании результатов экспериментальных исследований. Исследования выполняются на специализированной установке возвратно-поступательного типа (рис. 1), позволяющей моделировать процесс взаимодействия элементов контактных пар в условиях, максимально приближенных к режиму эксплуатации.

Установка имеет модульную конструкцию и в зависимости от целей исследования может быть оснащена следующими модулями: для исследования силы трения в скользящем контакте, для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон токопровода, для исследования износа при высоких или низких температурах и др.

Механическая часть установки включает в себя станину, на которой установлены направляющие, сочлененные со скользунами и закрепленной на них подвижной кареткой 4. На каретке закреплен токоприемник с контактным элементом 3, взаимодействующий с отрезком токопровода 1, закрепленным на изолировочной пластине 2. Возвратно-поступательное перемещение каретки 4 осуществляется с помощью привода вращения, связанного с кареткой тягой 7. Конструктивное исполнение тяги включает блок 8 для подключения перечисленных выше модулей.

Помимо возвратно-поступательного установка позволяет проводить исследования при одностороннем движении [1], 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 5 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.

Рис.1. Специализированная установка возвратно-поступательного типа

Методика экспериментальных исследований [2] реализуется по следующим направлениям:

– оценка работоспособности трибосистемы «контактный элемент – токопровод» при различных сочетаниях материалов и режимов испытания, соответствующих натурному узлу;

– оценка износостойкости элементов контактных пар для заданных параметров процесса эксплуатации;

– прогнозирование фрикционно-износных характеристик узла трения;

– анализ чувствительности, т. е. точное определение такого сочетания внешних факторов и их значений, при котором обеспечиваются наилучшие выходные характеристики всей трибосистемы; выявление функциональных соотношений между внешними факторами и  откликом системы.

Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован комбинированный способ – совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета,  основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема.

Моделирование процесса трения в контактных парах связано с необходимостью решения многофакторной задачи, снизить количественный уровень которой позволяет теория подобия. Ввиду неоднородности составляющих процесса электромеханического износа были составлены соответствующие модели для электрического и механического износа.

Для моделирования механического износа в соответствии с положениями теории подобия в один критерий были объединены следующие факторы: плотность, твердость, коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность [3], а также определена группа факторов, составляющих модель: нагрузка на образец Р, Н; интегральный коэффициент  поверхности r, м; скорость скольжения v, м/с; время испытания t, c; содержание меди в материале контактного элемента М,%; твердость материалов токопровода и контактного элемента Н1 и Н2; теплопроводность материала контактного элемента l1, Вт/(м·К); удельную теплоемкость токопровода с2, Дж/(кг·К). В качестве параметра оптимизации принят износ массы Иm. Таким образом,  было получено уравнение:

,

(1)

где а0 – функционал, отражающий влияние на процесс неучтенных факторов;  – функционал, логарифмически зависящий от нажатия в контакте; , ,  – коэффициенты, определяемые экспериментально; Ptc2 / (r2) – комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента – передавать тепло); υt / r – комплекс (отношение пути трения к характерному линейному размеру элемента);  – критерий Мейера; Pυ – мощность трения, fт – коэффициент трения;– отношение среднего значения относительной влажности окружающей среды за пять лет к значению относительной влажности на момент исследований,
 – отношение среднего значения запыленности окружающей среды за пять лет к значению ее запыленности.

Общий электрический износ можно определить по формуле:

(2)

где  – интенсивность электроэрозионного изнашивания, линейно зависящая от дугостойкости материала с учетом температурного градиента элемента контактной пары;

R0 – электрическое сопротивление материала при температуре окружающей среды 20 оС;

 – температурный коэффициент электрического сопротивления;

 – масштабные коэффициенты;

k1 – функционал, прямо пропорциональный по модулю величине контактного нажатия и логарифмически зависящий от рода тока и поляризации контактного элемента (КЭ);

k2 – функционал, обратно пропорциональный величине контактного нажатия и логарифмически зависящий от рода тока и поляризации КЭ;

 – коэффициент, учитывающий род тока (переменный или постоянный) и полярность КЭ (анодно- или катодно-поляризованный);

 – симплекс, учитывающий содержание графита в материале КЭ;

 – функционал, характеризующий состояние окружающей среды (температуру, влажность, запыленность);

 – коэффициент, учитывающий изменение параметров внешней среды в зоне контакта;

 – критерий Фурье (ai – коэффициент температуропроводности, ti – время изменения внешних условий,  – характерный линейный размер), устанавливающий соответствие между темпом изменения условий в окружающей среде и темпом перестройки температурного поля внутри элемента контактной пары).

