СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ НАРУШЕНИЯ ТОКОСЪЁМА (ВАРИАНТ 1) Российский патент 2020 года по МПК B60L3/12 B60M1/12 B60L5/00 G01J1/00 

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 оптического излучения (ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных электромагнитных волн), возникающего при дугообразовании и перегрузочном искрении, которые сопровождают отрывы токоприемников от контактного провода контактной подвески, а также измерении длительности нарушения токосъема, протекающего электрического тока и скорости движения транспортного средства.

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:

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.

Световой поток, выделяемый при дуговых нарушениях токосъема и перегрузочных искрениях, неодинаков 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.

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 длительности произошедшего нарушения, скорости движения транспортного средства и значений электрического тока, протекающего в течение времени длительности нарушения. Затем производят вычисление либо температуры отдельных точек контактного провода, либо усредненной температуры провода, либо максимальной температуры провода. После чего значение вычисленной температуры Т^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами T_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n, причем если T_j≤Т^*<T_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.

Прием оптического излучения от дуги необходим для непосредственной регистрации факта нарушения токосъема, а также для измерения его длительности. Измеряемый электрический ток является параметром определяющим степень разрушающего воздействия на контактный провод, то есть степень опасности, поскольку, чем больше ток, тем выше температура, до которой нагревается провод, и тем, соответственно, опаснее произошедшее нарушение токосъема. Измерение времени длительности нарушения необходимо для учета непосредственно времени действия электрического тока, а измерение скорости движения транспортного средства необходимо для вычисления длины отрезка контактного провода, подвергшемуся разрушающему воздействию. Таким образом, параметры скорости и времени длительности необходимы для дальнейшего расчета температур.

Применение температуры в качестве показателя степени опасности представляется простым по смыслу, наглядным и наиболее приближенным к реальной эксплуатации подходом. Количество уровней опасности j может быть в общем случае любым необходимым. Использование температурного показателя степени опасности позволяет применить в качестве порогов те значения температуры, при которых происходит, например, изменение свойств контактного провода.

Контактный провод изготавливается из твердотянутой меди, для которой можно выделить несколько значимых порогов температур, при которых происходят существенные изменения свойств материала, важных для технического диагностирования. Эти температурные уровни зависят от химического состава провода, поэтому для различных типов проводов не являются четко фиксированным значением. Далее для примера указаны ориентировочные пороги температур для медного контактного провода.

В качестве первого порога может быть принята температура начальной стадии разупрочнения твердотянутой меди, равная приблизительно 180°С. Следующим порогом может быть принята, например, температура рекристаллизации меди, равная приблизительно 210°С (начальная температура рекристаллизации). Далее могут быть приняты пороги, соответствующие температурам превышающим порог рекристаллизации, но не превосходящие температуру плавления меди. Следующим порогом может быть принята температура плавления меди. При необходимости также могут быть приняты пороги температуры, значения которой превосходят температуру плавления меди.

Таким образом могут быть получены значения порогов T_j, сравнивая с которыми вычисляемую при каждом нарушении токосъема температуру Т^*, можно судить о степени опасности того или иного нарушения и принимать решение о необходимости принять определенные меры.

Вычисляемая температура Т^* может быть рассчитана различными известными теплофизическими или теплотехническими методами. Так, например, может быть применен зарекомендовавший себя в теплотехнических расчетах метод источников. Этот метод предполагает воздействие различных видов источников тепла, в том числе непрерывно действующих, распределенных и движущихся источников. Применение этого метода учтено в пункте 2 формулы изобретения.

Также для расчета температуры может быть применен метод конечных элементов, используемый для расчета параметров различных сложных теплофизических процессов. Применение этого метода учтено в пункте 3 формулы изобретения.

Прием энергии светового потока может происходить в любом из диапазонов оптического излучения или сразу в нескольких. Способ по пункту 5 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. Прием оптического излучения в нескольких диапазонах длин волн позволяет различить нарушение токосъема, сопровождаемое дугообразованием и сопровождаемое перегрузочным искрением [2]. Таким образом, различенный характер процесса может быть учтен при дальнейшем расчете температур.

Регистрация оптического излучения от нарушений токосъема с одновременным измерением электрического тока, протекающего в течение времени длительности нарушения, и вычислительные алгоритмы для температурного показателя опасности Т 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. Кондрашов, И.А. Развитие оптического метода обнаружения сосредоточенных дефектов контактной сети по дуговым и искровым нарушениям токосъема вагоном-лабораторией / И.А. Кондрашов, 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.

Изобретение относится к контролю качества взаимодействия контактного провода и токоприемников электроподвижного состава. Способ температурного определения степени опасности нарушения токосъема заключается в том, что производят прием оптического излучения от дуговых, искровых или иных разрядных или тепловых процессов, в том числе перегрузочных искрений, возникающих при нарушениях токосъема. При этом производят измерение длительности произошедшего нарушения, скорости движения транспортного средства и значений электрического тока, протекающего в течение времени длительности нарушения. Затем вычисляют либо температуру отдельных точек контактного провода, либо усредненную температуру провода, либо максимальную температуру провода, после чего значение вычисленной температуры Т^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами T_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n. Причем если T_j≤Т^*<T_j+1, то принимается решение об уровне опасности j. Технический результат изобретения заключается в расширении возможностей диагностирования нарушений токосъема. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ температурного определения степени опасности нарушения токосъема, при котором происходит прием 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 длительности произошедшего нарушения, скорости движения транспортного средства и значений электрического тока, протекающего в течение времени длительности нарушения, затем вычисляют либо температуру отдельных точек контактного провода, либо усредненную температуру провода, либо максимальную температуру провода, после чего значение вычисленной температуры Т^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами T_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n, причем если T_j≤Т^*<T_j+1, то принимается решение об уровне опасности j.

2. Способ по п. 1, при котором значение температуры Т^* вычисляют по методу источников.

3. Способ по п. 1, при котором значение температуры Т^* вычисляют по методу конечных элементов.

4. Способ по любому из пп. 1-3, при котором фиксируется местоположение произошедшего нарушения токосъема.

5. Способ по любому из пп. 1-4, при котором световой поток 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.