СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНОСТИ НАРУШЕНИЯ ТОКОСЪЁМА Российский патент 2019 года по МПК B60L3/12 B60M1/12 

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту и может быть использовано для определения опасности процессов, происходящих при нарушениях взаимодействия контактной подвески и токоприемников электроподвижного состава, путем регистрации и анализа оптического излучения (ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных электромагнитных волн), возникающего при дугообразовании и перегрузочном искрении, которые сопровождают отрывы токоприемников от контактного провода контактной подвески.

Контактная подвеска во взаимодействии с токоприемниками электроподвижного состава должна обеспечивать бесперебойный токосъем при движении поездов с установленной скоростью и в заданных климатических условиях. При нарушениях токосъема возникают дугообразование или перегрузочное искрение между полозом токоприемника электроподвижного состава и контактным проводом контактной подвески. Нарушение токосъема возникает по следующим причинам: неисправность контактной подвески (нарушение регулировки, жесткие точки, дефекты монтажа и эксплуатации и др.), появление на контактной сети гололеда, неисправности токоприемников электроподвижного состава (нерасчетное нажатие, износ, трещины, сколы токосъемных пластин и др.). Эти нарушения токосъема, сопровождающиеся искрением или дугообразованием, вызывают разрушение контактирующих элементов, что приводит, в конечном счете, к аварийному режиму на электрифицированном транспорте связанным с пережогом и обрывом контактного провода.

Далее под дуговым нарушением токосъема подразумевается процесс, при котором происходят отрывы токоприемника от контактного провода, как правило, с полной потерей механического контакта, сопровождающиеся возникновением открытой электрической дуги, вызывающей бесконтактную высокотемпературную электродуговую эрозию контактного провода.

Под перегрузочным искрением подразумевается процесс, порождаемый перегрузкой током скользящего контакта, что вызывает электровзрывную эрозию в месте контакта. Резкое увеличение переходного сопротивления контакта сопровождается интенсивным выделением тепла на микровыступах контактирующих элементов, вызывающим плавление и разбрызгивание частиц в окружающее пространство.

Оба эти процесса оказывают разрушающее воздействие на контактный провод, однако степень этого воздействия различна и наибольшую опасность представляют дуговые нарушения токосъема из-за гораздо более высоких температур и энергий воздействия.

С точки зрения технической диагностики контактной сети и реальной ее эксплуатации необходимо регистрировать нарушения токосъема, их вид и степень воздействия на контактный провод.

Известен способ, в котором в качестве критерия качества токосъема используются так называемые коэффициент искрения и удельное число искрений [1]. Для реализации способа используется видеокамера, записывающая на протяжении всего обследуемого участка контактной подвески процесс токосъема и, соответственно, его нарушения с последующим покадровым анализом полученных данных. При дальнейшем анализе рассчитывается длительность отдельного искрения t_искр q, с:

где n_ки - число кадров, подряд расположенных с наличием искрения;

f_к - частота кадров, Гц;

q - порядковый номер зарегистрированного искрения. Затем проводят вычисление коэффициента искрения по всему обследуемому участку K_искр, с^-1:

где t_общ - длительность периода движения, принятого для расчета, с;

р - число искрений.

После проводят вычисление удельного числа искрений км^-1:

где N_искр - число искрений на длине пройденного пути, принятого для расчета удельного числа искрений;

L_общ - длина пройденного пути, принятого для расчета удельного числа искрений, км.

Этот способ выбран в качестве прототипа.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение следующих недостатков прототипа:

- коэффициент искрения и удельное число искрений по всему диагностируемому участку представляются интегральными параметрами и являются характеристиками всего участка целиком, то есть не дают никакой информации о конкретных дефектах, местах их расположения и соответственно о степени опасности воздействия конкретного нарушения токосъема на контактный провод;

- регистрация только длительности отдельно взятого нарушения в общем случае не свидетельствует о степени влияния на контактирующие элементы;

- неспособность учитывать вид нарушения токосъема (дугообразование или перегрузочное искрение);

- невозможность оценить степень опасности того или иного дефекта с точки зрения термического воздействия на контактный провод;

- низкая с точки зрения технического диагностирования достоверность и надежность определения искрений, связанная с возможным пропуском цифровой камерой кратковременных нарушений токосъема.

Спектральный состав света и энергия светового потока, выделяемого при дуговых нарушениях токосъема и перегрузочных искрениях неодинаковы из-за различных температур, сопровождающих эти процессы, что показано в исследовании, проведенном авторами заявляемого изобретения [2].

Опасность влияния на контактный провод зависит от температуры воздействия, причем, чем выше температура, тем опаснее произошедшее нарушение токосъема. Энергия светового потока рассматривается как важный диагностический признак, на основании которого можно судить об опасности влияния нарушения токосъема на контактный провод, поскольку, чем больше энергия светового потока, тем выше температура процесса, произошедшего при нарушении токосъема.

Решение технической задачи достигается тем, что при осуществлении способа происходит регистрация оптического излучения от дуговых, искровых или иных разрядных или тепловых процессов, в том числе перегрузочных искрений, возникающих при нарушениях токосъема, с измерением энергии светового потока E_i в одном или более диапазонах электромагнитных волн. Помимо этого производят измерение длительности нарушения t_н и скорости движения транспортного средства ν во время нарушения, и вычисляют показатель опасности s^* по формуле

где t_н - длительность нарушения токосъема;

Ei - энергия светового потока, принятого в i-м диапазоне длин волн за время t_н;

ν - скорость движения транспортного средства;

i - порядковый номер диапазона электромагнитных волн;

m - общее количество принятых диапазонов электромагнитных волн.

