Совершенствование аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

совершенствование аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Паранин Александр Викторович

Екатеринбург - 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Галкин Александр Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Ли Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Смердин Александр Николаевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «25» марта 2011 г. в 14 -00 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при ФГОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения» по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова 66, ауд. 283.

С диссертацией, авторефератом и видеопрезентацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте УрГУПС http://www.usurt.ru.

Автореферат разослан «25» февраля 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета и по факсу (343) 245-31-88.

Тел.: (343) 358-55-10; e-mail: GVasilyeva@tm.usurt.ru

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор В.Р. Асадченко

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Жирным шрифтом обозначены векторные величины, обычным - скалярные.

u - скорость воздушного потока, м/с;

p - давление, Па;

з - динамической вязкость, Па·с;

с - плотности, кг/м3;

t - время, с;

Fвнш - вектор внешней объёмной силы воздуха, Н/м3;

E - единичная матрица;

- оператор градиента;

с - теплоёмкость, Дж•кг/К;

T - температура, К;

k - теплопроводность, Вт•м/К;

Q - объёмная плотность мощности источника тепла, Вт/м3;

gс - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2 ;

б - угол атаки воздушного потока, град.;

Re - число Рейнольдса;

Индекс ? - обозначает параметры невозмущённого проводом (бесконечно удалённый от него) воздушного потока. Они принимаются как граничные условия в конечно элементной модели.

Fx - сила лобового сопротивления, Н/м;

Fy - подъёмная сила, Н/м;

M - момент тангажа, Н/м;

cx, cy, cm - соответствующие аэродинамические коэффициенты этих сил и момента, имеют статическую составляющую и динамическую составляющую (соответственно индекс ст и дн), составляющие инерционного давления и вязкого трения воздуха (соответственно индекс p и ф);

q - скоростной напор воздушного потока, Па;

d - диаметр провода, м;

hпг - погонный коэффициент конвективной теплоотдачи приведённый к единице длины провода, Вт / (м•К) ;

a, kT?, kp? - коэффициенты зависимости hпг, соответственно, от скорости ветра u?, температуры воздуха T? и барометрического атмосферного давления p?;

mпг - погонная масса провода, кг/м;

S - площадь поперечного сечения провода, м2 ;

r0 - удельное электрическое сопротивление материала провода при 293 К, Ом•м ;

бR - линейный коэффициент изменения электрического сопротивления, 1 / К;

е - коэффициент серости поверхности провода;

- суммарный (сумма прямого и рассеянного потоков солнечной радиации) удельный поток солнечной радиации на поверхность, Вт/м2 ;

l - периметр границы поперечного сечения провода, м;

CСБ - постоянная Стефана-Больцмана 5,67•10-8 Дж • с-1 · м-2 · К-4 ;

I - ток, А;

Tуст и tнг - установившаяся температура, К и время нагрева провода, с;

Iдл - длительно допустимый ток (Tуст равна длительно допустимой) провода, А;

ОБЩАЯ ХАРКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшую роль в транспортном комплексе Российской Федерации продолжают играть железные дороги, основной грузо- и пассажиропоток на которых осуществляется по электрифицированным участкам. Главные проблемы и задачи развития электрифицированного железнодорожного транспорта на сегодняшний момент отражены в основополагающих документах: «Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030г.», утверждённая распоряжением Правительства РФ от 17.06.2008г. № 878-р; «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015г. («Белая книга» ОАО «РЖД»).

В данных документах одним из важнейших направлений является организация высокоскоростного и тяжеловесного движения с созданием соответствующего подвижного состава и необходимой инфраструктуры. При этом нагрузки на систему тягового электроснабжения значительно повышаются. В наиболее тяжёлых условиях находится контактная сеть, так как она не имеет резерва. Установлено, что наиболее повреждаемыми элементами контактной сети являются токоведущие провода, в основном, контактные провода и несущие тросы. Их механические и тепловые разрушения вызывают существенные негативные последствия. Можно утверждать, что при высокоскоростном и тяжеловесном движении доля тепловых разрушений токоведущих проводов от общего количества отказов контактной сети возрастёт. При этом тепловой расчёт контактной сети производится по стандартным аналитическим методикам, разработанным ещё в 60-х годах прошлого века. Данные методики имеют много упрощений (учёт в одном коэффициенте охлаждения за счёт конвекции и лучеиспускания, поперечное сечение проводов принимается круглым, температура по сечению и длине проводов одинакова) и не учитывают некоторых существенных факторов (солнечную радиацию, нагрев вызванный токосъёмом).

При высокоскоростном движении значительными становятся аэродинамические силы, воздействующие, в том числе, на контактную сеть. Кроме того, совершенствование способов расчёта аэродинамических сил, воздействующих на провода, требуется для борьбы с вибрацией и галопированием контактных подвесок, наблюдаемых в некоторых районах страны. Поскольку воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие, то аэродинамические и тепловые расчёты проводов должны быть взаимосвязаны в рамках одной модели.

