12.1.    Аэродинамические устройства

 

Аэродинамические устройства предназначены для улучшения аэро­динамических свойств токоприемников, зависящих от воздействий воздушного потока, скорость которого определяется как сумма скорости движения поезда v_T и скорости встречного v_BX и бокового v ветра. В результате воздействия воздушного потока возникают до­полнительная аэродинамическая составляющая контактного нажатия Р_ВТ и лобовое сопротивление токоприемника Р_ВТХ. Это ухудшает ка­чество токосъема и увеличивает сопротивление движению поезда.

Аэродинамические устройства можно подразделить на три группы: уменьшающие лобовое сопротивление токоприемника, что достигается применением более обтекаемых форм его элементов и узлов; экраниру­ющие — отводящие потоки воздуха из рабочей зоны токоприемника (эк­раны, устанавливаемые на крыше ЭПС) и компенсирующие аэродина­мическую подъемную силу (управляемые или неуправляемые крылья или экраны, устанавливаемые непосредственно на токоприемнике).

Аэродинамическими устройствами оборудованы все скорост­ные токоприемники за рубежом. В России такое нерегулируемое устройство для токоприемника Сп-6М, установленного на элект­ровозе ЧС200, выполнено в виде двух экранов, закрепленных на верхней части системы подвижных рам. Экраны работают пооче­редно, в зависимости от направления движения ЭПС.

Аэродинамическая характеристика (подъемная сила) представ­ляет собой зависимость аэродинамической составляющей контак­тного нажатия от скорости и угла атаки воздушного потока и от высоты подъема токоприемника.

В соответствии с требованиями стандарта аэродинамическое воздействие на рабочий (для электровоза задний по ходу) токоп­риемник ЭПС не должно вызывать увеличения нажатия по сравне­нию со средним статическим более чем в 1,8 раза при скорости об­дува 44,5 м/с для токоприемников типа Л и 33,3 м/с типа Т.

Неработающий токоприемник должен надежно удерживать­ся в опущенном положении при движении ЭПС со скоростью 160 км/ч (скорость обдува 44,5 м/с); кроме этого должна быть обеспечена возможность подъема и опускания токоприемника при движении ЭПС со скоростью 120 км/ч и встречном или боковом ветре до 10 м/с.

Аэродинамическую характеристику определяют при продув­ках в аэродинамической трубе, располагая полоз на высоте, со­ответствующей середине рабочего диапазона токоприемника, при углах атаки 1° и 3° в диапазоне скоростей обдува от 11,1 до 44,5 м/с (40—160 км/ч) через каждые 5,5 м/с. Построение характеристики для больших расчетных скоростей воздушного пото­ка осуществляют графическим методом.

Допускается замена испытаний в аэродинамической трубе ли­нейными испытаниями, для чего токоприемник устанавливают на вагон-лабораторию, приводимую в движение автономным ло­комотивом (например, тепловозом). При линейных испытаниях проверяют подъем и опускание токоприемника во всем диапа­зоне скоростей до 120 км/ч (через каждые 5,5 м/с), встречном ветре до 10 м/с и высоте контактного провода 6250—6500 мм.

Провести точный расчет аэродинамических характеристик то­коприемника как плохообтекаемой конструкции достаточно слож­но из-за турбулентности потоков воздуха, их неоднородности и сры­вов вихрей. Приближенные расчеты основаны на определении сил Pj, действующих на отдельные элементы токоприемника:

P_i = c_i s_i v ²_ВТ /16;       P_BTxi = P_t cos α;       P_ВТi = P_i sin a,                (12.6)

где с_i, s_j — коэффициенты сопротивлений и миделевые сечения i-x элементов токоприемника, а α — угол атаки. Тогда лобовое со­противление и аэродинамическая подъемная токоприемника, со­стоящего из к элементов:

                                               (12.7)

 

12.2.     Коэффициенты вязкого трения систем подвижных рам токоприемников

 

Демпфирующие устройства применяют для отбора энергии от колеблющейся системы «токоприемник — контактная подвеска», снижения амплитуд перемещений и уменьшения колебаний контак­тных нажатий до допустимых пределов.

Преимущества демпфирования колебаний токоприемника, а не кон­тактной подвески следующие: 1) требуется значительно меньшее коли­чество амортизаторов, причем нужны они только на скоростном ЭПС; 2) текущее содержание становится элементом обычных периодических работ, выполняемых в депо; 3) влияние температуры окружающего воз­духа на характеристики амортизаторов уменьшается, поскольку в сис­теме токоприемника они работают, нагреваясь при этом почти непре­рывно (на контактной сети они работают только время от времени).

Демпфирующие устройства устанавливают либо в верхнем узле токоприемника, либо в системе подвижных рам (рис. 12.8).

Гидравлическими амортизаторами, демпфирующими колебания системы подвижных рам, оборудованы все скоростные токопри­емники во Франции, Германии, Италии и Японии. В России демп­фирующие устройства также применяются на токоприемниках ско­ростного ЭПС (ЭР200, ЧС200).

Экспериментальное определение сил и коэффициентов вязкого тре­ния систем подвижных рам токоприемника необходимо для улучшения токосъема и может быть достигнуто только при конкретных оптималь­ных значениях коэффициента вязкого трения рам г и приведенной к вер­хнему шарниру демпфирующей силы рам Р Универсальный метод рас­чета характеристики демпфирующего устройства (независимо от типа демпфера) включает в себя методику академика А. Н. Крылова, несколь­ко усовершенствованную для учета несимметричности демпфирования.

Допустим, что известна виброграмма колебаний массы на пру­жине с известной жесткостью. Затухание размахов колебаний Аг массы т на измерительной пружине с жесткостью ж происходит одновременно от действия сил сухого трения W и вязкого сопро­тивления г, пропорциональных любым степеням скорости пере­мещения. Тогда уменьшение амплитуды за полупериод (для учета несимметричности демпфирования) будет равно

                                                                                    (12.8)

где 2 W/ж — уменьшение амплитуды за счет действия силы сухого трения;

       Δz_s — уменьшение амплитуды за счет силы вязкого сопротив­ления, пропорциональной скорости перемещения в степени s.

В общем виде для любой степени скорости перемещения

                                                   (12.9)

где ω= (ж/т)^0,5  — круговая частота собственных колебаний;

        А_ср ⁼ (z₁ + z₂)/2 — средняя амплитуда половины периода;

      r_s — параметр демпфирования;

      Г (s/2) — Эйлеров интеграл второго рода;

      s — показатель степени скорости перемещения.

Уменьшение амплитуды Az необходимо записывать как систе­му уравнений относительно набора неизвестных параметров r_s и W, которая решается обычными методами.

Так, например, по виброграммам колебаний токоприемника TJ1-14M, оборудованного в ОмГУПСе демпферами типа ВАЗ, при движении вверх получено              W = 1,4H; Р_др = -1,64H_р +1,06H²_р.

Стандарт не регламентирует характеристики демпфирующих устройств, поэтому их расчет необходимо проводить для каждо­го вновь разрабатываемого токоприемника с учетом его парамет­ров и эксплуатационных скоростей.

 

 

Рис. 12.8. Классификация демпфирующих узлов токоприемников