3.3. Узлы и элементы конструкций контактных подвесок и лэп

Струны — легкие элементы контактных подвесок, с помощью которых контактные провода подвешиваются к несущему, вспомогательному тросам или другим узлам (рис. 3.9). В основном струны предназначены для передачи сил от контактных проводов к несущим тросам и классифицируются по конструкции (звеньевые, гибкие, петлевые, упругие, жесткие), проводимости (проводящие, частично проводящие, изолирующие), по количеству соединяемых проводов (совмещенные, раздельные), возможности смещения по проводам (скользящие, закрепленные), положению относительно вертикали (вертикальные, наклонные).

Звеньевые струны имеют несколько (не менее двух) звеньев (рис. 3.9, а—г), что позволяет уменьшить жесткость струн и способствует подъему контактных проводов при проходе по ним токоприемников. Как правило, они изготавливаются из отрезков биметаллической сталемедной проволоки диаметром 4 мм, соединяемых петлями между собой и струновыми зажимами с тросами и контактными проводами.

Гибкие струны (рис. 3.9, з, и) выполняют из гибкого медного провода сечением 16 мм² и крепят к струновым зажимам медным коушем и трубчатым соединителем (овальной медной трубкой). Такие струны применяют для электрического соединения контактных проводов и несущих тросов, поэтому их закрепляют специальными зажимами, обеспечивающими не только механическую связь, но и электрический контакт. В современных контактных подвесках применяют мерные струны, иногда с возможностью регулировки (см. рис. 3.9, и), которые поставляются с завода или изготавливаются в мастерских комплектно для каждого пролета. Для безошибочной установки на струнах выполнена маркировка, указывающая место их крепления на проводах.

Петлевые струны (рис. 3.9, ж) устанавливают в двойных подвесках между контактным проводом и вспомогательным тросом. Они выполнены в виде петли и обеспечивают беспрепятственный подъем контактного провода, а также его продольное перемещение относительно вспомогательного провода.

Упругие струны (рис. 3.9, д, е, к, л) включают в себя какой-либо пружинящий элемент. Как правило, их устанавливают в опорной зоне пролета для снижения жесткости подвески. Существуют различные варианты упругих элементов (рычаги, пружины). Упругими можно назвать и струны из полимерных материалов (капронового троса), которые не проводят электрический ток и потому не подвержены электрокоррозии. Вместе с тем они обеспечивают свободный подъем контактного провода и возможность регулировки (см. рис. 3.9, д). К недостаткам

Рис.3.9.Варианты струн цепных контактных подвесок: звеньевые (а — г); гибкие (д, з, и); упругие (д, е, к, л, о); изолированные (б, в, г, д); скользящие (ж, м, н); 1 — изолятор; 2 — изолирующий коуш;3 — изолирующее звено; 4 —регулятор длины; 5 — упругий элемент; 6 — рычаг; 7 — скользун

таких струн можно отнести вытягивание их с течением времени и слабую стойкость к выхлопным газам тепловозов и воздействию электрической дуги.

Жесткие струны в виде распорок между проводами применяются только в особых случаях (например, воздушные стрелки).

Наиболее распространенные в России звеньевые струны не приспособлены для протекания тока. В результате электрического воздействия разрушаются петли в местах соединения. Чтобы продлить срок службы струн, на ряде участков применяют звенья с двойными петлями. Предохранение звеньевых струн от подгорания, вызываемого проходящими через них током, может быть достигнуто применением изоляторов 1 (см. рис. 3.9, б) или изолирующих коушей (см. рис. 3.9, в). При применении изолированных капроновых или комбинированных (см. рис. 3.9, г) струн требуется частая установка поперечных соединителей для снижения общего электрического сопротивления цепи.

При двойном контактном проводе обычно применяют совмещенные струны с двумя нижними звеньями для закрепления на каждом из контактных проводов (см. рис. 3.9, а), или гибкие струны со скобой для двух проводов (см. рис. 3.9, з). В компенсированных подвесках иногда применяют так называемое шахматное расположение струн, когда их поочередно крепят то к одному, то к другому контактному проводу, надеясь улучшить условия токосъема.

В тех случаях, когда угол наклона обычных струн к вертикали (в плоскости подвески) по какой-либо причине больше 30 градусов, устанавливают скользящие струны (рис. 3.9, м, н). На пересечениях, а также в некоторых видах подвесок (косые) применяют наклонные струны с большим наклоном в поперечной плоскости (наклонные). При этом, чтобы предотвратить выворачивание контактного провода, применяют струновые зажимы специальной формы (рычаг косой струны).

Струны присоединяют к проводам цепной подвески струновыми зажимами с болтовым или безболтовым (обжимным, клиновым и пр.) креплением. При одном контактном проводе струны располагают в пролете на расстоянии до 10—12 м одна от другой, а при двойном проводе на главных путях и при компенсированной подвеске — 8м, при полукомпенсированной — 10—12 м.

При проходе искусственных сооружений иногда необходимо снизить конструктивную высоту подвески и ограничить подъем контактных проводов при проходе токоприемников. Для этой цели служат ограничительные кольца (см. рис. 3.9, о), изготовленные из провода таким образом, чтобы обеспечить в месте установки нужную жесткость. Иногда устанавливают несколько ограничительных колец разного диаметра на разном расстоянии от сооружения.

Электрические соединения и шлейфы рассматриваются в подсистеме подвесок, т.к. создают дополнительные массы, участвующие в процессе токосъема, учитываемые в расчетных схемах (хотя несут функции распределения электрической энергии и секционирования). Различают поперечные, продольные, обводные питающие соединения и шлейфы.

Поперечные соединения (рис. 3.10, а) устанавливают между контактными проводами и несущими тросами при отсутствии токопроводящих струн. Изготавливают их из медного гибкого провода и питающих зажимов. Описаны питающие соединения (В. А. Савченко), изготовленные из алюминиевого провода с приваренными для повышения надежности оконцевателями из плакированного медью алюминия. Продольные питающие соединения (рис. 3.10, б) применяют на неизолированных сопряжениях анкерных участков, изготавливают их аналогично поперечным.

Обводные соединения применяют в случае необходимости обхода какого-либо сооружения (опора, мостик и т.п. ). Они обычно имеют дополнительные изоляторы (рис. 3.10, в). Шлейфы служат для подключения проводов подвески к секционным разъединителям и разрядникам. К питающим и усиливающим проводам (фидерам) ток подводится аналогичными питающими соединениями.

Средние анкеровки предназначены для локализации места повреждения — обрыва контактного провода на анкерном участке и препятствования перемещению контактных проводов токоприемниками.