Совершенствование существующих методик аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети необходимо для организации технического обслуживания контактной сети по состоянию. Для этого нужно создавать методы прогнозирования срока службы её элементов, в которых требуется учитывать, в том числе, аэродинамические и тепловые воздействия на провода на разных этапах жизненного цикла.

Цель диссертационной работы. Основной целью настоящей работы является совершенствование тепловых и аэродинамических расчётов проводов контактной сети с учётом различных факторов, действующих в эксплуатации.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать модель расчёта силового воздействия ветра на провода с учётом турбулентного отрывного характера течения, реальной геометрии проводов и физических свойств воздуха, зависящих от условий окружающей среды.

2. Разработать модель теплового расчёта проводов контактной сети с учётом нагрева от электрического сопротивления при протекании тягового тока, нагрева от солнечной радиации, охлаждения за счёт конвекции и лучеиспускания.

3. Разработать модель токораспределения и тепловых процессов при взаимодействии токоприемников с контактной сетью.

4. Определить аэродинамические и тепловые характеристики проводов контактной сети с учётом их реальной геометрии и параметров, а также условий окружающей среды.

Объект исследования. Провода контактной сети.

Предмет исследования. Аэродинамические и теплофизические характеристики токоведущих проводов контактной сети, токосъёмных пластин токоприёмника электроподвижного состава, процессы нагрева и конвективного охлаждения проводов контактных сетей, турбулентные отрывные течения, галопирование и вибрация проводов.

Методы исследования. Математический аппарат теории физического поля, метод конечных элементов с использованием уравнения Навье-Стокса, записанного в переменных «скорость-давление», уравнение нестационарного теплообмена, уравнение непрерывности для стационарных токов (закон Ома в дифференциальной форме), реализованный в среде Comsol Multiphysics.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Определены аэродинамические и теплофизические характеристики проводов контактной сети с учётом их параметров и условий окружающей среды.

2. Разработана математическая модель, в которой воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие.

3. Произведена оценка влияния формы аэродинамически неустойчивого сечения провода на интенсивность его галопирования.

4. Разработана модель на основе метода конечных элементов для расчёта нагрева полоза токоприёмника и контактного провода при токосъёме, актуальная, в том числе, при высокоскоростном и тяжёловесном движении.

Личный вклад автора состоит в: разработке математических моделей расчёта силового воздействия и тепловых расчётов проводов контактной сети; оценка аэродинамических и тепловых характеристик проводов в зависимости от их параметров и условий окружающей среды; применении данных моделей и полученных на их основании результатов для разработки предложений по корректировки нормативных документов; разработке новых и совершенствовании существующих аэродинамических гасителей «пляски» контактной подвески; разработке опытного образца системы теплового контроля проводов контактной сети; рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов; проверке схемных решений и конструкции при разработке конструкции отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов, полученных на модели автора, с известными положениями теории аэродинамики и теплопередачи, сравнением с данными различных натурных экспериментов, приводимых в литературе, а также с результатами эталонных моделей.

Практическую ценность представляют:

1. Рассчитанные аэродинамические и тепловые характеристики проводов позволяют скорректировать существующие нормативные документы (СТН ЦЭ 141-99, ПУТЭКС, ЦЭ-462).

2. Разработанная модель расчёта силового воздействия ветра, позволяющая определять аэродинамическую неустойчивость сечения провода (с гололедом или изношенного) и создавать аэродинамические гасители галопирования с необходимой для этого аэродинамической характеристикой.

3. Модель теплового расчёта проводов контактной сети, которая позволяет оценить их тепловое состояние на основе токовых нагрузок фидеров, полученных по результатам имитационного моделирования работы системы электроснабжения, а так же создавать систему теплового контроля проводов.

4. Модель теплового расчёта контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме, определяющая тепловые и токовые характеристики токоприёмника на этапе проектирования, а также позволяющая проводить анализ тепловых повреждений контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме возникающих в эксплуатации.

На защиту выносится:

1. Модель расчёта нагрузки от силового воздействия ветра на провода с учётом отрывного турбулентного характера течения, реальной геометрии проводов и физических свойств воздуха, зависящих от условий окружающей среды.

2. Модель расчёта теплового воздействия на провода контактной сети с учётом нагрева от собственных и переходных сопротивлений при протекании тягового тока, нагрева от солнечной радиации, охлаждения за счёт конвекции, лучеиспускания.

3. Результаты математического моделирования, направленные на разработку предложений по корректировке нормативных документов, новых и совершенствование существующих аэродинамических гасителей пляски контактной подвески, опытного образца системы теплового контроля и защиты контактной сети, рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, проверку схемных решений и конструкцию отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ 140.

Реализация результатов работы заключается в следующем:

1. Модель теплового расчёта контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме использовалась при разработке конструкции отечественного тяжёлого двухполозного асимметричного токоприёмника ТА 1-СТМ 140 производства ОАО «Синара - Транспортные Машины».

2. Экспериментальный способ борьбы с автоколебаниями внедрён в опытную эксплуатацию на Южно-Уральской железной дороге - филиале ОАО «РЖД», на участке контактной сети, подверженной автоколебаниям, Карталинской дистанции электроснабжения.

3. Модель теплового расчёта проводов использовалась для выбора рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, созданного в рамках научного сотрудничества между ГОУ ВПО УрГУПС и Siemens AG.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: 4-ая Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов», Уральский государственный технический университет - УПИ, г. Екатеринбург 2007г; Всероссийская научно-техническая конференция «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития»; научно-техническая конференция «Разработка и совершенствование электрооборудования для системы тягового электроснабжения железных дорог», Уральский государственный университет путей сообщения г. Екатеринбург 2008г.; 5-ая Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» Уральский государственный технический университет - УПИ, г. Екатеринбург 2009г; 4-ая Региональная научно-практическая конференция «Инструменты развития образовательных технологий в области энергосбережения» Российского государственного профессионально-педологического университета, г. Екатеринбург 2009 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ, одном патенте на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 106 наименований и приложений. Работа содержит 166 страниц основного текста, 38 рисунков, 6 таблиц и 5 приложений на 26 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

силовой ветер провод турбулентный

Во введении обоснованы актуальность, значимость выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе произведён анализ теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических и тепловых воздействий на провода контактной сети.

Значительный вклад в данной области внесли следующие отечественные и зарубежные специалисты: И. И. Власов, А. Т. Демченко, А. И. Гуков, А. Г. Галкин, Г. П. Маслов, В. П. Шурыгин, Л. Ф. Белов, А. И. Вольский, Ю. И. Горошков, В. Н. Ли, А. В. Фрайфельд, А. В. Воронин, К. Г. Марквардт, А. В. Ефимов, А. С. Бочев, Е. П. Фигурнов, Т. Е. Петрова, В. Л. Григорьев, Ю. Е. Купцов, В. П. Михеев, И. А. Беляев, С. Д. Соколов, А. А. Порцелан, В. Я. Берент, К. Л. Костюченко, В. Б. Тепляков, П. Шмидт, Д. Петрауш, Дж. Линген, С. Таконори, С. Цунахоси.

Анализ существующих методик расчёта силового воздействия воздушного потока на провода контактной сети показал, что существующие стандартные методики расчёта не учитывают динамическую составляющую силового воздействия ветра, вызывающего вибрацию, имеют грубый подход для выбора аэродинамических коэффициентов в зависимости от провода, не учитывают температуру провода, имеют некоторые внутренние противоречия. Также было показано, что существующие методики теплового расчёта проводов контактной сети представляют собой аналитические модели, обладающие рядом недостатков.

Анализ методик расчёта и обзор экспериментальных исследований в данной области позволил сформулировать подходы к решению задачи: обтекание проводов воздушным потоком должно быть отрывным турбулентным; необходимо более корректно учитывать источники тепла и способы охлаждения (конвективное и лучеиспусканием) проводов; дополнительно учитывать нагрев контактных проводов при токосъёме; аэродинамические и тепловые расчёты проводов взаимосвязаны в рамках одной модели, в которой воздушный поток оказывает на провода одновременно силовое и конвективное охлаждающее воздействие (рисунок 1). Учитывая сложность аналитического решения подобной задачи, необходимо использовать численную модель, основанную на методе конечных элементов.

Рисунок 1 - Схема аэродинамических и тепловых расчётов проводов взаимосвязанных в рамках одной модели

Во второй главе диссертации разработана модель расчёта силового воздействия ветра на провода с учётом отрывного турбулентного характера течения. Для описания течения воздуха применяются сеточные численные алгоритмы вихревой вычислительной гидрогазодинамики: система уравнений, состоящая из уравнения Навье-Стокса в переменных «скорость-давление» (1) и уравнения неразрывности потока (2). Если провод нагрет, то для описания тепловых процессов используется уравнение нестационарного теплообмена (3). Уравнения взаимосвязаны и образуют систему уравнений.



где u - вектор скорости, м/с; p - скаляр давления, Па; з - скаляр динамической вязкости, Па·с; с - скаляр плотности, кг/м3; t - время, с; Fвнш - вектор внешней объёмной силы, Н/м3; E - единичная матрица; - оператор градиента; с - скаляр теплоёмкости, Дж•кг/К; T - скаляр температуры, К; k - скаляр теплопроводности, Вт•м/К; Q - скаляр объёмной плотности мощности источника тепла, Вт/м3.