Полученный показатель s^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами s_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …n, причем если s_j≤s^*<s_j+1, то принимается решение об уровне опасности j.

Таким образом, при диагностировании учитывается каждое отдельное произошедшее нарушение токосъема, местоположение которого также фиксируется с присвоением конкретному нарушению определенного уровня опасности j.

Влияние на степень опасности дополнительных параметров или свойств произошедшего нарушения токосъема может быть учтено введением коэффициентов k_q, при этом они могут быть как повышающими, так и понижающими:

где k_q- корректирующий коэффициент с порядковым номером q,

р - количество корректирующих коэффициентов, которое может быть любым целым положительным числом.

Эти коэффициенты могут учитывать, например, тип нарушения (дугообразование или перегрузочное искрение), а также повторяемость нарушения в том случае, если диагностирование проводится с некоторой периодичностью и определенное нарушение токосъема уже происходило в данной координате пути. Это может свидетельствовать об устойчивом дефекте контактного провода, а значит, степень его опасности может быть повышена коэффициентом для ускорения устранения дефекта.

Прием энергии светового потока может происходить в любом из диапазонов оптического излучения или сразу в нескольких. Способ по пункту 4 формулы изобретения конкретизирует наиболее рациональные и информативные с точки зрения технической диагностики сочетания диапазонов излучения для повышения результативности и достоверности определения опасности нарушений токосъема. Информативным можно считать сочетание ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов излучения, а наиболее информативным сочетание УФ, ИК и видимого диапазонов.

Регистрация энергии светового потока от нарушений токосъема и вычислительные алгоритмы для показателя опасности s^* и уровня опасности j составляют новизну и существенные отличия заявляемого изобретения, поскольку позволяют определять реальную степень опасности влияния конкретного нарушения токосъема на контактный провод, а значит, повысить точность и качество диагностирования.

Предлагаемый способ выполняется с помощью известных технических средств.

Литература

1. ГОСТ 32793-2014. Токосъем токоприемником железнодорожного электроподвижного состава. Номенклатура показателей качества и методы их определения [Текст]. - Введ. 2015-09-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 20 с.

2. Кондратов, И.А. Развитие оптического метода обнаружения сосредоточенных дефектов контактной сети по дуговым и искровым нарушениям токосъема вагоном-лабораторией / И.А. Кондратов, Ю.Г. Семенов // Транспорт: наука, образование, производство. Том 2. Технические науки: сб. науч. тр. / Рост. гос. ун-т путей сообщения. - Ростов н/Д, 2016. - С. 277-280.

Нарушения токосъема сопровождаются искрением или электрической дугой, которые оказывают на контактный провод различное разрушающее воздействие, степень которого может быть определена по оптическому излучению от нарушения токосъема. При осуществлении способа в качестве диагностического признака используется энергия излучения, измеряемая вместе с длительностью нарушения токосъема, а также скоростью движения транспортного средства. На основании полученных измерений производится вычисление коэффициента опасности и степени опасности влияния нарушения токосъема на контактный провод. Изобретение позволяет осуществлять непрерывный контроль качества взаимодействия контактной подвески и токоприемников и, что особенно важно для эксплуатации контактной сети, выявлять степень опасности нарушения токосъема. Технический результат изобретения состоит в расширении возможностей диагностирования нарушений токосъема, повышении его эффективности, достоверности и надежности. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ определения опасности нарушения токосъема, при котором происходит регистрация оптического излучения от дуговых, искровых или иных разрядных или тепловых процессов, в том числе перегрузочных искрений, возникающих при нарушениях токосъема, отличающийся тем, что при осуществлении способа производят измерение энергии светового потока E_i в одном или более диапазонах электромагнитных волн, а также измерение длительности нарушения t_н и скорости движения транспортного средства ν во время нарушения, и вычисляют показатель опасности s^* по формуле

где t_н - длительность нарушения токосъема;

E_i - энергия светового потока, принятого в i-м диапазоне длин волн за время t_н;

ν - скорость движения транспортного средства;

i - порядковый номер диапазона электромагнитных волн;

m - общее количество принятых диапазонов электромагнитных волн, после чего сравнивают полученный показатель s^* с несколькими определенными заранее порогами s_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n, причем если s_j ≤ s^*<s_j+1, то принимается решение об уровне опасности j.

2. Способ по п. 1, при котором фиксируется местоположение произошедшего нарушения токосъема.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, при котором в вычисления дополнительно вводят коэффициенты k_q в формулу

где k_q - корректирующий коэффициент с порядковым номером q;

p - количество корректирующих коэффициентов, причем эти коэффициенты учитывают дополнительные параметры или свойства произошедшего нарушения токосъема.

4. Способ по любому из пп. 1-3, при котором энергия светового потока принимается в двух диапазонах оптического излучения, а именно: в ультрафиолетовом и инфракрасном, либо в трех диапазонах оптического излучения, а именно: в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном.