BADANIA DOŚWIADCZALNE MODELU UKŁADU SIEĆ TRAKCYJNA ODBIERAK PRĄDU EXPERIMENTS ON A MODEL OF CONTACT LINE CURRENT COLLECTOR SYSTEM

Transkrypt

1 ANNA KUMANIECKA, JÓZEF NIZIOŁ, MICHAŁ PRĄCIK ** BADANIA DOŚWIADCZALNE MODELU UKŁADU SIEĆ TRAKCYJNA ODBIERAK PRĄDU EXPERIMENTS ON A MODEL OF CONTACT LINE CURRENT COLLECTOR SYSTEM Streszczenie Abstract W niniejszym artykule zaprezentowano metodę badań doświadczalnych i wyniki dotyczące modelu układu odbierak prądu sieć trakcyjna. Za podstawowy cel badań przyjęto doświadczalną weryfikację wyników badań symulacyjnych przeprowadzonych na modelach fizycznych układu. Słowa kluczowe: drgania, sieć trakcyjna, odbierak prądu, badania doświadczalne In the paper the method of the eperimental investigations and results of the eperimental researches are presented. The main goal of the investigations is eperimental verification of the simulation results carried out on the physical models. Keywords: vibration, catenary, pantograph, eperimental researches Dr inż. Anna Kumaniecka, Instytut Matematyki, Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki Stosowanej, Politechnika Krakowska. ** Prof. dr hab. Józef Nizioł, dr inż. Michał Prącik, Instytut Mechaniki Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska.

2 18 1. Wstęp Modele teoretyczne układu zasilania kolejowej trakcji elektrycznej wymagają weryfikacji doświadczalnej prowadzonej na modelach fizycznych. Badania doświadczalne pozwalają na identyfikację zjawisk, a uzyskane wnioski mają dużą wartość praktyczną dla modernizacji istniejących konstrukcji sieci i odbieraków [1]. W niniejszym artykule zaprezentowano metodę badań doświadczalnych i wyniki dotyczące modelu układu sieć trakcyjna odbierak prądu. Stosując metodę analizy wymiarowej, wyznaczono kryteria, które umożliwiają budowę modeli fizycznych odbieraka prądu i sieci trakcyjnej, z zachowaniem podobieństwa mechanicznego w stosunku do wybranego przykładu układu rzeczywistego []. Za podstawowy cel badań przyjęto doświadczalną weryfikację wyników badań symulacyjnych przeprowadzonych na modelach fizycznych układu.. Plan badań Plan badań obejmował: doświadczalne określenie podatności linowego ustroju modelu sieci trakcyjnej, modalną analizę modelu ustroju cięgnowego podwieszenia przewodu jezdnego, analizę obciążeń dynamicznych. Wykonano kilka serii różnych badań doświadczalnych, w trakcie których realizowano podany wyżej plan badań. Badania eksperymentalne modelu fizycznego nie uwzględniały wpływów czynników atmosferycznych (wiatru, śniegu, temperatury.. Stanowisko badawcze Stanowisko do badań doświadczalnych fizycznego modelu układu odbierak prądu przewód jezdny, którego schemat przedstawiono na rys. 1, zaprojektowano i zbudowano w Katedrze Dynamiki Układów Materialnych Politechniki Krakowskiej []. 6 m m 5 5 m m Dźwigniowy układ naciągu liny Przewód jezdny jezdny..podpora betonowa Odbierak prądu prądu..mechanizm przewijania liny napędu platformy Układ napędu napędu platformy platformy odbieraka odbieraka prądu prądu..szyny stalowe 1.Układ pomiaru siły siły naciągu naciągu liny nośnej liny nośnej 5. Linia 5.Lina nośna 11.Naciąg przewodu jezdnego jezdnego 6. 6.Wspornik 1.Lina Linia napędu napędu odbieraka odbieraka prądu prądu Rys. 1. Schemat stanowiska Fig. 1. Scheme of stand