При этом физические свойства воздуха зависят от температуры и давления: с = с (p, T), с = с (T), k = k (T), з = з (T). В воздухе действует сила тяжести Fвнш_y = -gс·с, в результате действия которой нагретый воздух поднимается вверх; источников тепла в воздухе нет, Q = 0.

Данная модель реализована в программном комплексе Comsol Multiphysics, основанном на методе конечных элементов. Геометрию модели (рисунок 2) можно сопоставить с аэродинамической трубой. Такая геометрия модели характерна для решения задач подобного рода.



Рисунок 2 - Геометрия рассматриваемой модели с сеткой

Для решения системы уравнений (1-3) задаются все необходимые граничные и начальные условия. В граничные условия входят: скорость невозмущённого воздушного потока, барометрическое атмосферное давление, температура удаленного воздуха. Решение происходит численным методом (решатель прямой - UMFPACK) с заданным шагом вывода результатов по времени от начального до конечного момента. В результате решения в каждой точке расчётной области определяются все искомые физические поля: скорости u, давления p и температуры T, если провод нагрет (рисунок 3).



а) поля давления p(t, x, y); б) поля скорости u(t, x, y).

Рисунок 3 - Результат расчёта

Исходя из рассчитанных полей, можно выразить вектор вязкой Fф, инерционной составляющей Fp и полной силы FУ воздействия ветра на профиль провода в каждой точке. Индекс ф обозначает вязкость, p - инерционное давление:

где n - нормальный единичный вектор к поверхности.

Выражение (4) интегрируется по всей границе поперечного сечения провода, и определяются сила лобового сопротивления Fx, подъёмная сила Fy и момент тангажа, действующие на единицу длины провода. Каждое из этих силовых воздействий принято выражать через соответствующий аэродинамический коэффициент (5):



где d - диаметр провода, м; q? = 0.5?с?•u?2 - скоростной напор невозмущённого потока, Па. Индекс ? обозначает невозмущённый проводом (бесконечно удалённый от него).

Каждый из аэродинамических коэффициентов имеет составляющую, обусловленную вязкостью и инерционным давлением воздуха, статическую (индекс ст) и динамическую (индекс дн) составляющую. Динамическая составляющая связана с турбулентным срывом (с образованием вихрей) потока с провода и вызывает его вибрацию. Определённый вид статической составляющей аэродинамической характеристики (зависимости коэффициентов от угла атаки б) приводит к галопированию, «пляске» проводов. На разработанной модели можно определить зависимость аэродинамических характеристик для провода любой формы при различной его температуре и условиях окружающей среды (рисунки 4, 5).



а) лобового сопротивления cст_x(б) и подъёмной силы cст_y(б) для провода МФ-100 с различным износом (без износа, износ 12%, износ 34%);

б) лобового сопротивления cст_x(б) для провода 2МФ-100 с различным расстоянием между осями проводов в паре (14 мм; 20 мм; 40 мм).

Рисунок 4 - График зависимости статических составляющих аэродинамических коэффициентов от угла атаки б



а) силы лобового сопротивления cдн_x(t); б) подъёмной силы cдн_y(t) от времени в координатах воздушного потока для провода МФ-100 с износом 12% для разных углов атаки (б = 0 °; б = 30 °; б = 90 °).

Рисунок 5 - Графики зависимости динамической составляющей аэродинамического коэффициента

Верификация данной модели производилась на основании сравнения её результатов с теоретическими предсказаниями; сравнения с данными экспериментальных исследований продувки контактных проводов в аэродинамической трубе; сравнением результатов, полученных на модели автора, с результатами эталонных моделей для профилей круглого сечения; визуальным сравнением картины обтекания цилиндра, полученной экспериментально (в литературе) и на модели автора.

Результаты, полученные на математической модели, использованы для создания алгоритма расчёта силового воздействия ветра на провода (рисунке 6).

Рисунок 6 - Алгоритм расчёта силового воздействия ветра при заданных аэродинамических характеристиках провода

Третья глава диссертации посвящёна разработке методики теплового расчёта проводов контактной сети. С точки зрения тепловых процессов можно выделить два случая нагрева провода принципиально различных при расчёте. Первый случай - это транзит тягового тока по проводу, второй случай - непосредственный токосъём с поверхности провода тягового тока токоприёмником электроподвижного состава (рисунок 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/



а) общая схема; б) блок расчёта конвективного охлаждения; в) блок расчёта нагрева, вызванного транзитом тягового тока по проводу; г) блок расчёта нагрева, вызванного токосъёмом с провода.

Рисунок 7 - Алгоритм теплового расчёта проводов контактной сети

В блоке расчёта конвективного охлаждения (рисунок 7б) для удобства принята чёткая граница скорости воздуха, разделяющая естественную и вынужденную конвекцию, однако в реальности переход происходит плавно (рисунок 8).