Рис. 3.10. Электрические соединители: поперечные (а); продольные (б) и обводные (в); 1 — соединитель с зажимами; 2 — изолятор; 3 — опора; 4— несущий трос; 5 — контактный провод; 6 — анкеруемый фидер

Устанавливают их в средней части анкерного участка, классифицируют по типу подвески и числу контактных проводов. В полукомпенсированной цепной подвеске с двумя контактными проводами среднюю анкеровку выполняют специальным тросом средней анкеровки 1 из сталемедного или стального провода сечением 50—70 мм², концы которого крепят к несущему тросу 3 зажимами 2 (рис. 3.11, а). К контактному проводу 4 его крепят специальным зажимом 5, называемым зажимом средней анкеровки. Крепление троса осуществляют следующим образом: после спуска с несущего троса его закрепляют сначала на одном контактном проводе, потом на другом, а затем снова поднимают на несущий трос и закрепляют на нем.

При двойной подвеске трос средней анкеровки после закрепления его конца на несущем тросе крепят к вспомогательному тросу, затем к контактному проводу и снова поднимают его к вспомогательному и несущему тросам. Все крепления осуществляют с помощью зажимов.

В компенсированной цепной подвеске среднюю анкеровку выполняют в двух пролетах (см. рис. 3.11, б, в). Контактный провод 4 крепят к несущему тросу между первой и второй нерессорными струнами в обоих пролетах наклонными перемычками 7 из сталемедного троса сечением 50 мм², чтобы исключить повреждение поддерживающих струн. Среднюю анкеровку несущего троса 3 производят на опоры с оттяжками вспомогательным тросом (сталемедный трос сечением 70 мм²). При этом несущий и вспомогательный тросы фиксируют на средней опоре в общем седле на консоли 9.

Компенсаторы удлинений проводов являются одним из ответственных элементов контактной сети, от конструктивного выполнения и технического уровня которых во многом зависит обеспечение заданных натяжений проводов контактных подвесок и, в конечном счете, стрел провеса, т.е. качество токосъема.

Рис. 3.11. Средняя анкеровка полукомпенсированной (а) и компенсированной (б, в) подвесок; / — трос средней анкеровки; 2 — соединительный зажим; 3 — несущий трос; 4— контактный провод; 5 — зажим средний; 6—вспомогательный трос средней анкеровки; 7— наклонная перемычка; 8— анкерная опора; 9— фиксированная консоль; 10—оттяжной трос

Наибольшее распространение получили блочные грузовые компенсаторы (рис. 3.12), которые отличаются один от другого в основном количеством блоков, что определяет передаточные отношения, и конструкцией натяжного элемента, огибающего блоки. Обычно компенсаторы имеют два или три (рис. 3.12, а, г) блока и обеспечивают передаточные отношения 1:2, 1:4. Иногда применяют пятиблочные (рис.3.12, д) компенсаторы новой конструкции. В качестве натяжного элемента применяются стальные оцинкованные тросы, изредка — стилоновые канаты и сварные цепи.

Опыт эксплуатации блочных компенсаторов показал, что нередко происходит перетирание проволок троса и его обрыв. Чтобы такие аварии не приводили к серьезной разрегулировке контактных подвесок, в ФРГ в конструкцию компенсаторов добавляют страховочный трос, которым соединяют корпус подвижного блока с опорой. Длину троса выбирают из такого расчета, чтобы он не препятствовал перемещению подвижного блока в положение, соответствующее минимальной для данного района температуре окружающего воздуха, после чего в случае обрыва компенсаторного троса вся нагрузка от анкеруемых проводов контактной подвески переводится на страховочный трос.

Рассмотренным конструкциям присущ общий недостаток: в случае обрыва провода контактной подвески подвижные блоки смещаются, по опоре до тех пор, пока грузы не займут своего крайнего нижнего положения или (при анкеровке на компенсатор нескольких проводов) пока создаваемое компенсатором натяжение не будет полностью передано на необорванный провод. Такая ситуация приводит к значительному продольному перемещению оставшейся части оборванного провода или к перегрузке, а в некоторых случаях к обрыву другого провода, т.е. к расширению объема повреждения и к усложнению восстановительных работ. Указанного недостатка лишены барабанные компенсаторы с храповым колесом,! которые применялись в системе контактной подвески КС-200] (рис. 3.12, в). Храповое колесо компенсатора закреплено на рычагах, работающих на растяжение, что дает возможность принять длину рычагов крепления оси колес больше, чем радиус храпового колеса; при таких размерах рычагов их легко объединить обшей распоркой, что повышает надежность работы компенсатора. Распределение нагрузки и расположение деталей компенсатора подобрано таким образом, что при обрыве компенсируемого провода барабан надежно стопорится фиксатором и дальнейшего разрушения подвески не происходит. Для той же цели служит узел страховки УКС, устанавливаемый между анкерной и переходной опорой.

Рис. 3.12. Компенсаторы удлинений проводов контактных подвесок: блочный (а); рычажный (б); барабанный (в); трехроликовый (г); пятироликовый (д); пру­жинный (е); гидравлический (ж): газогидравлический (з); тоннельно-кулисный ( ); 1 — блок: 2 — груз; 3 — рычаг; 4 — барабан; 5 — стопор; 6 — опора; 7 — ограничитель раскачивания грузов; 8— пружина: 9— жидкость; 10 — газ; 11— цилиндр с поршнем; 12 — кулиса для грузов; 13 — трос компенсатора

Общим недостатком различных блочных грузовых компенсаторов является необходимость в значительном пространстве для грузов, что определяет, в частности, серьезные затруднения в размеще­нии их в малогабаритных тоннелях. Такого недостатка лишен газогидравлический компенсатор (рис. 3.12, з), разработанный в Англии. Компенсатор состоит из газогидравлического цилиндра, трех коромысел и четырех тяг.

Типовой компенсатор при закачке газа под максимальным давлением Па создает натяжение 22,2 кН.

Газогидравлический компенсатор обладает рядом преимуществ перед грузовым блочным, основными из которых являются: меньшее трение подвижной системы; более надежная работа при гололеде; полная сохранность при обрыве провода, заанкерованного на компенсатор. Они нашли применение в интегрированной контактной сети Японии.

Арматура контактных сетей и ЛЭП представляет собой комплект узлов и деталей, предназначенных для крепления конструкций, фиксации проводов и тросов, сборки гирлянд изоляторов и т.д. Главное требование скоростного токосъема к отдельным деталям арматуры — их минимальная масса. Арматура должна обладать необходимой меха­нической прочностью, хорошо сопрягаться, быть достаточно надежной и иметь высокую коррозионную стойкость. Все детали контактных сетей и ЛЭП условно могут быть поделены на две основные группы: механические, рассчитанные на чисто механические нагрузки, и токопроводящие, рассчитанные на механические и электрические на­грузки. Обе группы деталей должны обеспечивать высокую механи­ческую прочность, а детали второй группы, кроме того, — плотный и надежный статический контакт и достаточную электропроводность. Это определяет номенклатуру материалов для их изготовления.

