Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ТОКОПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.07 -

Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ли Валерий Николаевич

Хабаровск 2008

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

МАСЛОВ Геннадий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АВИЛОВ Валерий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор

ГАЛКИН Александр Геннадьевич

доктор технических наук, профессор

ГРИГОРЬЕВ Василий Лазаревич

Ведущая организация - государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС).

Защита состоится “21” ноября 2008 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.

Автореферат разослан “10” октября 2008 г.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01., Тел./факс: (3812) 31-16-27; 31-13-44.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор О.А. Сидоров

© ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС), 2008.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

железный дорога контактный износ

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, ее научное и практическое значение, сформулированы цель и задачи исследований.

Первый раздел диссертации содержит данные анализа повреждаемости элементов контактной сети электрифицированных железных дорог, видов износа медного контактного провода, определение понятия теплового износа, обозрение и выбор методов испытаний и контроля качества материалов и изделий.

Устройства контактной сети являются наиболее повреждаемыми объектами в системе тягового электроснабжения. Удельный вес нарушений нормальной работы контактной сети от общего количества браков по вине хозяйства электроснабжения составляет в среднем за предыдущее пятилетие 87,7 %. Отметим, что при общем снижении количества браков их удельный вес стабильно не снижается.

Основные причины отказов устройств контактной сети связывают с несовершенством конструкций деталей, их монтажа и эксплуатации (45 %), старением устройств (24,5 %), обусловленных в значительной степени недостаточностью применения средств диагностики их состояния или вообще их отсутствием. Наиболее ответственными и чаще повреждаемыми являются не только провода и тросы контактной сети (в среднем 27 %), но и токопроводящие зажимы и другие детали (12 …18 %).

Основные задачи обеспечения надежной работы устройств контактной сети - установление причин возникновения отказов, изучение влияния внешних и внутренних факторов, определение критериев оценки их состояния, разработка методов диагностирования.

Анализ литературных и нормативных источников показывает, что под процессом изнашивания исследователями понимается потеря проводом части сечения за счет механического трения или электрической эрозии. В работе предложено введение в классификацию видов износа контактного провода понятия «тепловой» износ, характеризующий процесс термического разупрочнения (изнашивания) проводов в некотором объеме под действием тепловых импульсов (показано пунктирной линией на рис.1). Разупрочненный объем соответствует сечению провода, потерянному в результате механического трения или электрической эрозии.

Процесс теплового изнашивания может иметь постепенный, длительный или практически мгновенный характер. Примером последнего можно считать пережог провода, вызванный совместным действием электроэрозионного и теплового видов изнашивания.

Уменьшение сечения провода при механическом или электроэрозионном износах приводят к его вытягиванию. Небольшое вытягивание провода может произойти также из-за постоянно действующей растягивающей нагрузки и влияния внешних сил. Тепловой износ может также приводить к некоторому уменьшению сечения и удлинению проводника. Совместное воздействие теплового износа с натяжением в большинстве случаев приводит к обрыву контактного провода без значительного уменьшения его сечения и удлинения. Накапливающийся (постепенный) тепловой износ сопровождается образованием на проводе удлиненной шейки, мгновенный - короткой.

В эксплуатационных условиях выявить степень теплового износа по относительному удлинению или остаточному сечению крайне затруднительно, кроме случаев, когда эксплуатационный персонал визуально может отметить образование шейки на каком-то отрезке провода.

Рис. 1. Классификация видов износа контактного провода

Характеристика теплового износа контактного провода приведена на рис. 2.



Рис. 2. Характеристика теплового износа контактного провода

Введение термина «теплового износа» требует решения нескольких задач. Первая - отыскание критериев теплового износа, как степени потери прочности адекватного разупрочнению, вторая - нахождение способов оценки степени разупрочнения, третья - создание приборного обеспечения измерения степени разупрочнения без изъятия провода из действующей контактной сети, четвертая - разработка практических рекомендаций эксплуатационному персоналу по определению степени теплового износа.

В диссертации предложено оценивать тепловой износ по величине поверхностной твердости провода и (или) коэффициенту ослабления ультразвуковых колебаний.