а) u? = 0 м/с; б) u? = 0,05 м/с; в) u? = 0,11 м/с; г) u? = 0,2 м/с.

цветом показана эпюра температуры, стрелками - вектор скорости воздуха

Рисунок 8 - Переход из режима естественного конвекционного охлаждения в режим вынужденного конвекционного охлаждения

Модель конвективного охлаждения провода в Comsol Multiphysics описывается системой уравнений (1-3). Эмпирические формулы (рисунок 7б) для численного определения погонного коэффициента hпг конвективного охлаждения предложены автором на основании теоретических данных и анализа результатов моделирования. Коэффициенты влияния (a, b, kT?, kДT, kДT) атмосферных условий в данных формулах определяются методом наименьших квадратов по заданному типу алгебраической зависимости (линейная или степенная). Стоит отметить, что гидрометеориты в модели конвективного охлаждения не учитывались.

Максимальное значение разности температуры по сечению провода, полученное на модели, составляют: контактные провода - 0,35єС, многопроволочные семижильные провода - 0,45єС, многопроволочные девятнадцатижильные провода - 0,9єС. Это позволяет перейти к одномерной модели нагрева, вызываемого транзитом тока по проводу (рисунок 7в). При заданном виде уравнения нагрева провода в 1-D модели есть возможность учесть влияние условий окружающей среды на его тепловые характеристики (рисунки 9-10). Решение уравнения осуществляется численным методом Рунге-Кутта порядка 4-5.

а) установившаяся температура Tуст(I, u?); б) время нагрева провода tнг(I, u?) от величины протекающего тока и скорости ветра для медного контактного провода МФ100 с износом 12% при различной температуре воздуха T? синий - T? = -40°C, зелёный - T? = 0°C, красный - T? = +40°C

Рисунок 9 - Графики зависимостей



зелёный - М95, красный - М120, синий - М150

Рисунок 10 - Зависимость величины длительно допустимого тока от температуры воздуха и скорости ветра Iдл(T?, u?) в виде двухмерного графика и графика поверхности

В блоке расчёта нагрева, вызванного токосъёмом с провода (рисунок 7г), исходными данными являются: ток, снимаемый с контактного провода токоприёмником (всеми пластинами); скорость ЭПС; распределение контактного нажатия F по пластинам полоза токоприёмника; 3-D геометрия элементов модели, при этом положение контактного провода на токоприёмнике задаётся параметром z; физические свойства материалов. В результате расчёта на данной модели кроме нагрева контактного провода, вызванного токосъёмом, определяется нагрев полоза токоприёмника.

Верификация модели производилась сравнением полученных результатов с теоретическими предсказаниями, с данными экспериментальных исследований процесса нагрева при транзите тока (рисунок 11) по проводу и нагрева при токосъёме с его поверхности. Данные взяты из литературы.



а) провод МФ100, ток I = 603 А; б) провод ПБСМ95, ток I = 365 А.

Рисунок 11 - График зависимости от времени превышения температуры провода над окружающей средой ДT(t)

В четвёртой главе диссертации рассмотрен вопрос применения усовершенствованных методик аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактных подвесок.

Было предложено применить результаты, полученные на модели силового воздействия ветра на провода контактной сети, для корректировки документа СТН ЦЭ 141 «Нормы проектирования контактной сети». Корректировка касается пункта расчёта ветровых нагрузок. Во-первых, в данном пункте имеется явное внутреннее противоречие: плотность воздуха, от которой зависит скоростной напор воздушного потока, берётся для температуры воздуха 15 єС и давлении 760 мм. рт. ст., а ветер максимальной интенсивности - при температуре воздуха -5 єС. Логично было бы определять плотности воздуха и скоростной напор также при температуре -5 єС и давлении 760 мм. рт. ст. Это изменение вызовет увеличение величины скоростного напора воздушного потока (при соответствующей скорости ветра) на 7% по сравнению с существующими на сегодняшний день значениями. Во-вторых, изменить редакцию пункта 2.19, касающегося выбора аэродинамического коэффициента лобового сопротивления cx в зависимости от типа провода. В предлагаемых изменениях, при выборе cx уточнена и расширена классификация проводов по типу. Для контактных проводов при определении ветровой нагрузки предлагается различать два случая: нахождение в расчётном пролёте цепной подвески ЭПС с составом и его отсутствие. Кузов подвижного состава и вагонов изменяет течение воздушного потока (увеличивает угол атаки б) в зоне расположения контактного провода. Это приводит к изменению величины коэффициента лобового сопротивления cx провода по сравнению со случаем отсутствия ЭПС. К примеру, для одиночных контактных проводов МФ на нулевых местах в существующей редакции cx = 1,25, в предлагаемой автором редакции при отсутствии ЭПС в пролёте cx = 1,25, при нахождении - cx = 1,32.

