Закономерности отказов и вопросы диагностики контактной сети

АННОТАЦИЯ

В статье разрабатываются вопросы диагностики и закономерностей отказов контактной сети скоростных линий с целью оценки ее параметров, характеризующие объем работоспособности по параметрам надежности, технологического прогнозирования а также определения частоты и объёма технического обслуживания.

ABSTRACT

The article elaborated the issues of diagnosis and patterns of failures catenary high-speed lines to assess its parameters, characterizing the amount of uptime on the parameters of reliability, technological forecasting and determining the frequency and depth of maintenance.

Ключевые слова: контактная подвеска, рекристализация материала, деградация, интенсивность отказов, силы нажатия токоприемника.

Keywords: contact suspension, material recrystallization, degradation, failure rate, pressing force of the current collector.

Дальнейшее повышение высокоскоростного движения зависит от того, насколько разрешена проблема обеспечения надежности сложных технических систем электроснабжения, например контактной подвески (КП). Опыт подтверждает, что надежность контактной подвески определяется токовой нагрузкой проводов по условиям нагрева, технического уровня монтажа и экплуатации, внедрением средств технической диагностики, механической прочностью, критического электрического и механического износа, состояния изоляции и обрыва контакных проводов.

Вследствии электрического и механического износа место контактного провода может нагреватся до температуры рекристализации материала, из которого они изготовлены. Например для меди марки М1 температура рекристализации равна 180⁰–230⁰ С, вследсвии которого происходит изменение механических характеристик проводов, в основном временного сопротивления разрыву  (кг/мм²), а также резко уменьшается тяговый ток [1].

Температура нагрева контактных проводов (t, ⁰С) зависит от величины тяговых токов, температуры окружающего воздуха (t_max) а также от скорости воздушного потока который обдувает провод [2].

При допустимом перегреве проводов 60⁰С токовая нагрузка для провода МФ-85 составляет 540А, а для проводов МФ-150-750А.

Дальнейшее повышение скоростей магистралей требует решения актуального вопроса. Заключающего периодической или непрерывной диагностики КП с последующей автоматизированной системы сбора и обработки информации для оценки её технического состояния.

Контактная подвеска как и другие сложные технические системы характеризуется с точки зрения надежности интенсивностью отказов в различные периоды наработки (рис.1). Первый участок наработки это так называемый участок “обкатки”. Интенсивность отказов на этом участке связана с несоблюдением технологии сборочных, монтажных и наладочных работ – отклонениями от “Правил устройства и технической эксплуатации контактной сети” [3]. Второй участок – нормальная работа, третий участок – деградация. Если нагрузка превышает расчетные значения происходит отказ.

Участок II является основным и самым продолжительным этапом при соблюдении правил эксплуатации, с целью повышения надежности путем повышения запаса прочности КП [4]. Необходимо указать, что на этом участке может наблюдаться небольшие повышения приведенной интенсивности λ(t)_пр, которые устраняются техническим обслуживанием, регулировкой и ремонтом изолирующих сопряжений анкерных участков, контрольных вставок, замены дефектных и разбитых изоляторов а также очисткой, предусмотренных Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети [3].

Рисунок 1. Характеристика контактной подвески с точки зрения надежности интенсивностью отказов в различные периоды наработки

На участке III кривой интенсивности наблюдаются процессы деградации контактной системы, обусловленные постепенными отказами, т.е необратимым старением и износам элементов, раз регулировкой и пр. На этом временном интервале производится капитальный ремонт, направленный на восстановление рабочих характеристик и стабилизацию уровня интенсивности повреждений период нормальной работы.

Момент времени, в который начинается III-й период наработки, контактного провода конкретного участка, можно определить при помощи предлагаемой поэлементной математической модели надежности.

Развитая методика и технические средства диагностики контактной системы дают возможность получать информацию о реальном состоянии основных элементов и узлов объекта и прогнозировать периодичность  их текущих ремонтов.

По данным службы Электроснабжения АО «Узбекистон темир йуллари» контактная подвеска на участке Хаваст-Зарбдор имеет наработку между отказами и времени восстановления соответственно λ₀=0,0001 ч и λ_в=1,0 ч.

Математическое ожидание наработки между отказами определяется по формуле:

Математическое ожидание времени восстановления

Математическое ожидание времени между очередными событиями потока

Параметр потока восстановлений

Функция готовности контактной подвески для t=100 часов можно определить из известного имеющейся экспоненциального распределения времени между отказами и временем восстановления:

(1)

Далее определяется коэффициент готовности в произвольный момент времени

                     (2)

Как видно из (1) функция готовности убывает с увеличением времени эксплуатации и стремится к значению коэффициента готовности.

Анализ (1) и (2) показывает, вероятность того, что КП в начальный момент времени работоспособна и равна единице, но уже после нескольких часов она становится меньше, а в течении следующих часов работы незначительно уменьшается. Такое поэлементное моделирование КП выявляет его слабые узлы и дает возможность прогнозировать техническое состояние.

Известно, что простым для теоретических исследований и достаточным для практического использования является рассмотрение детерминированных процессов, износа КП т.е минимизация его среднего квадратичного отклонения (рис.2) [2, 5-9].