Выбор материала для какой-либо определенной цели делают на основе его механико-технологических, физических и химических свойств. Контролировать эти свойства необходимо как в процессе изготовления, так и в ходе эксплуатации для выявления недопустимых изменений, а в случае повреждения изделия - определять его причину.

В работе использованы следующие методы испытаний: механические и технологические для исследования прочности, деформируемости, пластичности, вязкости, поверхностной твердости и характера разрушения; химические и физические для исследования химического состава и структуры материала; металлографические для исследования тонкого строения, структуры металлов и их изменения; неразрушающего контроля, основанные на взаимодействии различных форм энергии с материей, для выявления вида, величины и частоты расположения несплошностей (дефектов).

Особое внимание следует уделять неразрушающим видам контроля, имеющим первостепенное значение для обеспечения надежности и долговечности различных конструкций.

Следует отметить, что применение неразрушающего контроля и технической диагностики удорожает эксплуатацию, но их использование существенно повышает надежность изделий и объектов и обеспечивает достаточно значимый экономический выигрыш.

На основе анализа методов испытаний и контроля материалов для выявления состояния и эксплуатационного контроля конструкций токосъемных устройств необходимо применять методы неразрушающего контроля, предварительно определив физические эквиваленты, наиболее адекватные изучаемому явлению. В этом плане в диссертационной работе установлены взаимосвязи между структурными, механическими и акустическими свойствами материала контактного провода при его нагреве.

Второй раздел содержит результаты исследований, позволивших обосновать взаимосвязь структурных, механических и акустических свойств; рекомендуемые способы определения степени теплового износа материала контактного провода.

Успешный опыт применения ультразвуковой дефектоскопии в различных отраслях промышленности и исследования, проведенные нами, показали, что этот метод может быть эффективно использован для контроля большинства элементов и устройств контактной сети.

Методика исследования по установлению закономерностей между изменением структурных параметров провода и его акустическими и механическими свойствами реализована на специально созданной экспериментальной базе (патенты на ПМ № 64568 и №72915). Для анализа использовались четыре группы образцов медного контактного провода марки МФ 100, ГОСТ 2584-86. Первая группа была получена с участков контактной сети Дальневосточной железной дороги после различных сроков эксплуатации. Остальные группы - это образцы проводов, подвергшихся различным тепловым нагрузкам в лабораторных условиях (вторая группа - нагрев в условиях свободного конвективного теплообмена с окружающей средой током силой 240 - 420 А до температур 100 - 250 оС без выдержки, третья группа - нагрев током с последующей выдержкой продолжительностью 1800 с при заданной температуре, четвертая группа - нагрев образца провода транзитным током до 600 А с одновременным воздействием электрической дуги с током от 100 до 300 А и натяжением 800 -1000 даН). В качестве контрольного образца использовался провод в состоянии поставки. После полного остывания образцов проводились статические испытания на растяжение Fp; металлографические исследования структуры; измерения акустических характеристик (коэффициент ослабления и время распространения ультразвуковых колебаний tУЗ).

Механические испытания первой группы образцов не выявили существенной связи между продолжительностью эксплуатации провода и его прочностью. Это связано с малой значимостью фактора времени эксплуатации по отношению к другим факторам, например, к месту установки провода, что обусловливает различную интенсивность термической нагрузки провода.

Анализ результатов испытаний образцов проводов на жесткость при двух- и трехточечном изгибе показал, что зависимость жесткости контактного провода от температуры нагрева точно описать невозможно, вследствие сложности этой зависимости. То же можно сказать о характеристиках жесткости при испытании на кручение.

Кроме испытаний на жесткость, проводились измерения изменений активного электросопротивления в зависимости от теплового износа провода. В проведенных экспериментах получена также сложная зависимость значений электросопротивления провода от нагрева.

Характер полученных зависимостей можно качественно объяснить структурными перестройками в материале провода на макро- и микроуровнях.