Таким образом, с учетом уравнений (1) и (2) можно получить суммарный электромеханический износ элементов контактной пары.

                                          Ih = IM + IE,                                       

(3)

Отклонение расчетных и экспериментальных данных составляет не более 6 %. Массив информации, полученной в результате экспериментальных и теоретических исследований контактных пар, используется для прогнозирования износа контактных элементов. Алгоритм прогнозирования представлен на рис. 2. Исходными данными для прогнозирования также являются: график контактного нажатия токоприемника; график токовой нагрузки; график скорости движения подвижного состава на конкретном участке; параметры условий эксплуатации. Затем выполняется обработка графика контактного нажатия Ркт на заданном участке: определение среднего значения нажатия, значений предельных отклонений (и количества отклонений) и т.д. Окончательный расчет износа контактных элементов и прогнозирование их ресурса осуществляется путем компьютерной обработки результатов анализа графика Ркт и U-образной зависимости износа.

Рис. 2. Алгоритм прогнозирования износа контактных пар

Результаты прогнозирования для меднографитового и металлокерамического (МКЖ)  контактных элементов приведены на рис. 3.

Рис. 3. Графики прогнозирования износа меднографитового КЭ: 
а – график скорости движения ЭПС на участке между станциями;

б – график потребления тока на участке;

в – распределение контактного нажатия на участке;

г – кривая интенсивности изнашивания КЭ из меднографитового композита;
д – кривая интенсивности изнашивания КЭ из МКЖ

Литература:

1. Сидоров, О. А. Патент на полезную модель №58463. МПК B60L 3/12. Устройство для исследования скользящего контакта между токоприемником и токопроводом / О. А. Сидоров, С. А. Ступаков, А. С. Голубков, А. Н. Кутькин, В. М. Филиппов. Заявл. 29.06.2006. Опубл. 27.11.06. Бюл. № 33. – 2006.

2. Михеев, В. П. Исследование и прогнозирование износа контактных пар устройств токосъёма / В. П. Михеев, О. А. Сидоров, И. Л. Саля // Известия вузов. Электромеханика. 2003. – № 5. – С. 74-79.

3. Хольм Р. Электрические контакты / Перевод с английского. Под ред. д.т.н., проф. Д. Э. Брускина и д.х.н. А. А. Рудницкого /  Р. Хольм. – М.: Издательство иностранной литературы, 1961. – 464 с.

4. Ступаков С. А. Моделирование электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта / С. А. Ступаков, О. А. Сидоров, В. М. Филиппов // Трение и смазка в машинах и механизмах. – М: Машиностроение. № 2. 2012. – С. 37 – 47.

5. Браун Э. Д. Моделирование трения и изнашивания в машинах / Э. Д. Браун, Ю. А. Евдокимов, А. В. Чичинадзе. – М.: Машиностроение, 1982. – 191 с.

6. Biesenack H. Kontakt zwischen Fahrdraht und Schleifleiste–Ausgangspunkte zur Bestimmung des elektrischen Verschleißes / H. Biesenack, F. Pintscher // Elektrische Bahnen. – München: Oldenbourg Industrieverlag GmbH, 2005. – № 3. – P. 138 – 146.

7. Мышкин Н. К. Электрические контакты / Н. К. Мышкин, В. В. Кончиц, М. Браунович. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. – 560 с.

8. Ступаков С. А. Построение математической модели механического износа контактных пар устройств токосъема / С. А. Ступаков, О. А. Сидоров, В. М. Филиппов, А. А. Орлов // Вестник СибАДИ. – Сибирская гос. автомобильно-дорожная академия. Омск, 2013. – № 3 (31). – С. 97 – 101.