3 185 Szczegóły konstrukcyjne modelu układu cięgnowego trakcji przedstawiono na rys.. Model odbieraka prądu składał się ze ślizgacza i mechanizmu docisku oraz układu prętowego ze sprężynami napinającymi rys.. Przy wykonywaniu badań doświadczalnych korzystano z aparatury do pomiaru bezkontaktowego (lasery przemieszczeń drgań przewodu jezdnego (drgań poprzecznych: pionowych i poziomych oraz innych elementów układu cięgnowego trakcji. Pomiary sił oddziaływania odbieraka prądu z przewodem jezdnym wykonano metodą tensometryczną. Składowe sił kontaktowych i wielkości charakteryzujące drgania wymagały dokonywania pomiarów na poruszającym się modelu odbieraka prądu, z zastosowaniem tensometrów, akcelerometrów, wzmacniaczy, filtrów, rejestratora i komputera pomiarowego. Pomiary kinematyczne drgań elementów konstrukcyjnych odbieraka prądu i wózka wykonano za pomocą akcelerometrów piezoelektrycznych. Do opracowania wyników zastosowano pakiety programów komputerowych: MathCad, VisSim, Dplot oraz własne procedury. Rys.. Widok konstrukcji modelu sieci trakcyjnej prądu Fig.. Construction of catenary model Rys.. Widok konstrukcji modelu odbieraka prądu Fig.. Construction of pantograph model. Analiza i interpretacja wyników badań.1. Pomiary podatności linowego ustroju modelu sieci trakcyjnej Wyniki pomiarów pionowych ugięć przewodu jezdnego, w punktach od 1 do 15 wzdłuż długości ustroju, odpowiadające kolejnym 1 poziomom obciążenia przedstawia rodzina krzywych zamieszczona na rys.. Obciążenia przykładane lokalnie i niezależnie stopniowano co,5 N. Traktując zmierzone lokalne ugięcia u drutu jezdnego jako funkcję dwóch zmiennych: usytuowania punktu pomiarowego oraz przykładanego obciążenia Q, wykres funkcji u(, Q przedstawiono na rys. 5. Analiza rozkładów ugięć zaprezentowanych na rys. 5 pozwala stwierdzić periodyczność tych rozkładów. W miejscach usytuowania odstępników występuje minimum ugięć, a przewód jezdny wykazuje mniejszą podatność niż w miejscach rozmieszczenia wsporników z wahaczami i przeciwwagami, gdzie odnotowano maksimum ugięć, a model

4 186 Rys.. Zmiany ugięć pionowych przewodu jezdnego Fig.. Changes of the vertical deflections of the contact wire ugięcie u (, Q [mm] Rys. 5. Rozkład ugięć pionowych przewodu jezdnego Fig. 5. Distribution of the vertical deflections of the contact wire

5 187 ustroju trakcji wykazuje większą podatność. W obszarze kotwienia liny nośnej do bloku betonowego przy odległościach mniejszych niż m od tego bloku można zauważyć wyraźne zmniejszenie podatności modelu sieci trakcyjnej. Wprowadzając definicję lokalnej podatności, określoną na przyrostach ugięć spowodowanych przyrostem zadawanego obciążenia, w postaci Q Q u P Δ Δ =, ( (1 gdzie:, ( Q u Δ zmierzony przyrost przemieszczeń [m], Q Δ zadany przyrost obciążenia [N], można skonstruować wykres funkcji charakteryzującej zmianę podatności, przedstawiony na rys. 6. Wykorzystując wyniki pomiarów zaprezentowane na rys., można przeprowadzić aproksymację zależności określającej pionowe ugięcia drutu badanego modelu trakcji. Rys. 6. Rozkład podatności modelu ustroju, mierzonej w kierunku pionowym Fig. 6. Distribution of fleibility of the system model measured in vertical direction Proponowaną zależność przedstawia następujący wzór ( ( Q T C e T L H T H L L A Q u L B n n π + = = 1 cos ( ( / /, ( / ( ( podatność [m/n]

6 188 gdzie: u (, Q ugięcie [mm], Q obciążenie [N], odległość od punktu kotwienia [m], L długość fizycznego modelu ustroju linowego [m], T podziałka rozmieszczenia wsporników równa podziałce rozmieszczenia odstępników [m], T długość przedziału usztywniającego oddziaływania kotwienia liny do bloków [m], H( funkcja Heaviside a ugięcie [mm] aproksymacja krzywa doświadczalna przy Q =,5 [N] usytuowanie punktu pomiarowego w odległości od kotwienia [m] Rys. 7. Porównanie krzywej ugięć uzyskanej doświadczalnie z krzywą aproksymującą ją, przykładowo przy obciążeniu Q =,5 N Fig. 7. Comparison between eperimentally obtained deflection curve and its approimation, for load Q =,5 N 5 podatność [mm/n] położenie punktu wzdłuż trakcji [m] Rys. 8. Wykres funkcji podatności statycznej modelu przewodu jezdnego Fig. 8. Graph of static fleibility function of catenary model