Наиболее достоверной характеристикой при определении степени износа контактного провода является контроль по временному сопротивлению на разрыв - , но для его измерения необходимо вырезать образец контактного провода из действующей подвески, что неприемлемо с точки зрения эксплуатации. В лабораторных условиях были установлены зависимости от температуры нагрева (отжига) проводов. При этом разрывное усилие при температуре нагрева до 170 С отличается лишь на 4 % от разрывного усилия термически не обработанного проводника. В интервале температур от 170 до 200 С разрывное усилие резко снижается. При температурах 200 - 240 С снижение разрывного усилия продолжается и по отношению к термически не обработанному проводу составляет 70 %. Провода с таким значением разрывного усилия в процессе эксплуатации имеют повышенную вероятность разрыва, что и происходит при совпадении нескольких неблагоприятных факторов (резкий порыв ветра, гололед и т. д.).

Твердость является специфическим свойством металла, поэтому она относится к одной из разновидностей механических испытаний таких же, как сжатие или растяжение. Границы зон степени разупрочнения материала провода, определенные испытаниями в лабораторных условиях образцов на поверхностную твердость и разрыв, практически совпадают (рис. 3). Следовательно, твердость - характеристика, которая обеспечивает с необходимой надежностью определение степени теплового износа контактного провода в условиях эксплуатации, и при этом не требуется демонтаж образца из подвески. По значению твердости легко установить температуру отжига.

Экспериментальные исследования акустических и прочностных характеристик провода показали, что параметр tУЗ мало информативен вследствие слабой его зависимости от режимов нагрева (при вариации температур от 20 до 250 0С изменения tУЗ для выбранной марки провода не превышают 0,1 мкс).

Рис. 3. Изменения механических свойств контактного провода в зависимости от температуры

Более чувствительным к нагреву оказался коэффициент ослабления ультразвуковых (у.з.) колебаний. Для исключения ряда методических и систематических погрешностей в работе использовался метод сравнения.

При этом относительные изменения коэффициента ослабления «нагруженных» образцов по отношению к контроль-ному () определялись по изменению огибающей амплитуд переотраженных эхо импульсов. Измерения проводились по раздельно-совмещенной схеме на частотах 5 и 10 мГц дефектоскопом А1212.

Предложен следующий порядок определения изменений коэффициента ослабления «нагруженного» образца относительно контрольного (=Н-0, где Н, 0 - коэффициенты ослабления у.з. колебаний для «нагруженного» и контрольного образцов соответственно).

1. Относительные изменения амплитуд переотраженных в образце у.з. импульсов (i - номер переотраженного импульса) определяются соотношением:

,(1)

где V - коэффициент отражения у.з. колебаний от границы раздела преобразователь-образец; - функция, учитывающая расходимость у.з. колебаний по мере их распространения; d - толщина образца (в нашем случае диаметр контактного провода); f - частота у.з. колебаний; a - радиус преобразователя у.з. колебаний.

Для выбора вида функции в ультразвуковом неразрушающем контроле сравнивают расстояние z, на котором находится отражатель у.з. колебаний, с величиной а2/, где =С/f; C - скорость распространения у.з. колебаний в материале провода). При z а2/ полагается (ближняя зона), что = 1 и при z 3а2/ (дальняя зона) - 1/z. В нашем случае реализуется промежуточный вариант, при этом можно представить в виде:

,(2)

где ; J0(),J1() - функции Бесселя нулевого и первого порядков соответственно; k = 2 f/С - волновое число.

2. Производится измерение амплитуд переотраженных в образцах (контрольный и нагруженный) у.з. импульсов (обычно 5-7 импульсов) и находятся величины .

3. Применяя метод наименьших квадратов, с учетом выражения (1), находят значение параметра , по формуле, Нп/м:

,(3)

4. Используя выражение (3), проводят вычисления 0 для контрольного образца и Н для нагруженного и находят .

На рис. 4 приведены зависимости параметра и усилия разрыва (FР) от температуры нагрева.