К первой группе (рис. 3.13) относятся: клиновой, цанговый, трехдужечный зажимы для несущего троса, седла, коуши вилочные, ушки разрезные и неразрезные, зажимы несущих тросов.

Ко второй группе (рис. 3.14) относятся цанговые стыковые за­жимы для несущего троса, овальные соединители, стыковые зажи­мы для контактного провода и струновые зажимы. К этой же груп­пе относятся соединительные и переходные зажимы.

Для арматуры обеих групп нормируются допускаемые нагруз­ки и схемы их приложения. Для второй группы нормируются так­же значения допустимых длительных токов.

Рис. 3.13. Детали, несущие механическую нагрузку: коуш вилочный под пес­тик ( ), то же для медных проводов ( ), седло одинарное под серьгу (в), зажим клиновой (г); держатель с ушком ( ), то же концевой цанговый (е), то же сты­ковой для стальных проводов (ж), то же струновой КС-330 (з), то же умень­шенный (и), то же неразъемный (к), то же для рессорного троса (л); 1 — трос; 2 — цанга; 3 — фиксирующий болт; 4 — ушко; 5 — палец

Рис. 3.14. Токопроводящие детали, несущие механическую и электрическую нагрузку: зажим болтовой ПАМ (а); то же стыковой цанговый (б); то же стыковой для контакт­ного провода восьмиболтовой (в); то же четырехболтовой (г); овальный трубчатый соединитель (д);1 — плашка; 2 — болт; 3 — ушко; 4 — трос; 5 — контактный провод

По материалу изготовления детали арматуры делятся на чугун­ные (изготовленные из ковкого или серого чугуна), стальные и из цветных металлов и их сплавов (бронза, алюминий, медь, латунь). В настоящее время прослеживается тенденция к замене чугунных и стальных деталей более легкими из сплавов алюминия.

Изделия арматуры из чугуна имеют защитное антикоррозийное покрытие — горячее цинкование, а из стали — электролитическое цинкование с последующим хроматированием или фосфатированием, или лакокрасочное покрытие. Вид покрытия и способ его нанесения указывается в нормативно-технической документации.

Крепежные изделия, применяемые в изделиях арматуры, изготав­ливаются из углеродистой стали с защитным металлическим покры­тием. По заказу потребителя крепежные изделия для арматуры из цветных металлов могут изготавливаться из нержавеющей стали.

Фиксаторы (рис. 3.15) — узлы, предназначенные для обеспече­ния заданного расположения контактных проводов в плане относи­тельно оси пути, восприятия горизонтальных усилий. При токосъе­ме они влияют на массу и жесткость подвески. Классифицируют фик­саторы по роду тока, типу консоли, наличию изоляции, материалу, сечению, варианту конструкции, а также по применению: по знаку зигзага — на прямых участках; по радиусу — на кривых; по габари­ту; виду опоры; ветви сопрягаемой подвески на сопряжениях.

Один конец фиксаторов крепят на кронштейнах, смонтирован­ных на опорах; на подкосах консолей; на фиксаторных стойках; на фиксирующих тросах гибких и жестких поперечин. Второй конец фиксатора всегда удерживает контактный провод. Фиксаторные кронштейны изготавливают из стального швеллера или уголка.

Применяют фиксаторы в виде обычных (одинарных) и сочлененных, состоящих из двух частей: основной и облегченной — дополнительной. Последнюю устанавливают при скорости выше 70 км/ч. При маркиров­ке сочлененного фиксатора указывают его конструкцию, напряжение, для которого он предназначен, и тип (геометрические размеры). Напри­мер, ФП-3-1 — фиксатор прямой на 3 кВ, тип 1, ФО-25-4 — фиксатор обратный на 25 кВ, тип 4; ФГ-3 — фиксатор гибкий на 3 кВ. Фиксаторы ФТ (тросовые) и ФА устанавливают на тросах и контактных проводах анкеруемых ветвей цепных подвесок на сопряжениях анкерных участ­ков. Если фиксаторы предназначены для установки на изолированных консолях, то в их обозначение добавляется буква И, для ромбовидных подвесок — буква Р и для воздушных стрелок — буква С.

Сочлененный прямой фиксатор ФП-3 (рис. 3.15, г) состоит из основ­ного и дополнительного. Дополнительный фиксатор крепят к основ­ному с помощью стойки и соединяют с неспециальным ушком таким образом, чтобы обеспечивалось его перемещение относительно ос­новного как вдоль пути, так и в вертикальной плоскости. При ком­пенсированных подвесках с одним контактным проводом МФ-100, а в местах с сильными ветрами и при двух контактных проводах (или одном МФ-150) могут быть применены ограничительные струны (рис. 3.15, ж), для чего у прямых фиксаторов удлиняют основной стержень. Основной фиксатор одним

Рис. 3.15. Фиксаторы контактных проводов: жесткий (а); на тросах поперечим (б, в); сочлененный прямой (г); обратный (д); гибкий (е); на опоре КС-200 (ж), схема сил, способствующих раскрытию фиксатора (з); 1— изолятор: 2 — основной фиксатор; 3 — дополнительный фиксатор: 4 — ось пути; 5 — профиль стержня; 6 — струна; 7 — контактный провод

концом крепят к изолятору или подкосу консоли, а второй его конец двумя струнами подвешивают к несущему тросу цепной подвески и закрепляют на нем зажимами на расстоянии 1500—2000 мм с обеих сторон точки подвеса фиксатора.

Таким образом, вес основного фиксатора передается с контактного про­вода на несущий трос. В местах с повышенным ветровым напором, а также в местах, где возможны автоколебания проводов, на прямых уча­стках пути и в кривых радиусом более 500 м в подвесках с одним и двумя контактными проводами для предотвращения потери устойчи­вости фиксаторов их крепят к несущему тросу не струнами, а жесткими распорками. В остальных случаях при одном контактном проводе при­меняют ограничительные упоры на стойках; при двух контактных про­водах такие упоры ставят только в незащищенных от ветра местах.

На внешней стороне кривых с малыми радиусами устанавливают гибкие фиксаторы марки ФГ (рис. 3.15, е). Гибкие фиксаторы могут быть применены только в тех случаях, когда на каждый из них дей­ствует растягивающая сила не менее 200 Н (20 кг). Поэтому на кривой большого радиуса, где усилие, действующее на фиксатор от перегиба провода, может быть меньше, чем нагрузка на провод при ветре, на­правленном к опоре, гибкие фиксаторы применять нельзя.

На ряде зарубежных и отечественных подвесок (Rе-200, 300, 350, КС-200) применяют сочлененные фиксаторы с основным стержнем из тонкостенной стальной трубы, при этом дополнительный фик­сатор выполняют из дюралюминиевого швеллера (рис. 3.15, ж). Для защиты от раскрытия под действием ветра предусмотрена спе­циальная струна, закрепляющая подвижный конец дополнитель­ного фиксатора на основном стержне. Стойка фиксатора имеет ограничитель отжатия дополнительного стержня.

