Технические науки/4. Транспорт

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

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

Прогнозирование 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. Повышение срока службы элементов контактной пары может быть обеспечено за счет выбора оптимального сочетания материалов, наилучшим образом отвечающих требованиям качества токосъема.

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 устройств токосъема монорельсового электрического транспорта.

Установка имеет модульную конструкцию и в зависимости от целей исследования может быть оснащена следующими модулями: модулем для исследования силы трения в скользящем контакте, модулем для моделирования ударных процессов при прохождении токоприемником стыковых зон токопровода, модулем 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 устройств токосъема связано с необходимостью решения многофакторной задачи, снизить количественный уровень которой позволяет теория подобия. Ввиду неоднородности составляющих процесса электромеханического износа контактных пар устройства токосъема монорельсового транспорта 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 И_m. В соответствии с положениями теории подобия было получено уравнение:

,

(1)

где а₀ – постоянная, отражающая влияние на процесс неучтенных факторов; a_m, b_m, g_m, e_m, l_m, w_m – коэффициенты, определяемые экспериментально; И_m / Р – симплекс (отношение износа массы контактного элемента к давлению); Ptc₂ / (r²l₁) – комплекс (мера отношения удельной мощности трения к способности токопровода накапливать, а контактного элемента – передавать тепло); vt / r– отношение пути трения к коэффициенту поверхности контактного элемента; j₀/j₁ – коэффициент, учитывающий влажность среды; c₀/c₁ – коэффициент, учитывающий запыленность среды.

Общий электрический износ можно определить по формуле:

^,

(2)

где g – коэффициент, характеризующий дугостойкость материала;
Q –количество электричества, прошедшее через дугу; W₀ – коэффициент износа от механической нагрузки (без тока); Р – контактное нажатие; s – длина пути трения; g – коэффициент, характеризующий износ материала вследствие повышения шероховатости поверхностей; W₁ – коэффициент износа при токовой нагрузке без искрения; – коэффициент, характеризующий электроэрозионный износ от дугостойкости материала; – комплекс (см. уравнение (1); k₁ – k₅ – коэффициенты, определяемые экспериментально;
k₃ – коэффициент, учитывающий род тока (переменный или постоянный) и полярность контактного элемента (анодно- или катодно-поляризованный); J – параметр, учитывающий степень влажности и запыленности окружающей среды.

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

(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 Р_кт 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 Р_кт и U-образной зависимости износа.

Рис. 2. Алгоритм прогнозирования износа контактных пар

Результаты прогнозирования для меднографитового контактного элемента приведены на рис. 3.

Рис. 3. Графики прогнозирования износа меднографитового КЭ:
а – контактное нажатия на участке; б – удельный износ контактного элемента

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