Рис. 4. Изменения коэффициента ослабления и усилия разрыва в зависимости от температуры нагрева контактного провода: I (вторая группа), II (третья группа) -5 мГц; III, IV - усилия разрыва; V - 10 мГц

Найденные закономерности согласуются со свойствами меди и её сплавов, представляемых металловедением и данными металлографии, и коррелируют с измеренными значениями усилий разрыва.

Последующие теоретические и экспериментальные исследования позволили определить наиболее информативные частоты ультразвуковых колебаний, равные 5 и 10 мГц.

Таким образом, измерения коэффициента ослабления у.з. колебаний позволяют (при использовании частот 5 и 10 мГц) достаточно надежно оценивать как «тепловую» предысторию, так и прочностной ресурс провода. Предпочтительней является частота 10 мГц.

Для выяснения механизма разупрочнения контактного провода проводились металлографические исследования. Микроструктуру провода изучали на поперечных и продольных шлифах (рис. 5).

В качестве микрообъекта, отвечающего за изменение прочности провода, для анализа было выбрано действительное зерно. Подготовку образцов и подсчет размеров зерен проводился по ГОСТ 21073.0-75 - ГОСТ 21073.4-75. Предлагаемый государственными стандартами средний размер зерна в нашем случае мало информативен. Поэтому подсчет количества зерен производился с разбивкой по размерным группам. Было принято 7 размерных групп, мкм. Подсчет количества зерен в группах в поперечных и продольных сечениях проводили по фотографиям микроструктур (рис. 5, 6).

В связи с неоднородностью микроструктуры провода по сечению выделялись зоны: 1- в середине, 2- на краю в области контакта, 3- на краю в области галтели, вне зоны контакта.

а б

Рис. 5. Микроструктура образцов провода:

а - поперечное сечение; б - продольное сечение

Одновременно определялись обобщенные и усредненные значения твердости зерен различных размеров из разных зон исследуемых образцов. Причем значения твердости зерен в поперечном сечении уменьшаются линейно в зависимости от степени нагрева провода. Минимальная твердость зерен обнаружена в образце провода, нагретого до температуры 250 0С. В продольном сечении отмеченной закономерности не наблюдается (рис. 7).

Проведенными исследованиями установлено, что при температурных нагрузках в лабораторных условиях и в условиях эксплуатации происходит разупрочнение провода, сопровождающееся уменьшением твердости зерен.

В условиях эксплуатации контактный провод претерпевает как механический износ, так и циклическое действие нагрева, обусловленное прохождением по участку подвижного состава. Температурное циклирование совместно с постоянной растягивающей нагрузкой приводит к уменьшению прочности и к удлинению провода, т. е. уменьшению его сечения по всей длине.

Рис. 6. Распределение зерен в поперечном сечении: 1- исходный образец; 2 - образец 3 (нагрев до 140 0С); 3 - образец 8 (нагрев до 250 0С); 4 - образцы после эксплуатации

Процесс происходит тем интенсивнее, чем большее количество температурных циклов испытывает провод. При этом наблюдаются изменения структуры материала и уменьшение значений предела упругой деформации.

Нагрев провода до температуры 240 0С приводит к значительному его утонению по сравнению с проводами без нагрева или при нагреве до 100 0С. Однако обрыв провода только по причине уменьшения сечения маловероятен, эксплуатационные службы железной дороги не могут допустить настолько очевидное уменьшение поперечного сечения провода по всей длине, не заменив его новым.



Рис. 7. Микротвердость зерен: 1 - исходный образец в состоянии поставки; 2 - образец 3 (нагрев до 140 0С); 3 - образец 8 (нагрев до 250 0С)

В практике отмечаются случаи появления локальной пластической деформации провода, которая может быть связана с наличием дефектов внешнего или внутреннего строения провода. К внутренним дефектам можно отнести крупные включения окислов меди и дефекты микроструктуры. Эти дефекты, являясь препятствиями для движения дислокаций при пластической деформации, способствуют образованию мест локального их скопления и в дальнейшем приводят к образованию микротрещин и пор. Кроме этого, крупные неметаллические включения, например CuO, внутри провода могут приводить к повышенному локальному нагреву и местному разупрочнению провода.