На гибких и жестких поперечинах кроме полосовых фиксато­ров применяют фиксаторы из труб (рис. 3.15, б). На фиксирующем тросе гибкой, жесткой или фиксирующей поперечины их устанав­ливают непосредственно на трос с помощью зажима с ушком при небольших (до 400 Н) усилиях, воспринимаемых фиксатором. Если усилие превышает 400 Н, фиксатор крепят на специальной детали (рис. 3.15, в). Фиксирующие поперечины образуют из одного или двух тросов, расположенных поперек перекрываемых путей и зак­репленных на специальных фиксирующих опорах.

Воздушные стрелки (рис. 3.16) предназначены для обеспечения перехода токоприемника с контактного провода одного пути на кон­тактный провод другого пути при движении поезда по стрелочному переводу и образуются на пересечении двух контактных подвесок.

Для надежного скоростного токосъема необходимо обеспечить равноподъемность пересекающихся подвесок в зоне подхвата, ми­нимальное увеличение жесткости и массы в пролете со стрелкой.

Классифицируют воздушные стрелки по наличию фиксации, типу и углу стрелочного перевода, типам пересекающихся подвесок и составу их проводов, наличию дефлекторных и автоуправляющих устройств. Ва­рианты условий работы стрелок обусловливаются величиной взаимных перемещений подвесок (в зависимости от расстояний до компенсаторов).

Пересечение контактных проводов осуществляется путем на­ложения одного провода на другой. При этом необходимо обеспечить одновременный подъем обоих проводов при подходе токоприемника к воздушной стрелке с любой стороны. Для того чтобы подъем обоих проводов происходил и при проходе токоприемни­ка к стрелке по верхнему и по нижнему, на нижнем проводе укрепляют трубку, называемую ограничительной (см. рис. 3.16, в). Между этой трубкой и нижним проводом пропускают верхний. При проходе токоприемника к воздушной стрелке по верхнему контактному проводу последний нажимает на ограничительную трубку и ею поднимает нижний провод. На верхний контактный провод целесообразно устанавливать медную полугильзу. Ограничительную трубку выбирают такой длины, чтобы она не препятствовала перемещению компенсированных контактных проводов в разные стороны. Концы трубки сминают так, чтобы обеспечить свободное вращение фиксирующих зажимов. При пересечении контактных проводов в месте, удаленном от точек подвеса несущих тросов, последние скрепляют друг с другом соединительным зажимом. Струны, которые расположены вблизи мест подхвата контактных проводов, делают двойными, что повышает надежность работы воздушной стрелки. Для создания надежного контакта между контактными подвесками, образующими стрелку, на расстоянии 2—2,5 м от места пересечения в сторону остряка устанавливают продольные электрические соединители.

На главном пути воздушную стрелку выполняют так, чтоб кон­тактный провод этого пути находился внизу и токоприемник при движении поезда по главному пути не переходил на другой контактный провод. На путях с определенным преимущественным направлением движения поездов воздушные стрелки располагают таким образом, чтобы нормально токоприемник подходил к стрелке по нижнему контактному проводу. На одиночных стрелочных переводах (рис. 3.16, б) наилучшим условием прохода токоприем­ника по воздушной стрелке во всех направлениях будет такое по­ложение фиксирующих устройств, когда они устанавливаются на расстоянии 1 — 2 м от точки пересечения контактных проводов в сторону остряков стрелки. Наиболее благоприятное расположение контактных проводов, образующих воздушную стрелку, получается в том случае, когда точка пересечения находится между осями прямо­го и открытого путей и отстоит от каждого из них на 360 — 400 мм. Эта точка находится там, где расстояние между внутренними гра­нями головок соединительных рельсов крестовины равно 730 — 800 мм. На перекрестных стрелочных переводах и при глухих пе­ресечениях точка пересечения контактных проводов должна нахо­диться над центром стрелочного перевода или пересечения.

Для обеспечения одновременного подъема обоих проводов, об­разующих воздушную стрелку, и смягчения ее характеристик жестко­сти и массы (увеличивающихся вдвое) при полукомпенсированных цепных подвесках иногда применяют специальные дефлекторные ус­тройства, например грузовые конструкции Свердловской железной дороги (рис. 3.16, г). Большой интерес представляют пружинные дефлекторы, разработанные в ОмГУПС. Они имеют меньшую инерционность по сравнению с грузовыми, необходимую при повышенных скоростях. Известны автоуправляемые воздушные стрелки И.А. Бе­ляева, в которых взаимное расположение проводов контактной сети меняется

Рис. 3.16. Воздушные стрелки контактных сетей: путевая стрелка (а), план фикси­рованной стрелки (б), ограничительная трубка (в), стрелка конструкции Сверд­ловской ж.д. (г); зона подхвата и перекрестные струны (д); 1 — ось пути; 2 — контактный провод; 3 — несущий трос; 4 — фиксирующая опора; 5 — ограничи­тельная трубка; б — дефлектор; 7 — пересечение контактных проводов, 8 — центр перевода; 9 — полоз токоприемников

автоматически при переводе стрелки.

При компенсированной подвеске на главном пути вторую подвеску, образующую воздушную стрелку, также выполняют компенсированной. Если воздушная стрелка расположена на второстепенных путях, то одна из подвесок может быть и полукомпенсированной. В случаях, когда контактные провода на воздушных стрелках или в дру­гих местах, где они изменяют свое направление, должны быть зафиксированы, а поддерживающие опоры отсутствуют, устанавливают фиксирующие опоры (см. рис. 3.16, б). Иногда фиксирующие оттяж­ки для фиксации проводов на кривых участках пути устанавливают без опор, закрепляя их на анкеруемых ветвях цепных подвесок или специальных тросах, натягиваемых между опорами вдоль пути.

Гасители колебаний предназначены для борьбы с вибрацией авто­колебаниями проводов, вызываемой ветровой нагрузкой и волнами от токоприемников, движущихся по контактным проводам при ско­ростях, близких к критическим. Классифицируют гасители по месту применения (ВЛ, контактные сети) и конструктивному исполнению.

На ВЛ применяют виброгасители, выполненные в виде двух гру­зов, подвешенных на стальном тросе (рис. 3.17, а). Виброгасители дол­жны быть установлены на определенном расстоянии от анкерных на­тяжных зажимов в зависимости от типа и усилий натяжения провода.

На контактной сети в качестве гасителей колебаний применя­ют ограничительные струны в компенсированных рессорных под­весках (рис. 3.17, б). Разновидность такой струны — поводок до­полнительного фикса­тора подвески КС-200.

