vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2019-78-2-74-81vestnikvniizht-293Research ArticleДругоеMiscellaneousПути повышения эффективности систем автоматического регулирования нажатия токоприемников для высоких скоростей движенияWays to improve the efficiency of automatic control systems of pressing current collectors for railway service of high speedsГолубковА. С.GOLUBKOVA. S.

ГОЛУБКОВ Антон Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Омск, 644046

Anton S. GOLUBKOV, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department “Electric power supply of railways”

Omsk, 644046

anton.golubkov@omgups.comСидоровО. А.SIDOROVO. A.

СИДОРОВ Олег Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Омск, 644046

Oleg A. SIDOROV, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department “Electric power supply of railways”

Omsk, 644046

СмердинС. Н.SMERDINS. N.

СМЕРДИН Сергей Николаевич, аспирант, кафедра «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Омск, 644046

Post-graduate, Department “Electric power supply of railways”

Omsk, 644046

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВО ОмГУПС)РоссияFederal State Budgetary Educational Institution of Higher Education “Omsk State University of Railway Transport” (FGBOU VO OmGUPS)Russian Federation2019050620197827481Copyright © Голубков А.С., Сидоров О.А., Смердин С.Н., 20192019Голубков А.С., Сидоров О.А., Смердин С.Н.GOLUBKOV A.S., SIDOROV O.A., SMERDIN S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/293

Одним из лимитирующих факторов при повышении скоростей движения поездов на железнодорожном транспорте является качество токосъема. С ростом скоростей движения увеличиваются динамические нагрузки на токоприемник со стороны подвижного состава и повышается аэродинамическое воздействие, что приводит к увеличению разброса величины контактного нажатия, появлению отрывов полоза токоприемника от контактного провода, дугообразованию в контакте и повышенному износу контактных элементов. Перспективным направлением в решении этого вопроса является применение систем автоматического регулирования, позволяющих стабилизировать величину контактного нажатия. В статье рассмотрены особенности современных систем автоматического регулирования нажатия токоприемников, указаны их основные недостатки. Предложена новая схема автоматического регулирования нажатия токоприемника, отличающаяся повышенным быстродействием. Описана математическая модель токоприемника и приведены результаты расчета параметров быстродействующей системы регулирования, показывающие возможность ее применения с целью снижения разброса величины контактного нажатия токоприемника и повышения качества токосъема при высоких скоростях движения.

One of the limiting factors in increasing train speeds on railway transport is the quality of current collection. With increasing operation speeds, the dynamic loads on the current collector from the rolling stock increase and the aerodynamic impact increases as well, which leads to an increase in the variation of the contact pressure, tearing off the current collector from the contact wire, arcing in contact and increased wear of the contact elements. A promising direction in addressing this issue is the use of automatic control systems, allowing to stabilize the amount of contact pressure. The article discusses the features of modern automatic control systems for pressing current collectors, its main disadvantages are indicated. Authors proposed new automatic control circuit for pressing a current collector, characterized by increased speed. A mathematical model of a current collector equipped with a high-speed automatic pressure control system is described. The results of the calculation of the parameters of the high-speed control system are presented, showing the possibility of its use in order to reduce the spread of the contact pressure of the current collector and improve the quality of the current collection at high speeds. Analysis of the characteristics of the transfer functions of the regulator shows that the application of the PI controller algorithm is effective for stabilizing the contact pressure. Since the rod length of the pneumatic cylinder is limited, the regulator is able to maintain pressure for a limited time, after which the rod must be returned to its original position. The speed of the rod is limited by the characteristics of the actuator (electric motor). These features cause a significant variation in system parameters, such as the time constant and the duration of maintaining a stable depression, depending on the values of the controller coefficients kp and ki, which should be set taking into account the parameters of the current collector, operating conditions and type of contact suspension. For the considered current collector model, the optimal values of the controller coefficients are kp = 1.5 and ki= 1.0. Results of the calculations showed that the use of a rapid regulator based on a pneumatic cylinder in the carriage design reduces the standard deviation of the contact pressure to 37 % at speeds of up to 260 km/h.

высокоскоростное движениетокопри- емникматематическая модельконтактное нажатиесистема автоматического регулированияhigh-speed operationcurrent collectormathematical modelcontact pressingautomatic control systemReferencesЕцков Т. А., Попов П. В. Исследование аэродинамических характеристик скоростного токоприемника // Вестник ВЭлНИИ. 2014. № 1. С. 28–37.Etskov T. A., Popov P. V. Issledovanie aerodinamicheskikh kharakteristik skorostnogo tokopriemnika [Research of aerodynamic characteristics of rapid current collector]. Vestnik VELNII [Bulletin of VELNII], 2014, no. 1, pp. 28–37.Вологин В. А., Герасимов А. С. Динамические параметры системы контактная сеть—токоприемник // Вестник ВНИИЖТ. 2008. № 2. С. 19–23.Vologin V. A., Gerasimov A. S. Dinamicheskie parametry sistemy kontaktnaya set' — tokopriemnik [Dynamic parameters of the system contact network — current collector]. Vestnik VNIIZhT [Vestnik of the Railway Research Institute], 2008, no. 2, pp. 19–23.Тюрнин П. Г., Тибилов А. Т., Миронос Н. В. Токосъем: надежность, экономичность и пути совершенствования: сб. тр. ученых ОАО «ВНИИЖТ». М.: ВМГ-Принт, 2015. 166 с. (Труды ОАО «ВНИИЖТ»).Tyurnin P. G., Tibilov A. T., Mironos N. V. Tokos"em: nadezhnost', ekonomichnost' i puti sovershenstvovaniya. Sb. tr. uchenykh OAO “VNIIZhT” [Current collection: reliability, efficiency and ways to improve. Proc. of works of scientists of the JSC “VNIIZhT”]. Moscow, VMG-Print Publ., 2015, 166 p.Chater E., Ghani D., Giri F., Haloua M. Output feedback control of pantograph – catenary system with adaptive estimation of catenary parameters // Journal of Modern Transportation. 2015. Vol. 23, no. 4. P. 252–261. DOI: 10.1007/s40534-015-0085-z. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40534-015-0085-z (дата обращения: 10.01.2019 г.).Chater E., Ghani D., Giri F., Haloua M. Output feedback control of pantograph – catenary system with adaptive estimation of catenary parameters. Journal of Modern Transportation. 2015. Vol. 23, no. 4. pp. 252–261. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40534-015-0085-z (retrieved on 10.01.2019).Yamashita Y., Ikeda M., Masuda A. Advanced active control of a contact force between a pantograph and a catenary for a high speed train // Proceedings of 9th world congress of railway research. Lille, 2011. Р. 28–33. URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/rtriqr/53/1/53_1_28/_article (дата обращения: 10.01.2019 г.).Yamashita Y., Ikeda M., Masuda A. Advanced active control of a contact force between a pantograph and a catenary for a high speed train. Proceedings of 9th world congress of railway research. Lille, 2011, pp. 28–33. URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/rtriqr/53/1/53_1_28/_article (retrieved on 10.01.2019).Ецков Т. А., Попов П. В. Системы управления токоприемниками // Вестник ВЭлНИИ. 2015. № 2. С. 12–21.Etskov T. A., Popov P. V. Sistemy upravleniya tokopriemnikami [Control systems for current collectors]. Vestnik VELNII [Bulletin of the VELNII], 2015, no. 2, pp. 12–21.Сидоров О. А., Смердин А. Н., Жданов В. А. Методика оценки функциональной готовности системы токосъема скоростных участков магистральных железных дорог // Вестник ВНИИЖТ. 2012. № 1. С. 27–32.Sidorov O. A., Smerdin A. N., Zhdanov V. A. Metodika otsenki funktsional'noy gotovnosti sistemy tokos"ema skorostnykh uchastkov magistral'nykh zheleznykh dorog [Methods for assessing the functional readiness of the current collection system of high-speed sections of main railways]. Vestnik VNIIZhT [Vestnik of the Railway Research Institute], 2012, no. 1, pp. 27–32.Мещеряков В. А., Смердин А. Н., Голубков А. С. Предпосылки получения статистически достоверных данных в ходе имитационного моделирования токосъема // Вестник ВЭлНИИ. 2013. № 2 . С. 104–121.Meshcheryakov V. A., Smerdin A. N., Golubkov A. S. Predposylki polucheniya statisticheski dostovernykh dannykh v khode imitatsionnogo modelirovaniya tokos"ema [Prerequisites for obtaining statistically reliable data during the simulation of current collection]. Vestnik VELNII, 2013, no. 2, pp. 104–121.Makino T., Yoshida K., Seto S., Makino K. Running test on current collector with contact force controller for high-speed railways // JSME International Journal. Series C. 1997. Vol. 40, no. 4. P. 671–680.Makino T., Yoshida K., Seto S., Makino K. Running test on current collector with contact force controller for high-speed railways. JSME International Journal, Series C, 1997, Vol. 40, no. 4, pp. 671–680.Pisano A., Usa i E. Output-feedback regulation of the contactforce in high-speed train pantographs // Transactions of the ASME. 2004. Vol. 126. P. 82–87. DOI: 10.1115/1.1649973.Pisano A., Usai E. Output-feedback regulation of the contact-force in high-speed train pantographs. Transactions of the ASME, 2004, Vol. 126, pp. 82–87.Allotta B., Pisano A., Pugi L., Usai E. VSC of a servoactuated ATR 90-type pantograph // Proceedings оf the 44th IEEE Conference on Decision, and Control and the European Control Conference (Siviglia, Desember 12–15, 2005). Siviglia, 2005. P. 590–595.Allotta B., Pisano A., Pugi L., Usai E. VSC of a servo-actuated ATR 90-type pantograph. Proceedings оf the 44th IEEE Conference on Decision, and Control and the European Control Conference (Siviglia, Desember 12–15, 2005), Siviglia, 2005, pp. 590–595.Sidorov O. A., Goryunov V. N., Golubkov A. S. Improvement of automatic control system for high-speed current collectors // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 944. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/944/1/012108 (дата обращения: 10.01.2019 г.).Sidorov O. A., Goryunov V. N., Golubkov A. S. Improvement of automatic control system for high-speed current collectors. Journal of Physics: Conference Series, 2018, Vol. 944. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/944/1/012108 (retrieved on 10.01.2019)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.