Выявлены внутренние противоречия в значениях величин длительно допустимых токов Iдл проводов, приводимых в документах ЦЭ-868 «Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог» и ЦЭ-462 «Правила устройства системы тягового электроснабжения железных дорог». На основании анализа тепловых и электрических характеристик проводов показано, что с данной точки зрения наиболее рациональными в применении среди различных марок контактных проводов (медных МФ, низколегированных НлФ и бронзовых БрФ) можно считать провода марки НлФ. Кроме этого, данный анализ показал, что биметаллические провода марок ПБСМ и, особенно, ПБСА обладают неудовлетворительными характеристиками.

Модель силового воздействия ветра на провода контактной сети можно применять для создания устройств подавления галопирования «пляски» цепной подвески. На модели было выявлено, что контактные провода круглого сечения МФ, имеющие значительный износ, и провода овального сечения даже без износа при небольших углах атаки б имеют склонность к галопированию. Автором было разработано устройство подавления «пляски» проводов контактной подвески (аэродинамический стабилизатор) типа «крыло». Прототип устройства был создан в «железе» (рисунок 12). На устройство получен патент.

а) внутренне устройство; б) установка на контактной подвеске.

Рисунок 12 - Аэродинамический стабилизатор «крыло»

Так как прототип «крыла» сделан из стали Ст3, он обладает существенной для контактной сети массой. Для применения его следует изготавливать из пластика. Для дополнительной стабилизации «крыла» предлагается использовать петлевые струны вместо обычных звеньевых. Кроме «крыла» автором был также предложен усовершенствованный пластинчатый гаситель «пляски» проводов, который можно устанавливать не только на несущий трос, но и на контактный провод. Это устройство в данный момент внедрено в опытную эксплуатацию на Карталинской дистанции электроснабжения Южно-Уральской железной дороги филиала ОАО «РЖД», где на некоторых участках практически каждый год наблюдается голопирование контактных подвесок.

Усовершенствованная модель расчёта температуры проводов цепной подвески была применена для оценки теплового состояния проводов контактной сети на основе токовых нагрузок фидеров, полученных по результатам имитационного моделирования работы системы электроснабжения. В качестве расчётного участка тяговой сети для определения температуры проводов контактной подвески был выбран перегон Сарга-Сабик Свердловской железной дороги. Данный перегон имеет тяжёлый профиль и расположен на главном ходу, поэтому токи в тяговой сети значительные. Наиболее нагруженным является фидер Ф1 нечётного пути тяговой подстанции Сабик. Имитационное моделирование работы системы электроснабжения производилось в двух независимых специализированных программных комплексах «Кортэс-3», разработанного во ВНИИЖТ под руководством Марского В.Е., и в «Энерго», разработанный в УрГУПС на кафедре электроснабжения транспорта под руководством Тер-Оганова Э. В. В данных программах была введена вся необходимая нормативно-справочная информация по данному участку. Был задан режим эксплуатации системы электроснабжения, соответствующий ЦЭ-462: раздельная схема питания контактной сети, жёсткая схема движения грузовых поездов одинаковой заданной массой и минимальным межпоездным интервалом. Электрический расчёт системы электроснабжения в данных программах производится методом мгновенных схем. На рисунке 13 представлен результат расчёта тока фидера Ф1 и температуры контактного провода в точке его подсоединения. Расчёт температуры производился по стандартной методике и на модели автора.



а) ток фидера Ф1 подстанции Сабик; б) температура контактного провода от времени в точке подсоединения Ф1.

Рисунок 13 - Графики зависимостей

Отличие в расчётах тока фидера Ф1 в программных комплексах «Кортэс-3» и «Энерго» можно объяснить различием в особенностях тяговых расчётов в данных программах. При расчёте температуры контактного провода условия окружающей среды приняты в соответствии с ЦЭ-462: температура воздуха T? = 40°С, скорость ветра u? = 1 м/с, барометрическое атмосферное давление p? = 760 мм.рт.ст., тепловой поток от солнечной радиации = 800 Вт/м2, средний коэффициент поверхности проводов е = 0,8.

Из рисунка 13 видно, что значения температуры контактного провода, полученные по классической методике и из модели автора на основании тока фидера, рассчитанного в «Кортэс-3», не превышают длительно допустимого значения 95°С для провода МФ100. Значения температуры определённые на основании тока фидера, рассчитанного в «Энерго» превышают данное предельное значение на 10-18°С. Температура контактного провода, рассчитанная на основании методики автора, больше, чем температура, полученная из стандартной методики, на 4-10°С из-за того, что стандартная методика не учитывает солнечную радиацию, не корректно определяется конвекция и лучеиспускание.