Фрикционный га­ситель (рис. 3.17, в) мо­жет быть установлен как в компенсирован­ных, так и в полуком­пенсированных оди­нарных подвесках. Стержень гасителя, жестко связанный с ци­линдрическим корпу­сом, перемещается внутри подвижной втулки с закрепленны­ми на ней рессорными пластинами. Для урав­новешивания статичес­кой нагрузки от кон­тактного провода ниже подвижной втулки по­ставлена пружина.

Известны также динамические японские (рис.3.17, ) и аэродинамические (рис.3.17, ) гасители колебаний.

Рис. 3.17. Гасители колебаний проводов: грузовой ( ); струновой (б); фрикционный (в); динамический ( ); аэродинамический (д): 1- ограничительная струна; - груз; 3- стальной трос; 4- несущий трос или провод ВЛ; 5- контактный провод; 6- корпус; 7-экран

3.4. Расчет натяжений и высотных положений проводов простых контактных подвесок и воздушных ЛЭП

Точное уравнение провисания гибкой нити. В литературе, посвященной расчетам воздушных линий, можно встретить изложение выводов и расчетных формул в двух формах. В первой из них, по­лучившей распространение при расчетах контактной сети, фигу­рируют полные значения натяжений и нагрузок, приходящихся на данный провод. Во второй форме натяжения и нагрузки относят к единице поперечного сечения. В этом случае натяжение заменяет­ся напряжением в проводе, а полная нагрузка — удельной нагруз­кой. Эта форма получила исключительное распространение при расчетах ЛЭП. Ниже все выводы будут даны применительно к пер­вой форме, а расчетные формулы будут даваться в обеих формах.

При изучении работы любой подвески все провода рассматриваются как гибкие нити. Если абсолютно гибкая однородная нить постоянного поперечного сечения подвешена между двумя точками, то под действи­ем собственного веса в нити возникают растягивающие напряжения.

Для исследования кривой провисания нити в ее плоскости проведем оси координат Ох и Оу (рис. 3.18). Выделим элемент нити dL, на который действуют натяжения Т и , заменяющие действие отброшенных частей нити и направленные по касательной к нити. Нагрузку , действующую на этот элемент, можно принять пропорциональной его длине:

,

где q— нагрузка на 1 пог. м нити.

Из условия, что сумма горизонтальных проекций всех сил на ось равна| нулю, получим

,

где — приращение на длине угла , образованного касательной с осью ; - горизонтальная составляющая натяжения нити, равная натяжению нити в самой низшей ее точке.

Из этого уравнения видно, что горизонтальная составляющая на­тяжения по всей длине нити — величина постоянная и, следова­тельно, изменение натяжения по длине нити может иметь место лишь за счет вертикальной составляющей.

Рис. 3.18. Элемент сво­бодно подвешенной нити

Из условия, что сумма проекций всех сил на ось у равна нулю, получим

,

где — приращение углового коэффициента касательной (величины ). Из этого уравнения имеем:

,

так как

, (3.5)

то

Разделив переменные, находим

(3.6)

где

(3.7)

Интегрируя уравнение, получим:

откуда

(3.8)

Разделив переменные, будем иметь

Интегрируя еще раз, получим уравнение искомой кривой

(3.9)

Поместив начало координат в точку (- , - ), заменим при­веденное уравнение более простым

(3.10)

Кривая, соответствующая полученному уравнению, называет­ся цепной линией.

В выбранной новой системе координат ось ординат является осью симметрии кривой, так как положительные и отрицательные значения при равной их абсолютной величине дают одно и то же значение у. Заменив в уравнении (3.10) х = 0, получим у= т, т.е. равен отрезку на оси между началом координат и наинизшей точ­кой нити (рис. 3.19).

Во многих случаях удобнее располагать начало координат в точке наибольшего провеса нити О. При этом будем иметь при = 0; у = 0 и у' = 0 (рис. 3.20 ).

Подставляя = 0 в выражения (3.8) и (3.9), найдем

=0 и ₂= , после чего из (3.9) получим

(3.11)

При составлении дальнейших расчетных формул, учитывающих изменение натяжения и стре­лы провеса нити при измене­нии температуры или на­грузки, приходится опериро­вать с длиной нити. Длину нити между точкой начала координат О (см. рис. 3.20) и точкой (х, у) можно найти, проинтегрировав уравнение (3.5). Тогда

(3.12)

Рис. 3.19. Кривая провисания свобод­но подвешенной нити

Длину между точками подвеса можно получить, заменив один раз расстоянием от точки наибольшего провеса (вершины цепной линии) до одной точки подвеса и второй раз — до другой, а затем сложить эти длины. Длина нити на этих участках (см. рис. 3.20) будет равна

.

Если точки подвеса лежат на одной высоте и, следовательно, , где — расстояние между точками подвеса нити (длина пролета), то длина нити равна

.

Упрощенное уравнение провисания гибкой нити. В случае располо­жения точек подвеса проводов на одной высоте выведенные уравнения провисания нити для практически встречающихся в контактной сети условий можно заменить уравнением параболы. Это значительно уп­ростить определение по заданному или наоборот. При учете же из­менения Н или у в зависимости от изменения температуры и нагрузки, о чем будет сказано ниже, та­кая замена становится необхо­димой. Это объясняется тем, что составление точных рас­четных формул в этом случае встречает большие математи­ческие трудности.

Раскладывая правую часть уравнения (3.11) в ряд Маклорена, получим

… (3.15)

Рис. 3.20. Кривая провисания свободно подвешенной нити с началом координат в точке наибольшего провисания

Разложив также правую часть уравнения (3.14) в ряд Маклорена, будем иметь

(3.16)

Для встречающихся в практике условий, т. е. когда пролет во много раз больше стрелы провеса , подсчет стрел провеса и длины проводов можно производить приближенно, оставляя в урав­нении (3.15) первый член и в уравнении (3.16) первые два члена. Эти упрощения дают возможность представить уравнение кривой провисания нити в виде параболы. Подставив значение т в формулу (3.15), получим

(3.17)

Разделив числитель и знаменатель этого выражения на S, где S — площадь поперечного сечения нити, и заменив , где -удельная нагрузка на провод, кг/ммм , и напряжение в проводе, кг/мм², получим эту же формулу, выраженную через удельные значения:

. (3.18)

Если точки опоры (точки подвеса нити) расположены на одном уровне, то значение стрелы провеса в точке О (рис. 3.21) может быть получено из уравнения (3.17) подстановкой x=l/2:

(3.19)

или через удельные значения

. (3.20)

Воспользовавшись формулой (3.19), представим y в виде

(3.21)

Рис. 3.21. Кривая провисания свободно подвешенной нити со стрелой провеса

Длина нити после подстановки значения т в уравнение (3.16) будет равна

(3.22)

или после преобразования при помощи уравнения (3.19) получим

(3.23)

Если перенести начало координат в точку подвеса нити (рис. 3.22), заменив у на и на , что в некоторых случаях более удоб­но, то уравнение кривой провисания нити получит вид

(3.24)

Максимальное усилие в нити в общем случае будет иметь мес­то в точке подвеса у той опоры, где имеется наибольшая верти­кальная составляющая опорной реакции или _, где и (см. рис. 3.20 и 3.19).

Если принять, что вес отрезка провода приближенно равен весу провода, имеющего длину, равную длине горизонтальной проекции рассматриваемого отрезка, то при расположении точек подвеса нити на одном уровне:

и

(3.25)

Рис. 3.22. Кривая провисания нити с расположением начала координат в точке подвеса

Дифференцируя уравнение (3.17), можно получить формулу для тангенса угла наклона касательной к оси , который в значитель­ной степени определяет условия прохода токоприемником точек подвеса:

(3.26)

Для точки опоры, т. е. при х =1/2 , получим

(3.27)

или, выразив при помощи геометрических размеров, из формулы (3.19) получим

(3.28)

Упрощенные формулы (3.17), (3.19), (3.22) могут быть также по­лучены непосредственно из рассмотрения условий равновесия при принятом допущении, что сила тяжести пропорциональна не дли­не элемента, а его проекции на горизонтальную ось. Рассмотрим, исходя из этого допущения, отрезок нити (см. рис. 3.20). В этом случае, взяв относительно точки сумму моментов всех сил, приложенных к отрезку (рис. 3.23), получим

и отсюда уравнение (3.17)

.

Длина нити в этом случае может быть определена из уравнения

(3.29)

Рис. 3.23. Кривая прови­сания отрезка нити

Воспользовавшись тем, что величина значительно меньше единицы, можно без большой погрешности представить подкорен­ное выражение в виде

(3.30)

как бы произвольно добавить к правой части малую величину

Используя это приближение и произведя интегрирование, по­лучим приведенную уже ранее формулу (3.22).

При замене в этом уравнении Н на его значение из уравнения (3.19) получим также формулу (3.23).

Ситуация, когда точки подвеса расположены на разной высоте, мо­жет представить интерес при расчетах контактных сетей только в слу­чае небольшой по сравнению с длиной пролета разности высот точек подвеса, так как они ограничены допускаемым уклоном железнодорож­ного пути. Это позволяет для проводов контактной сети во всех случа­ях ввести в расчет те же упрощения, что и выше, т.е. считать нагрузку равномерно распределенной не по длине нити, а по длине ее проекции. Приводимые ниже формулы могут использоваться и для расчетов лю­бых воздушных линий с небольшой разностью высот точек подвеса.

Обозначим через a и расстояния по горизонтали от точек под­веса до вершины кривой О (рис. 3.24). Принимая, как и выше, вес нити пропорциональным длине ее проекции, найдем, что вес час­тей АО и ОВ нити соответственно будет равен qa и qb. Обозначив через проекции частей АО и ОВ нити на вертикаль, получим следу­ющее уравнение моментов сил относительно точки В:

(3.31)

Откуда

(3.32)

(3.33)

Из уравнений (3.32) и (3.33) видно, что а и b положительны и что точка наибольшего провеса находится между точками подвеса. Это соответствует случаю, при котором растягивающее усилие так велико, что вершина параболической кривой провисания нити находится слева от опоры А (см. рис. 3.24 штриховую линию).

Если в уравнение (3.17) подставить один раз х=а и в другой раз х=b, то получим соответственно y=f и y=f .

Таким образом,

и

Заменив а и b их значениями из формул (3.32) и (3.33), получим

и (3.34)

Эти формулы устанавливают связь между стрелами провеса и на­тяжением подобно тому, как это установлено формулой (3.19) для случая расположения точек подвеса на одном уровне.

Для определения натяже­ния и стрел провеса можно случаи с разной высотой то­чек подвеса привести к слу­чаю с расположением точек подвеса на одном уровне. Продолжим кривую нити AOB до пересечения в точке B с горизонтальной прямой, проведенной из высшей точки подвеса В (рис. 3.25), тогда

и

Рис.3.24. Расчётная схема провисания нити с точками подвеса на различной высоте

Из сопоставления рис. 3.19 и 3.20 можно видеть, что l₂=2a и l =2b, следовательно, согласно формулам (3.22) и (3.23) имеем

(3.35)

, (3.36)

Длины пролетов, определяемые формулами (3.35) и (3.36), называ­ются фиктивными пролетами. Фиктивный пролет дает возможность привести случай расположения точек подвеса нити на разной высоте к случаю расположения точек под­веса на одном уровне. Вводимая в рассмотрение фиктивная нить ВОВ (см. рис. 3.25) имеет кривую провисания, совпадающую с кривой действительной нити АОВ, а следовательно, натяжение (при одинаковых атмосферных условиях) будет равно натяжению действительной нити.

Рис.3.25. Кривая провисания нити с точками подвеса на различной высоте.

Однако введение фиктивного пролета для пересчетов при изменяющихся атмосферных условиях дает некоторую неточность, тем большую, чем больше отношение разности высот точек подвеса нити к действительной длине пролета l. При указанная ошибка равна 3—4%. Эта неточность объясняется тем, что при изменении натяжения провода вследствие изменения режима температуры и нагрузки фиктивный пролет также будет изменяться.

Длина нити для рассматриваемого случая может быть определена таким же образом, как и для случая расположения точек подвеса на одной высоте, т.е. по уравнениям (3.29) и (3.30) с соответствующим изменением пределов интегрирования.

Таким образом

(3.37)

Интегрируя в указанных пределах, получим

При h = 0 уравнение (3.37) обращается в уравнение (3.22). Очевидно, что уравнения (3.32) - (3.37) могут быть выражены и через удельные значения. Для этой цели везде надлежит заменить отношение отношением .

Натяжение и стрела провеса провода при изменении атмосферных условий (уравнение состояния провода). При изменении температуры, а также нагрузки на провод изменяется его длина и, как следствие этого, изменяются его стрела провеса и натяжение. Зная стрелы провеса и натяжение, соответствующие одному режиму температуры и нагрузки, необходимо иметь возможность определять стрелы провеса и натяжение, соответствующие другому режиму.

Обозначим: t — начальная температура, соответствующая пер­вому режиму, °С;

q — нагрузка, приходящаяся на единицу длины провода при начальной температуре, кг/м;

H — натяжение провода при начальной температуре, кг;

L — длина провода, м;

F — стрела провеса, м;

t ,q ,H ,L и f — те же величины, соответствующие какому-то другому режиму;

— коэффициент линейного удлинения материала провода, 1 / °С;

Е — модуль упругости провода, кг/мм²;

S — площадь поперечного сечения провода, мм².

При температуре t длина провода, если считать, что натяже­ние осталось неизменным, будет равна

.

Однако изменение длины провода поведет к изменению стрелы провеса, а следовательно, и к изменению натяжения; изменение на­грузки, приходящейся на единицу длины, в свою очередь, вызовет изменение натяжения в проводе и тем самым изменение стрелы провеса. Изменение натяжения изменит начальную длину L со­гласно закону Гука до величины

Следовательно, одновременное изменение температуры и на­грузки вызовет такое изменение длины провода, что окончатель­но длина его будет равна

Раскрыв квадратные скобки, получим

Пренебрегая последним членом как малой величиной второго порядка (произведение двух малых величин) и вычитая из обеих частей уравнения начальную длину L₁, получим приращение длины провода

Учитывая, что длина провода L для обычных соотношений незначительно отличается от длины пролета l, примем для определения приращения L₁= l . Тогда

(3.38)

С другой стороны, приращение длины может быть представлено как разность между начальной и конечной длиной (3.22)

(3.39)

Приравняв уравнения (3.39) и (3.38) и разделив обе части на l, получим

(3.40)

Умножив обе части уравнения на ЕS, будем иметь

(3.41)

Уравнение (3.41) симметрично. Это ясно видно, если в крайнем члене правой части открыть скобки и перенести αЕSt_x, влево.

В таком виде этим уравнением можно пользоваться, полагая величины для режима с индексом «1» известными и определяя величины для режима с индексом «х», или наоборот. Однако наибольшее распространение уравнение (3.41) получило в том виде, как оно написано. При проведении расчета для ряда режимов удобно заменять индекс «х» последовательно индексами «2», «3», «4» и т. д. Уравнение (3.41) по подстановке известных величин получает вид:

(3.42)

где

Стрела провеса провода f определяется по формуле (3.19)

Это же уравнение, выраженное через удельные значения нагрузок и натяжений, имеет вид

(3.43)

Стрела провеса может быть определена по формуле (3.41). В том случае, когда нагрузка q представляет собой геометрическую сумму вертикальных и горизонтальных нагрузок, плоскость расположенbя провода будет наклонена к вертикали на не который угол β. Этот же угол β будет составлять равнодействующая нагрузка q_x с вертикалью. Если требуется установить для этого режима высоту провода от земли, то нужно определить вертикальную проекцию стрелы провеса провода f_x (рис. 3.26):

(3.44)

Решение кубического уравнения (3.42) можно произвести графическим способом, придав ему вид Н_х=А_х/Н_х² +В_х и находя точку пересечения прямой у = Н_х и кривой Н_х=А_х/Н_х² +В_х. Однако на практике уравнение (3.42) обычно решают подбором, на что требуется несколько минут, причем может быть достигнута любая степень точности.

Рис. 3.26. Расчетная схема определения вертикальной составляющей стрелы провеса нити

Расчет стрел провеса провода при различных режимах. Если в уравнении (3.41) заменить Н его значением из уравнения (3.19), то после несложных преобразований получим

(3.45)

Решение этого уравнения может быть произведено тем же путем, что и уравнение (3.41). После подстановки всех известных величин в уравнение оно получит вид

(3.46)

где

В уравнении (3.45) также можно заменить отношение q/S величиной γ, т.е. перейти к удельным нагрузкам.

Уравнения (3.41) и (3.45) дают возможность по известной величине стрелы провеса или натяжения для какого-либо режима температуры и нагрузки определить эти величины для любого другого режима, характеризуемого заданной нагрузкой и температурой. Таким образом, чтобы приступить к расчету, необходимо предварительно задаться какой-либо одной величиной (натяжением или стрелой провеса) для какого-либо режима. Это даст возможность перейти к любому другому режиму.

Прежде чем говорить о выборе этой исходной величины, нужно ясно представить сущность механического расчета подвески. Подвешивая провод, можно получать различные стрелы провеса, задаваясь различной величиной натяжения. Если основная задача подвески — подвод энергии к поездам при помощи перемещающихся токоприемников, то, как будет показано ниже, для улучшения процесса токоснимания нужно обеспечить возможно большее натяжение провода.

Даже в том случае, когда подвешиваемый провод не служит для снятия тока (например, питающий провод, или провод ВЛ), часто целесообразно давать ему большее натяжение с целью уменьшения высоты опор, что во многих случаях снижает стоимость подвески. В некоторых случаях, когда указанные условия не играют роли (на пример, если высота опор определяется другими факторами или используют готовые опоры, имеющие достаточный запас высоты), а также, когда нагрузка опор уменьшается при снижении натяжения, задаются максимально допускаемой стрелой провеса провода.

Независимо от того, какие условия будут положены в основу расчета, его производят не только для режимов, дающих наибольшее натяжение или наибольшие стрелы провеса, но и для ряда других режимов. Так, для определения отклонений подвески под действием ветра устанавливают величину натяжения в проводе при этом режиме. Учитывая, что монтаж подвески может происходить при различных температурах, производят расчеты для ряда режимов, обычно отличающихся один от другого температурой 5—10°С.

Получив ряд значений для натяжений и стрел провеса сводят эти данные в таблицу или представляют их в виде кривых зависимости натяжения и стрел провеса от температуры. При монтаже подвески монтер или бригадир, производящий работу, для каждой температуры выбирает соответствующее натяжение. Назначение этих кривых и таблиц определило их название – монтажные кривые и монтажные таблицы.

Выяснив, что для большинства случаев желательно иметь в проводе возможно большее натяжение, нужно определить, при каком из режимов натяжение достигает наибольшей величины. Как указывалось, увеличение натяжения провода может возникнуть вследствие понижения температуры и повышения нагрузки (вес гололеда, давление ветра).

Если изучение метеорологических условий района приведет к выводу, что при каком-либо режиме возможно совпадение всех указанных выше явлений, то, несомненно, что наибольшее натяжение в проводе будет иметь место именно при этом режиме. Однако результаты наблюдений метеорологических станций в течение ряда лет свидетельствуют о том, что при наименьшей температуре воздуха обычно не бывает добавочной нагрузки. Это обстоятельство вносит в расчет не которую неопределенность, так как заранее не представляется возможным указать, какой из режимов (режим наименьшей температуры или режим наибольшей добавочной нагрузки) нужно считать при расчете исходным, т.е. дающим в проводе наибольшее натяжение.

Предположив произвольно, что какой-либо из этих режимов даст наибольшее натяжение в проводе, можно принять его за исходный, т.е., допустив, что Н₁ = Н_mах (Н_mах — наибольшее натяжение, допускаемое по прочности провода), пользуясь формулой (3.41), можно найти Н_х, где Н_х и будет относиться ко второму тяжелому режиму. Возможно, что во втором режиме даст Н_х>Н₁ и, следовательно, больше допускаемого. В этом случае необходимо произвести весь расчет сначала, взяв за исходный второй режим и предположив, что именно при этом режиме Н =Н_mах, после чего определять по тем же формулам натяжения и стрелы провеса для других режимов.

