СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ И НАРУШЕНИЯ ТОКОСЪЁМА ПО ОБЪЁМУ Российский патент 2021 года по МПК B60L5/00 B60L3/12 G01F13/00 

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, 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 или обрывом контактного провода.

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;

ƒ_к - частота кадров, Гц;

q - порядковый номер зарегистрированного искрения.

Затем проводят вычисление коэффициента искрения по всему обследуемому участку К_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.

При возникновении нарушения токосъема, сопровождающегося дугообразованием или искрением, происходит нагрев материала контактного провода, при этом внутри контактного провода в соответствии с положениями теории теплопроводности появляются замкнутые изотермические поверхности. Такие поверхности внутри контактного провода ограничивают область объема, нагретого свыше температуры изотермы. Таким образом, задаваясь некоторой температурой, при которой происходит, например, разупрочнение материала контактного провода, можно определять объем, ограниченный этой изотермой и считать, что этот объем подвергся разупрочнению. Причем, чем больше значение полученного объема, тем большая часть провода подверглась разупрочнению, а значит, тем опаснее было произошедшее нарушение токосъема, вызвавшее такой нагрев. Соответственно, опасность влияния нарушения токосъема на контактный провод может быть определена по объему вещества контактного провода, который подвергся разупрочнению.

Решение технической задачи достигается тем, что при осуществлении способа происходит прием 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 объем V^* разупрочненного вещества контактного провода. После чего значение полученного объема V^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами V_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n, причем если 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 или искрения 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 большее количество теплоты поступило в контактный провод, а значит, тем глубже залегают изотермы определенной температуры и тем больше объем области нагрева. Соответственно, чем больше объем области нагрева, тем 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, электрический ток, скорость движения электроподвижного состава и длительность нарушений токосъема необходимы для дальнейшего расчета объема области нагрева.

Применение объема вещества контактного провода в качестве показателя степени опасности представляется простым по смыслу, наглядным и наиболее приближенным к реальной эксплуатации подходом, поскольку отражает количество разупрочненного материала.

Количество уровней опасности j может быть в общем случае любым необходимым. В качестве значений температуры изотермы могут быть применены 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 фиксированными значениями. Далее для примера указаны ориентировочные пороги температур для медного контактного провода.

В качестве температуры изотермы, ограничивающей объем области контактного провода, может быть принята температура начальной стадии разупрочнения твердотянутой меди, равная приблизительно 180°С. Также может быть принята, например, температура рекристаллизации меди, равная приблизительно 210°С (начальная температура рекристаллизации). При необходимости, одной из температур изотерм может быть принята температура плавления меди, в таком случае, в результате расчета будет получен объем области контактного провода, подвергшийся плавлению.

Вычисляемый объем V^* может быть рассчитан 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 объема 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. Таким образом, различенный характер процесса может быть учтен при дальнейшем расчете объема.

Регистрация оптического излучения от нарушений токосъема с одновременным измерением электрического тока, протекающего в течение времени длительности нарушения, и вычислительные алгоритмы для расчетного показателя опасности по объему V^* 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.

Изобретение относится к контролю качества взаимодействия контактного провода и токоприемников электроподвижного состава. Способ определения степени опасности нарушения токосъема по объему заключается в том, что производят прием 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 объем разупрочненного вещества контактного провода. Значение полученного объема V^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами V_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n. Причем если V_j≤V^*<V_j+1, то принимается решение об уровне опасности j. Технический результат изобретения состоит в расширении возможностей диагностирования нарушений токосъема, повышении его эффективности, достоверности и надежности. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ определения степени опасности нарушения токосъема по объему, при котором происходит прием 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 объем разупрочненного вещества контактного провода, после чего значение полученного объема V^* сравнивают с несколькими определенными заранее порогами V_j, где j - уровень опасности нарушения, принимающий значения 0, 1, …, n, причем если то принимается решение об уровне опасности j.

2. Способ по п. 1, при котором значение объема V^* вычисляют по методу источников.

3. Способ по п. 1, при котором значение объема V^* 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.