Модель расчёта температуры проводов цепной подвески применима для разработки опытного образца системы её теплового контроля (рисунок 14). В качестве основы системы используется ноутбук со специально разработанной программой. Информация о температуре воздуха и скорости ветра подаётся на ноутбук с цифрового термо-анемометра. Для измерения тока фидера используется датчик тока или оптический трансформатор тока. Часть информации об условиях окружающей среды вводится ручным способом. На мониторе отображается в цифровом и графическом виде информация о температуре проводов, токе фидера. Если температуры проводов контактной сети превышают заданные предельные значения, то подаётся звуковой сигнал. Информация о температуре проводов и других параметрах сохраняется на жёсткий диск. В случае необходимости она может быть легко извлечена.



Рисунок 14 - Схема теплового контроля проводов контактной сети

Модель теплового расчёта контактного провода и полоза токоприёмника при токосъёме использовалась для проверки схемных решений и конструкции асимметричного тяжёлого двухполозного токоприёмника ТА 1-СТМ 140 в ОАО «Синара - Транспортные Машины». В частности рассчитано: нагрев токоведущих частей полоза от собственного сопротивления материалов; токораспределение между токосъёмными пластинами полоза и тепловая мощность в переходных сопротивлениях контактный провод - токосъёмная пластины при токосъёме; нагрев контактного провода и токоприёмника при токосъёме (рисунок 15). В результате моделирования было установлено, что при заданных условиях конструкция и схемные решения токоприёмника ТА 1-СТМ 140 обеспечивают его нормальную работу без отжига контактного провода и токоведущих частей полоза.

красный цвет - 100°C, синий - 30°C

Рисунок 15 - Эпюры распределения температуры по токосъёмным пластинам полоза и контактному проводу

Разработанная модель теплового расчёта проводов использовалась для выбора рациональной конструкции теплоизоляции (рисунок 16) в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, который создан в рамках научного сотрудничества между ГОУ ВПО УрГУПС и Siemens AG.



а) схема конструкции; б) результат расчёта установившейся температуры (цветом показана эпюра температуры, стрелками направление и величина вектора скорости в воздушных «карманах»)

Рисунок 16 - Теплоизоляции контактного провода в испытательном стенде теплового старения

Для того, чтобы рассчитать величину тока, необходимого для нагрева контактного провода до заданной температуры, при всех заданных условиях и данной теплоизоляции применена модель автора, реализованная в программе Comsol Multiphysics. Исходя из этого можно оценить затраты электроэнергии на нагрев контактных проводов при проведении эксперимента (таблица 1).

Таблица 1 - Расходы на нагрев контактных проводов при проведении эксперимента на испытательном стенде, руб

Категория расходов	Вариант без теплоизоляции	Вариант с теплоизоляцией
Оплата электроэнергии	104 086	6 947
Материалы на теплоизоляцию	-	8 730
Заработная плата на монтаж теплоизоляции	-	23 288
Отчисление на социальные нужды	-	6 128

Итого, суммарные расходы на нагрев проводов при проведении всего эксперимента составят: без теплоизоляции Рсум = 104086 руб., с теплоизоляцией - Рсум = 45182 руб. Таким образом, экономический эффект от применения такой теплоизоляции равен 58904 рублей, что составляет около 11% от общей стоимости всего проекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана модель расчёта силового воздействия ветра на провода с учётом турбулентного отрывного характера течения, которая учитывает не только статическую, но и динамическую составляющую, вызывающую вибрацию проводов, реальную геометрию провода, его температуру и условия окружающей среды. Модель учитывает силовое воздействие, создаваемое как инерционным давлением воздуха, так и его вязкостью. Силовое воздействие воздушного потока сводится к трём независимым величинам: силе лобового сопротивления, подъёмной силе и моменту тангажа, действующим на единицу длины провода.

2. Разработана модель теплового расчёта проводов контактной сети с учётом нагрева, вызываемого транзитом тока по проводу и токосъёмом с его поверхности, дополнительного нагрева от солнечной радиации, охлаждения за счёт конвекции и лучеиспускания. При такой модели в общем случае поле температуры по длине и сечению провода неоднородно и изменяется во времени. Это позволяет описывать различные (в том числе наиболее тяжёлые) тепловые режимы работы провода, возникающие в эксплуатации, что особенно актуально при тяжеловесном и высокоскоростном движении.

3. Определены аэродинамические и тепловые характеристики проводов контактной сети с учётом их реальной геометрии и параметров, а также условий окружающей среды. Статистическая составляющая аэродинамической характеристики провода (изношенного или с гололёдом) позволяет определить его склонность к галопированию, динамическая - склонность к вибрации.

4. Усовершенствованные модели аэродинамических и тепловых расчётов проводов контактной сети и результаты, полученные на их основе, использованы:

- при разработке предложений по корректировке нормативных технических документов СТН ЦЭ 141, ЦЭ-462 и ЦЭ-868;

- при разработке аэродинамического гасителя галопирования контактной подвески типа «крыло» и усовершенствовании пластинчатого гасителя;

- для оценки теплового состояния проводов контактной сети на основе токовых нагрузок фидеров, полученных по результатам имитационного моделирования работы системы электроснабжения транспорта на выбранном участке;

- при разработке опытного образца системы теплового контроля проводов контактной сети;

- для проверки схемных решений и конструкции асимметричного тяжёлого двухполозного токоприёмника ТА 1-СТМ 140 в ОАО «Синара - Транспортные Машины»;

- при выборе рациональной конструкции теплоизоляции в испытательном стенде теплового старения контактных проводов, экономический эффект от применения которой равен 58904 рубля, что составляет около 11% от общей стоимости всего проекта.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК и патенты:

1. Паранин А. В. Математическое моделирование силового воздействия ветра на провода контактных подвесок с учётом турбулентного отрывного течения [Текст] // Транспорт Урала. - 2009. - №3. - С. 103 - 107.

2. Паранин А. В. Математическое моделирование тепловых процессов при взаимодействии токоприёмника и контактного провода [Текст] // Транспорт Урала. - 2009. - №4. - С. 85 - 88.

3. Паранин А. В. Расчёт распределения тока в контактном проводе и в полозе токоприёмника при токосъёме [Текст] / А. В. Паранин, Д. А. Ефимов // Транспорт Урала. - 2009. - №4. - С. - 81 - 84.

4. Паранин А. В. Устройство для подавления автоколебаний контактной подвески [Текст] / А. В. Паранин, А.Г. Галкин, А.В. Ефимов: Пат. 2386552 RU C1 МПК В 60 М 1/12; заявитель и патентообладатель УрГУПС (RU); заявл. 24.09.2008; опуб. 20.04.2010. Бюл. №11.

В других изданиях:

5. Паранин А. В. О современном подходе к обеспечению надёжного функционирования устройств электроснабжения электрифицированных железных дорог [Текст]. / Э. В. Тер-Оганов, А. В. Ефимов, А. В. Паранин, Н. С. Емельянов / Науково-практичный журнал. Залiзничний транспорт України. Спецвипуск до V Мiжнародноiї науково-практическої конференцiї «Технiчне регулювання. Сертифiкацiя, диагностiка и безпека на залiзничному траспортi». - Украина.-2009. - С. 10-12.

6. Паранин А. В. Структура и механические свойства медных контактных проводов, полученных по разным технологиям [Текст]. / А. В. Паранин, И. В. Поленц / Физические свойства металлов и сплавов: сборник научных трудов V Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов». - Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2009. - С. 175-177.

7. Паранин А.В. Использование математического моделирования нагрева контактной сети в прикладных задачах и в учебном процессе. [Текст]. / Инструменты развития образовательных технологий в области энергосбережения: Материалы 4-ой региональной научно-практической конференции 27 апреля 2008. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «Российский государственный профессионально педагогический университет», 2009.- С 77-82.

8. Паранин А.В. Разработка устройства аэродинамического подавления колебаний типа крыло [Текст]. / Разработка и совершенствование электрооборудования для системы тягового электроснабжения железных дорог: 70-летию со дня рождения Юрия Михайловича Бея посвящается / Под научн. ред. А. В. Ефимова, Ю. П. Неугодникова. - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2009 - Вып. 70(153). - С 79-91.

9. Паранин А. В. Нагрев контактного провода и полоза токоприёмника при старте электровоза [Текст] / А. В. Паранин, Д. А. Ефимов / Инновации для транспорта: Сборник научных статей с международным участием в трёх частях. Часть 1 / - Омск: ОмГУПС, 2010 - 318 с.

10. Паранин А. В. Разработка математической модели нагревания проводов контактной сети при пропуске тяжеловесных поездов [Текст]. / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития», посвящённый 130-летию Свердловской ж.д.: Сб. научн. тр. - Екатеринбург: УрГУПС, 2008 - С 49.

11. Паранин А. В. Структура и механические свойства контактных проводов марки МФ [Текст]. / И. В. Поленц, А. В. Паранин, А. Г. Галкин / Физические свойства металлов и сплавов: сборник тезисов докладов IV Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов». - Екатеринбург: УГТУ - УПИ, 2007. - С. 211-212.

ПАРАНИН АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ РАСЧЁТОВ ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

05.22.07 ? Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано к печати 17.02.2011 г.

Формат бумаги 60 х 84 1/16

Объем 1,5 п.л.

Тираж 100 экз.

Заказ 31

Типография УрГУПС, 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66

Размещено на Allbest.ru