Рисунок 2. График интенсивности износа контактного проводника, зависящая от силы нажатия токосъемника, полученная при статистической обработке опытных данных

Применением метода наименьших квадратов этот график аппроксимирован нами уравнением, адекватно выражающим зону оптимальных нажатий, при которых износ контактирующих элементов минимальный, т.е. при слабом нажатии происходит электрический,  а при сильном механический – износ:

Измерение износа контактного провода  в системе АО «Узбекистон темир йуллари» в настоящее время производится ручным способом путем измерения высоты провода или ширина изношенной полосы с погрешностью не более 0,1мм с последующим применением таблиц [3, 5, 10, 11].

Нами предлагается автоматизированная система износа контактного провода с измерением высоты или ширины изношенной полосы с помощью программируемого микрокалькулятора. Получены следующие формулы износа сечения на основании простых планиметрических расчетов (рис. 3).

В этой формуле не учтено изменение высоты сечения, обусловленной деформацией контактного провода вследствии нажатия токоприемника. Такое допущение не приводит к заметным погрешностям, поскольку изменение сечения в этом случае не превышает 0,05%.

При измерении высоты провода, изношенное сечение контактного провада определяется как :

;

а при измерении ширины полосы износа

Рисунок 3. Простые планиметрические расчеты

Процент соответствующего износа производится по формуле:

т  или 

Это позволит определять износ сечения контактного провода с применением автоматизированного способа с помощью программируемого микрокалькулятора, сравнить показатели износа с нормативами районов, дистанций, разработать рациональные меры по увеличению срока службы провода, предупреждению обрывов, обусловленных уменьшением его сечения, своевременным снижением натяжения и установкой вставок в зонах местного износа, а также замены провода.

Профилактическое обслуживание КП включает в себя периодические осмотры с объездом, верховые осмотры с площадки автомотрисы, диагностические испытания и измерения главных путей, визуальный контроль и выборочные измерения износа контактного провода при износе 25% и более, испытание контактной сети главных путей при статическом нажатии 200-230 Н и т.д [ПуТЭКС].

Определим, для примера, оптимальную периодичность текущего ремонта КП для его технико-экономического обоснования, для которой рост параметра потока отказов вследствии электрического и механического износа можно аппроксимировать функцией потока отказов в виде

                                        (3)

Условие оптимальности запишется в виде

    (4)

где  – стоимость планового текущего ремонта;   - стоимость аварийного ремонта;  – удельный ущерб (штраф) от недоставки груза вовремя сум/т∙час; τ – среднее время аварийного простоя электроподвижного состава.

         (5)

Из (5) имеем

           (6)

Для определения , строим вспомогательную функцию  на основе (6) учитывая оцениваются стоимость убытков , а также стоимость текущего ремонта для контактного участка КП. Рассчитывается соотношение  , можно по графику  найти оптимальную периодичность ремонта (рис.4).

Рисунок 4. График оптимальной периодичности ремонта

Предварительные расчеты показывают, что оптимальная периодичность текущего ремонта контактной подвески составляет 1,5 – 2,5 года.

Моделирование работы КП высокоскоростного магистрали поэлементно дает возможность выявления слабых мест система, которые нуждаются в модернизации. По времени наработки между отказами и восстановлениями можно прогнозировать техническое состояние в конкретный момент времени. Существует оптимальное статическое нажатие токоприёмника на контактный провод, при котором интенсивность износа будет минимальный, которое зависит от токов нагрузки, длины пролета, количества стыковых зажимов скорости и числа проходов смазки и ряда других факторов.

Список литературы:

1. Ли В.Н. Диагностика состояния контактного провода по его механическим характеристикам. Вопросы повышения эффективности и надежности систем электроснабжения. Меж.вузов. ДВГУПС, 1999г., стр. 22-25.
2. И.А.Беляев, В.А.Вологин. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. Москва «Транспорт» 1983 г.
3. Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети. АЖ «Ўзбекистон темир йўллари». Тошкент- 2004, 114-с.
4. Ефимов А.В. Надежность и диагностика устройств электроснабжения железных дорог. Москва: УМК, 2000 г., с.512.
5. Э.В.Тер-Оранов, А.А.Пышкин Электроснабжение железных дорог. Екатеринбург – УрГУПС, 2014г. – 432 с
6. Kiesling F., Pushman R., Schmieder A. «Contact lines for electric railways planning design implementation». Berlin and Munich: Siemens, 2009, 994 p.
7. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. В прошлом, настоящем и будущем. К 150-летию железнодорожной магистрали Санкт- Петербург- Москва Т1-СПб, 2001.-320 с, Т2. – СПб.:2003. -448с.
8. Баянов И.Н., Хамидов А.Н. Расчет электрического поля в зоне стыка лыжи пантографа электровоза с проводом контактной сети // Республиканская научно-техническая конференция с участием зарубежных ученых, 2-3 декабря 2009, часть 2, Ташкент – 2009. – 89 с.
9. Bedritskiy I.M., Ibragimov R.I., Boltaev O.T. Multipurpose parametrical voltage stabilizer of a direct current with the integrated magnetic system// European Science and Technology: Materials of the international research and practice conference. Wiesbaden, Germany. January 31st, 2012. – Wiesbaden, Germany, 2012. – pp. 177-180.
10. Bayanov I.N., Badretdinov T.N. Calculation of lengths of spans of the contact network without taking into account the impact of wind// International Journal of Advanced Research in Science Engineering and Technology, India: 2019, Vol.6, Issue 4, Aprel – pp. 8950-8953.
11. Мерганов А.М., Курбанов Ф.М. Математическая модель оценки экономической эффективности солнечных панелей //Экономика и менеджмент инновационных технологий. – 2017. – №. 7. – С. 9-9.