Влияние аэродинамических параметров токоприемника на токосъем при скорости движения до 160 км/ч

Введение. В статье исследовано влияние аэродинамических параметров токоприемника на контактное нажатие. С этой целью определено их влияние в диапазоне скорости движения до 160 км/ч на качество токосъема, в частности на повышенный износ вставок токоприемника.

Материалы и методы. Была разработана методика расчета аэродинамических сил с применением математического моделирования методом вычислительной гидродинамики. Токоприемник можно условно разделить на три части: основание, механизм подъема и полоз. Основной характеристикой этого взаимодействия является значение силы, с которой полоз прижимается к контактному проводу, и стабильность обеспечения этой силы в динамически меняющихся внешних условиях.

Результаты. Проведенное моделирование показало, что при скорости около 140 км/ч возникают колебания полоза, изменяющие контактное нажатие. Это позволило объяснить причину повышенного износа вставок при испытаниях и запуске в эксплуатацию электропоездов типа ЭС2Г и ЭТ4А, на которых используются однотипные токоприемники. Наличие вблизи полоза токоприемника его держателя, представляющего собой трубу, расположенную вдоль всей длины полоза на незначительном удалении, принципиально меняет картину обтекания. На основании проведенного математического моделирования были внесены изменения в конструкцию полоза токоприемника с целью улучшения его аэродинамических свойств. Были использованы другие токосъемные элементы, позволяющие обеспечить стабильные аэродинамические свойства полоза в заданном диапазоне скоростей.

Обсуждение и заключение. Внесенные изменения в конструкцию полоза позволили решить проблему с повышенным износом вставок токоприемника при скорости движения до 160 км/ч. Проведенные исследования и внесенные на их основе изменения в ГОСТ 32204—2013 позволят повысить надежность и долговечность работы устройств токосъема.

1. ГОСТ 32204–2013. Токоприемники железнодорожного электроподвижного состава. Общие технические условия: межгос. стандарт: введен в действие в качестве нац. стандарта Российской Федерации приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2013 г. № 1477-ст: дата введения 2014-06-01. М.: Стандартинформ, 2014. 24 с.

2. Купцов Ю. Е. Беседы о токосъеме, его надежности, экономичности и о путях совершенствования. М.: Модерн-А, 2001. 256 с.

3. Маслов Г. П., Кузнецов А. К. Теоретический метод оценки аэродинамических свойств токоприемников // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: межвуз. темат. сб. науч. тр. Омск: ОмИИТ, 1981. С. 17–20.

4. Ikeda M., Mitsumoji T. Numerical estimation of aerodynamic interference between panhead and articulated frame // Quarterly Report of RTRI. 2009. Vol. 50, no. 4. P. 227–232.

5. Широкова А. В. Приближенный метод аналитической оценки аэродинамических показателей полозов коробчатого сечения токоприемников подвижного состава магистральных электрических железных дорог: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.22.07. Омск: ОмГУПС, 2002. 16 c.

6. Теоретический метод оценки аэродинамических свойств токоприемников / В. П. Михеев [и др.] // Энергоснабжение электрических дорог: науч. тр. Омского ин-та инж. ж.-д. транспорта. Омск: ОмИИТ, 1974. Т. 162. С. 11–20.

7. Ли В. Н. Исследование аэродинамических свойств токосъемных устройств с помощью установок Омского полигона // Повышение качества токоснимания при высоких скоростях движения и в условиях БАМа: межвуз. темат. сб. науч. тр. Омск: ОмИИТ, 1983. С. 74–80.

8. Suzuki M., Ikeda M., Koyama T. Flow control on pantograph with air intake and outlet // Quarterly Report of RTRI. 2007. Vol. 48, no. 4. P. 236–239.

9. Some Considerations on the Aerodynamics of High Speed Pantograph: CFD and Wind Tunnel Tests [Электронный ресурс] / R. Gregoire [et al.] // BBAA VI International Colloquium on: Bluff Bodies Aerodynamics & Applications. Milano, Italy, 20–24 July 2008. Milano, 2008. P. 1–4. URL: http://bbaa6.mecc.polimi.it/uploads/abstract_files/PST_PANTO_STAMPA99.pdf (дата обращения: 22.01.2021).

10. Совершенствование методики аэродинамических испытаний токоприемника путем учета плотности воздушной среды / А. Н. Смердин [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2016. Т. 75, № 6. С. 328–333. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2016-756-328-333.

11. Aerodynamic Characteristics of High Speed Train Pantograph with the Optimized Panhead Shape [Электронный ресурс] / Y. Lee [et al.] // Proceedings of the 7th IASME/WSEAS International Conference on Fluid Mecha nics and Aerodynamics. Moscow, Russia, 20–22 August 2009. [S. l.], 2009. P. 84–88. URL: http://www.wseas.us/e-library/conferences/2009/moscow/FMA/FMA11.pdf (дата обращения: 28.07.2021).

12. Беляев И. А., Михеев В. П., Шиян В. А. Токосъем и токоприемники электроподвижного состава / под ред. И. А. Беляева. Изд. 2-е, переработ. и доп. М.: Транспорт, 1976. 184 с.

13. Yao Sh., Guo D., Yang G. The influence of pantograph aerodynamic characteristics caused by its shroud // Proceedings of the 1st LWHIR / Y.-Q. Ni and X.-W. Ye (Eds.). Berlin: Springer-Verlag, 2012. Vol. 2. LNEE 148. P. 41–52.

14. Вологин В. А. Взаимодействие токоприемников и контактной сети. М.: Интекст, 2006. 256 с.

15. Sebesan I., Arsene S. Study on aerodynamic resistance to electric rail vehicles generated by the power supply [Электронный ресурс] // INCAS Bulletin. 2014. Vol. 6, Special Issue 1. P. 151–158. URL: http://bulletin.incas.ro/files/sebesan_i__arsene_s__vol_6_spec_iss_1.pdf (дата обращения: 22.01.2021).

16. Стариков А. П. Повышение качества токосъема при воздействии многокомпонентного воздушного потока на токоприемники магистрального электрического подвижного состава: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.22.07. Омск: ОмГУПС, 2006. 16 c.

17. Чепурко А. В. Повышение качества токосъема при высоких скоростях движения путем обеспечения рациональной аэродинамической характеристики токоприемника электроподвижного состава: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.22.07. Омск: ОмГУПС, 2015. 19 c.

18. Ецков Т. А. Ассиметричный токоприемник с улучшенными динамическими показателями: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.09.01. Новочеркасск: НПИ, 2018. 20 c.