7 189 Zgodnie z wymiarami zbudowanego stanowiska w dalszych rozważaniach przyjęto następujące wartości parametrów: L = m, T = 5 m, n = 6. Stałe konstrukcji stanowiska wyznaczone w drodze identyfikacji parametrycznej krzywych doświadczalnych wynoszą: A =,58 mm/n, B =,9 1/m, C =,57 mm/n. Jako przykład jakościowej oceny dokładności aproksymacji ugięć ustroju modelu trakcji służy wizualne porównanie krzywych doświadczalnej i aproksymującej przedstawione na rys. 7. Wykres podatności statycznej dla badanego modelu trakcji przedstawiono na rys Modalna analiza modelu przewodu jezdnego Dynamiczne odpowiedzi przemieszczeniowe modelu w kierunkach pionowym i poziomym na wymuszenia realizowane krótkotrwałym impulsem pionowym siły, zadawanym na przewód jezdny, zmierzono czujnikami laserowymi. Wybrane zarejestrowane wykresy drgań przewodu, będące odpowiedzią na wymuszenie, zaprezentowano w dziedzinie czasu na rys. 9, a w dziedzinie częstotliwości na rys drgania drutu jezdnego w kierunku poziomym (poprzecznym i prostopadłym do osi drutu drgania drutu jezdnego w kierunku pionowym (poprzecznym i prostopadłym do osi drutu przemieszczenie [mm] przemieszczenie [mm] czas [s] czas [s] Rys. 9. Przykładowe wykresy zmierzonych przemieszczeń przewodu jezdnego w kierunkach poziomym i pionowym; pionowe wymuszenie impulsowe Fig. 9. Selected graphs of measured displacements of contact wire in horizontal and vertical directions; vertical ecitation Odpowiedzi badanego układu na wymuszenia realizowane krótkotrwałym impulsem w dwóch pozostałych kierunkach poziomym i wzdłużnym zaprezentowano na wykresach zamieszczonych na rys Na rysunkach 11 i 1 przedstawiono wyniki przetworzonych rejestracji z trzech różnych poziomych wymuszeń impulsowych w celu udokumentowania dobrej powtarzalności uzyskiwanej w doświadczalnej analizie modalnej. Na rysunku 1 pokazano odpowiedź przemieszczeniową modelu ustroju trakcji w kierunku poziomym, na wymuszenie impulsowe wzdłużne, realizowane na przewodzie jezdnym w ten sposób, że odcinano jeden z obciążników ustalających naciąg drutu jezdnego.

8 19.16 widmo drgań drutu jezdnego w kierunku poziomym (poprzecznym i prostopadłym do osi drutu. widmo drgań drutu jezdnego w kierunku pionowym (poprzecznym i prostopadłym do osi drutu f1 = [Hz] amplituda przemieszczeń [mm] amplituda przemieszczeń [mm] współczynnik tłumienia wewnętrznego przy modzie I drgań pionowych δ1 = ( /9.961 δ1 =.56 współczynnik tłumienia wewnętrznego przy modzie II drgań pionowych δ = ( /.18 δ =.1 f =.18 [Hz] Rys. 1. Widma amplitudowo-częstotliwościowe (FFT przebiegów prezentowanych na rys. 9 Fig. 1. Amplitude vs. frequency spectra of courses presented in Fig. 9. widma drgań FFT w kierunku poziomym przy wymuszeniu poziomym zbiory poz11_1_1.dat amplituda przemieszczeń drgań [mm] Rys. 11. Widma amplitudowo-częstotliwościowe drgań modelu ustroju trakcji mierzonych w kierunku poziomym, uzyskane przy wymuszeniu impulsem poziomym (trzykrotnie powtarzany pomiar Fig. 11. Amplitude vs. frequency spectra of vibration of catenary model measured in horizontal direction; ecitation by means of horizontal impulse (three times repeated measurement.5 widma drgań FFT w kierunku pionowym przy wymuszeniu poziomym zbiory poz1.dat amplituda przemieszczeń drgań [mm] Rys. 1. Widma amplitudowo-częstotliwościowe drgań modelu sieci trakcyjnej mierzonych w kierunku pionowym, uzyskane przy wymuszeniu impulsem poziomym (trzykrotnie powtarzany pomiar Fig. 1. Amplitude vs. frequency spectra of vibration of catenary model measured in vertical direction; ecitation by means of horizontal impulse (three times repeated measurement

9 191 drgania drutu jezdnego w kierunku poziomym przy wymuszeniu wzdłużnym.5 widmo FFT drgań drutu jezdnego w kierunku poziomym przy wymuszeniu wzdłużnym. przemieszczenie drgań [mm] - - amplituda przemieszczeń drgań [mm] czas [s] Rys. 1. Wykres zmierzonych przemieszczeń przewodu jezdnego, w kierunku poziomym, przy wymuszeniu impulsem wzdłużnym; przebieg zmian w czasie (po lewej i odpowiadające mu widmo Fig. 1. Graphs of the measured vibrations of the contact wire in the horizontal direction, the ecitation by means of the longitudinal impulse, courses in time on the left side and the corresponded spectrum on right side.. Analiza obciążeń dynamicznych wybranych elementów modelu Model fizyczny odbieraka prądu (rys. poddano doświadczalnej analizie modalnej. Wymuszenie impulsowe zadawano za pomocą młotka do analizy modalnej zawierającego dołączony przetwornik piezoelektryczny siły impulsu uderzenia. Odpowiedź zbierano za pomocą miniaturowego akcelerometru piezoelektrycznego, usytuowanego na ślizgaczu odbieraka. Wybrane wyniki badań w dziedzinie czasu i częstotliwości przedstawiono na rys przyspieszenia drgań pionowych ślizgacza pantografu zbiór pbg1.dat 5.5 widmo FFT przyspieszeń drgań pionowych ślizgacza pantografu zbiór pbg1.dat przyspieszenie drgań [ms - ] ] amplituda przyspieszeń drgań [ms [Hz] [Hz] czas [s] Rys. 1. Przyspieszenia drgań pionowych ślizgacza odbieraka prądu i spektrum przyspieszeń przy pionowym wymuszeniu impulsowym Fig. 1. Accelerations of the vertical vibrations of pantograph slipper and spectrum of accelerations by the vertical impulse ecitation Porównanie widm przyspieszeń drgań własnych ślizgacza odbieraka prądu z widmami przyspieszeń drgań własnych modelu sieci trakcyjnej wskazuje na możliwą koincydencję niektórych częstotliwości. Występująca na rys. 1 i 11 składowa harmoniczna o f = 9,68 Hz

10 19 (dla drgań pionowych i poziomych przewodu jezdnego jest zbliżona do składowej f = 9,9 Hz z rys. 1 (dla drgań pionowych ślizgacza odbieraka prądu. Wynikiem może być zjawisko zdudnienia okresowego narastania i zmniejszania się amplitudy. W ramach założonego programu badań przeprowadzono także pomiary zmienności siły docisku belki odbieraka do przewodu jezdnego. Regulację wielkości siły docisku w zakresie od do N umożliwiał zespół sprężyn zamontowany na modelu odbieraka prądu. Do pomiaru składowej pionowej siły docisku wykorzystano czujnik tensometryczny. 5. Wnioski Analiza wyników pomiarów podatności modelu przewodu jezdnego wykazała cykliczną zmienność podatności lokalnej mierzonej wzdłuż długości przewodu oraz występowanie nieliniowości w trakcie zmiany poziomu obciążeń wstępnych. Znaczną nieliniowość podatności lokalnej stwierdzono w miejscach podparcia liny nośnej. Badania ujawniły istnienie szerokiego spektrum częstotliwości poprzecznych drgań własnych przewodu jezdnego w paśmie < Hz. Przeprowadzone pomiary dynamiczne drgań i sił oddziaływania odbieraka prądu na przewód, przy różnych obciążeniach wstępnych i różnych prędkościach ruchu wózka, pokazały, że przy ruchu nieustalonym (np. zmiana prędkości w zakresie m/s w czasie ok.,8 s wahania średniej wartości składowej pionowej siły docisku odbieraka prądu do przewodu sięgają 6% przy małym docisku wstępnym i kierunku jazdy zgodnym z pochyleniem modelu odbieraka prądu. Przy kierunku jazdy przeciwnym do pochylenia modelu odbieraka prądu stwierdzono wahania średniej wartości pionowej siły docisku przekraczające 8% docisku wstępnego. Literatura [1] Kumaniecka A., Longitudinal and transversal vibration of railway overhead contact system, Machine Dynamics Problems, Vol., 1998, [] Kumaniecka A., Prą c i k M., Modelling and identification of catenary pantograph system, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 1,,, [] P r ą c i k M., Badania modelowe i symulacyjne układu pantograf linia trakcyjna, Politechnika Krakowska, Zeszyty Naukowe, seria Mechanika 8, 1, 7-.