При изучении механизма разупрочнения провода, связанного с процессами в области контакта графитовой вставки токоприемника электроподвижного состава и контактного провода, было отмечено следующее.

Графитовые вставки, бывшие в эксплуатации различное время, на своей поверхности наряду с признаками износа от трения, имели локальные лунки с краями неправильной формы и диаметром от 1 до 10 мм. Причиной появления этого вида износа являются возникающие при движении удары и нарушения контакта, сопровождающиеся искрением и дугообразованием.

В лабораторных условиях проведен эксперимент по воздействию дуги на поверхность графитовой вставки. При этом наблюдалось взрывообразное разрушение поверхности вставок с образованием лунок, подобных обнаруженным ранее на образцах, бывших в эксплуатации. Изношенная поверхность графитовой вставки вызывает увеличение плотности тока в местах контакта (контактных мостиках) и способствует перегреву провода. В зависимости от продолжительности и температуры теплового воздействия возможна различная степень его разупрочнения, хотя сила тока в проводе остается в пределах допустимого, и автоматические защитные устройства не отключат электропитание.

Рис. 8. Удлинения провода в зависимость от силы растяжения при различной длительности дугового воздействия: 1 - без воздействия; 2 - продолжительность дугового воздействия 3 с; 3 - 6 с; 4 - 12 с; 5 - 15 с

Процессы, происходящие в области контакта между медным проводом и контактной графитовой вставкой, можно рассматривать по аналогии с электроэрозионным процессом. Искровой механизм разрушения провода может приводить к образованию относительно небольших дефектов. Больший по размеру дефект вызывает только дуга. При этом нагрев провода дугой может привести к снижению его прочностных свойств в локальном объеме. На рис. 8 приведены зависимости удлинения контактных проводов от нагрузки, поверхность которых подвергалась дуговому воздействию различной длительности.

Увеличение времени воздействия приводит к постепенному уменьшению предела прочности и предела текучести и одновременно к росту удлинения. Но чем меньше длительность дугового процесса и больше выделяемая мощность, тем локальнее будет место перегрева и выше температура нагрева. Последнее способствует переводу материала в жидкое состояние и часто сопровождается образованием эрозионной лунки. Последующая эксплуатация провода с поврежденной поверхностью в виде эрозионной лунки приведет к многократным дуговым процессам в этом месте и дальнейшему локальному разупрочнению за счет эффекта накопления термических и структурных изменений.

При проведении акустических измерений (на частотах 5 мГц и 10 мГц) было отмечено, что амплитуда переотраженных у.з. импульсов от образца к образцу меняется не по экспоненциальному закону, т. е. происходят не монотонные изменения амплитуды переотраженных импульсов. Однако сглаженная монотонно убывающая огибающая для однотипных образцов остается неизменной.

Полученные результаты позволяют разработать методы и средства идентификации мест на контактном проводе, в которых структура материала соответствует переплавленному. В качестве информативного параметра следует выбрать удельное ослабление или коэффициент ослабления у.з. колебаний.

На этом принципе была построена аппаратура по оценке остаточного ресурса контактного провода и передана в электротехнические лаборатории Дальневосточной, Забайкальской и Красноярской железных дорог.

Третий раздел посвящен исследованию теплового износа контактных проводов, изготовленных на основе меди, в результате воздействия подвижной электрической дугой. Применение методов математического моделирования позволило получить оценки характерных параметров процесса термической усталости, определить количественные критерии образования различных дефектных структур в контактной зоне провода.

Модельное решение задачи находится с помощью метода «источников». Было принято, что характерный размер тела значительно больше характерного размера основания источника, областью нагрева в безразмерных координатах является полубесконечная область. Первоначально решение задачи представляется в виде суммы тепловых воздействий от подвижного точечного источника с координатами (, 0 , 0):

(, ),(4)

где - начальное установившееся распределение температуры; = - расстояние рассматриваемой точки «()» до основания подвижной дуги;

- время действия точечного источника; - характерные значения параметров материала.

Тепловое влияние от подвижного источника меньше, чем от неподвижного, расположенного над точкой наблюдения с тем же распределением теплового потока для электрической дуги

,(5)

где r - расстояние до неподвижного источника, см; - координаты точки перемещения дуги, =, мм, (рис. 9).

Распределение температуры со временем t в рассматриваемой точке определяется в основном поступлением тепла от подвижной дуги из некоторой окрестности этой точки

. (6)

Рис. 9. Модель отрезка контактного провода, подверженного влиянию дуги

При и r=0 значение температуры равно бесконечности, что существенно отличается от действительной. В этом заключается особенность и недостаток решения уравнения теплопроводности по методу источников. С течением времени происходит выравнивание температуры.

Температура в окрестности данной точки падает и одновременно вне ее повышается вследствие отдачи тепла из области значительного нагрева во внешнюю область. Для оценки значений пределов Х, Y находится производная по времени

,(7)

Где

.(8)

Определяются корни уравнения :

.(9)

Подинтегральное выражение отрицательно во временном интервале в области .

Следовательно, . Кроме того, подтвердили оценку характерного размера области нагрева контактного провода подвижной дугой (при =0,01 с), см

. (10)

Поглощаемая на контакте тепловая мощность дуги определяется соотношением (в исходных значениях переменных)

,(11)

где - площадь основания дуги; , , , - падение напряжения, мгновенное значение тока, частота и время от предшествующего перехода тока через нуль до момента размыкания контактов (=0).

Нагрев контактного провода от воздействия электрической дуги происходит в масштабах быстрого времени ( ~ ).

Некоторые результаты расчетов представлены на рис.10.

а б

Рис. 10. Нагрев точки контакта подвижной дугой медного (а) и бронзового (б) контактных проводов в зависимости от тока дуги, при температуре окружающей среды Т=0 0С, при r=0,2 см и времени воздействия дуги: 1 - t=0,001 c; 2 - t=0,01 c; 3 - t=0,1 c; 4 - t=1 c

Расчеты изменения температуры основания неподвижной дуги после погасания показывают, что и охлаждение протекает также достаточно быстро, тогда изменение температуры основания дуги в процессе охлаждения определяется соотношением:

,(12)

Таким образом, имеют место мгновенные локальные нагревания контактных проводов. Значения термических напряжений для малых деформаций определяются на основании обобщения закона Гука, мПа

. (13)

Под действием электрической дуги, вследствие возникающих термических напряжений, происходят процессы нагрузки-разгрузки. Оценка предельных значений дополнительных усилий в малом сегменте провода производится по выражению

; ,(14)

где S - площадь радиального сечения области нагрева, - символ Кронекера). Пример результатов расчета приведен на рис. 11.

При Т=Тпл , =, =0,04 см дополнительные усилия составляют, например, 59,7 даН, что сопоставимо с воздействием собственного веса провода, ветра, гололеда. При значительном нагреве в сумме с номинальным натяжением может достигаться допустимое максимальное растягивающее натяжение 12 кН.

Кроме того, происходят структурные изменения в области нагрева и образуются дефекты (концентраторы напряжений) контактной поверхности провода.



Рис. 11. График зависимости дополнительных термических усилий в контактном проводе от температуры нагрева в рассматриваемой точке: 1 - r=0,02 cм; 2 - r=0,1 см; 3 - r=0,2 см (без штриха - медный провод, со штрихом - бронзовый провод)

Таким образом, необходимо учитывать не только масштабы, но и характер воздействия электрической дуги.

Предполагая, что деформирование в результате теплового воздействия дуги в целом является необратимым, получена оценка числа циклов до разрушения

~<<=5. (15)

Термическая усталость носит кратковременный характер, но при-водит к разрушению за число циклов, много меньшее базы испытания для медных сплавов .

Далее были определены критические значения скорости перемещения дуги, при которых начинают образовываться характерные типы дефектов на рабочей поверхности провода. Например, для дуги постоянной мощностью 100 Вт, временем горения 0,01 с и основанием 0,04 см при скорости V=9 м/с происходит нагрев до температуры плавления Тпл, а при V=6 м/с - превращение материала элемента контактного провода в жидкое состояние. Для неподвижной дуги протекает процесс испарения материала. На рабочей поверхности провода при этих режимах горения дуги возникают соответственно каверны, наплывы и выплавления. Образовавшиеся дефекты провода при дальнейшем циклическом нагружении являются концентраторами напряжений.

На основе анализа модельного решения задачи исследован механизм потери прочности медного провода. Результаты количественного анализа показывают, что воздействие электрической дуги приводит к локальному разупрочнению, повреждению рабочей поверхности провода. Накопление изменений в процессе многократного дугового воздействия приводит в конечном итоге к разрушению провода. Для оперативного контроля за данными процессами необходимо дальнейшее усовершенствование и конструирование новой диагностической аппаратуры.

В четвертом разделе рассматриваются механизмы разрушения контактных вставок токоприемников и зажимов контактной сети, предложены способы их неразрушающего контроля.

Решая проблему неразрушающего контроля и продления срока службы контактного провода, необходимо учитывать второй контакт - вставку полоза токоприемника. Процессы, происходящие в области контакта, и свойства самой вставки непосредственно влияют на прочностные свойства провода. Установление механизмов разрушения контактной вставки в условиях эксплуатации позволяет выявить причины повреждения контактного провода. По разработанной методике (рис.12) исследовались вставки типа А, бывшие в эксплуатации, и новые. Кроме этого, изучению подвергались отложения в виде порошка, брызг, стружки, обнаруженные на боковой поверхности вставок, бывших в эксплуатации.

Исследования показали: во время нагрева вставки происходит изменение фазового строения в тонкой области контакта, которое приводит составляющие вставки в равновесное состояние. Но это происходит не у всех вставок, что свидетельствует об их изначально различных исходной структуре и свойствах.

Экспериментально установлена связь между свойствами материала вставки и характером акустического сигнала. Данный факт позволил разработать методику выбраковки и сортировки вставок по качеству изготовления методом ультразвукового зондирования. Ультразвуковой метод был дополнительно проконтролирован измерениями электропроводности вставок. Контроль качества вставок предлагается осуществлять в килогерцовом диапазоне частот по заранее заготовленным шаблонам. Шаблон представляет собой амплитудно-частотный спектр ультразвуковых колебаний, соответствующий определенному состоянию вставки по плотности и однородности структуры.

Рис. 12. Методика исследования контактных вставок

Отсортированные вставки были установлены в токоприемник электровоза № 1757 ВЛ-80С для грузового движения локомотивного депо Хабаровск-2 для опытной эксплуатации. При среднем пробеге вставок по механическому износу в весеннее время года 15 тыс. километров (по данным депо) опытные вставки после двухмесячной эксплуатации (апрель - май) имели пробег 32 тыс. км. с максимальным износом менее двух миллиметров и без нарушения целостности, что свидетельствует о высокой эффективности применения контроля качества их изготовления.

Одним из наиболее важных элементов подвески контактной сети является токопроводящая арматура, в частности токопроводящие зажимы, которые используются для соединения проводов и тросов в пролетах и шлейфах, присоединения проводов к выводам электрических аппаратов, комплектования подвесок проводов. От надежной работы зажимов зависит безаварийная работа всей контактной сети.

Токопроводящие зажимы должны удовлетворять следующим основным требованиям: обладать низким электрическим сопротивлением; иметь достаточно высокую механическую прочность; обладать высокой коррозионной стойкостью. При стремлении одновременно удовлетворить все вышеперечисленные требования возникают некоторые противоречия. Так, для обеспечения достаточной механической прочности необходимо использовать металл с добавками легирующих элементов, но при этом электросопротивление зажима резко увеличивается. Это увеличение наиболее существенно в тех случаях, когда для легирования используют материалы, образующие с металлом зажима твердые растворы. На надежность работы контактного зажима влияет не только его состав, но и наличие внутренних дефектов, которые в условиях эксплуатационных нагрузок могут приводить к его разрушению.