Этой неопределенности можно избежать, сравнивая длину за данного пролета с «критическим», определение которого будет рас смотрено ниже.

Влияние длины пролета на изменение натяжения провода. Критический пролет и критическая нагрузка. Если при каком-либо режиме провод имеет некоторое натяжение, то, как ясно из изложенного ранее, при изменении температуры и нагрузки величина натяжения изменяется.

При этом расчеты и практика показывают, что соотношение натяжения в проводе при различных условиях температуры и нагрузки в большей степени зависит от величины пролета.

С практической точки зрения особый интерес представляет характер зависимости величины изменения натяжения от длины пролета для случаев понижения температуры и увеличения нагрузки. Очевидно, что натяжение провода при понижении температуры и неизмененной нагрузке, так же как и при увеличении нагрузки, но неизменной температуре, будет увеличиваться.

В первом случае при жестком закреплении провода в точках подвеса длина его в пролете будет уменьшаться за счет температурных изменений, что равносильно подтягиванию провода. Во втором случае при неизменной температуре и увеличении нагрузки провод получит удлинение, которому по закону упругости будет соответствовать приращение величины натяжения. Чтобы определить влияние длины пролета на величину изменения натяжения при понижении температуры или увеличении нагрузки, представим уравнение (3.4 1) в виде

(3.47)

где Н_г, q_г, t_г — соответственно натяжение, нагрузка и температура при режиме наибольшей добавочной нагрузки; Н_{t min}, q_{t min}, t_min — те же величины при минимальной температуре. Покажем прежде всего, что входящая в выражение (3.5) разность

всегда положительна. Для этого предположим вначале, что t_г = t_min. При этом Н_г будет, конечно, больше Н_min так как при неизменной температуре натяжение с увеличением нагрузки растет. Следовательно, в этом случае разность должна быть положительна, так как только тогда Н_г будет больше Н_{t min}, в соответствии с выражением (3.47).

Если же t_г > t_min, что имеет место в действительности, то натяжение Н_г будет меньше, чем при первом предположении (когда t_г = t_min). В этом случае первый член рассматриваемой разности q_г²/Н_г² возрастает, а сама эта разность не изменит знака.

Из выражения (3.47) можно сделать заключение, что натяжение Н_г при

(3.48)

при наибольшей добавочной нагрузке будет выше, чем натяжение Н_{t min}, при минимальной температуре.

Соотношение (3.48), очевидно, возможно только при достаточно больших значениях пролета l. Наоборот, уменьшая величину пролета, можно получить неравенство

(3.49)

при котором натяжение Н_г будет меньше натяжения Н_min.

Таким образом, при малых пролетах натяжение провода при минимальной температуре будет выше, чем при режиме наибольшей добавочной нагрузки.

При некоторой величине пролета l может иметь место равенство

В этом случае натяжение Н_г и Н_{t min} будут равны между собой по выражению (3.47), и оба равны некоторому Н, а l будет функцией этого натяжения Н.

Положив Н_г = Н_{t min} = Н_mах п обозначив соответствующее значение l через l_к, получим

откуда

(3.50)

Пролет l_к, называется критическим.

Разделив числитель и знаменатель уравнения (3.50) на S, выразим величину критического пролета через удельные значения:

где

(3.51)

Итак, критическим пролетом будем называть такой, при котором натяжения при минимальной температуре и режиме максимальной нагрузки одинаковы и равны максимально допустимому натяжению. При критическом пролете за исходный, наиболее тяжелый режим можно взять как режим минимальной температуры, так и режим наибольшей добавочной нагрузки. Если расчетный пролет больше критического, то за исходный (более тяжелый) режим надо брать режим наибольшей добавочной нагрузки. Наоборот, при расчетном пролете меньше критического за исходный режим следует взять режим минимальной температуры.

Иногда при расчетах проводов воздушных линий для выбора исходного режима пользуются вместо величины критического пролета величиной критической нагрузки.

Для определения критической нагрузки следует в выражениях (3.48) или (3.49) заменить q_г на q_k, затем Н_г и Н_min – на Н_max и приравнять левую часть выражения правой.

Тогда получим

откуда

(3.52)

По аналогии с уравнением (3.50) можно и величину критической нагрузки выразить через удельные значения:

(3.53)

Расчет провода в анкерном участке. Выше при рассмотрении расчета провода предполагалось, что имеется один пролет. Если пролеты между всеми опорами в анкерном участке одинаковы, то все сказанное выше для одного пролета полностью сохраняет свое значение и для этого случая. Таким образом, расчет провода такого анкерного участка нужно вести, как для одного пролета между смежными опорами. Если же расстояния между смежными опорами различны, то расчет провода несколько изменится, так как при изменениях температуры и нагрузок в смежных пролетах возникнут различные изменения натяжения, и, следовательно, к точке подвеса (если она неподвижна) будут приложены с двух сторон различные натяжения. Разность этих натяжений стремится сместить точку подвеса в сторону большей силы. Изменение натяжения про вода в случае изменения атмосферных условий при неподвижных точках подвеса будет отличаться от варианта с подвижными. В первом случае длина пролета будет неизменна, во втором же за счет смещения точки подвеса будет несколько изменяться. Вследствие этого и изменение натяжения в проводах будет происходить по различным законам.

Разберем сначала случай жесткого закрепления точек подвеса. Прежде всего рассмотрим, как влияет длина пролета на изменение натяжения в проводе при изменении температуры и нагрузки. Для этого предположим, что при некоторой температуре монтажа t и нагрузке q₀ проводу во всех пролетах дано натяжение Н. Тогда при режиме, который характеризуется температурой t и нагрузкой q₁ натяжение Н₁ может быть найдено из уравнения (3.41), которое запишем в следующем виде

(3.54)

Чтобы оценить влияние длины пролета на изменение натяжения, когда нагрузка изменяется при изменении температуры, примем вначале, что меняется только нагрузка, температура остается постоянной, т.е. q₁>g и t = t₁. Тогда получим

(3.55)

Как было доказано ранее, второй член этого уравнения всегда положителен. Следовательно, уравнение (3.55) показывает, что при увеличении нагрузки натяжение провода будет интенсивнее возрастать в больших пролетах.

Если теперь принять, что температура понижается, а нагрузка остается неизменной, т.е. считать q₁ =g и t <t₁, то получим

(3.56)

Так как Н₁>Н (температура понижается), то последний член отрицателен. Следовательно, из выражения (3.56) можно заключить, что за счет изменения температуры натяжение будет интенсивнее изменяться в пролетах меньшей длины.

Перейдем теперь к установлению расчетного пролета при жестком закреплении провода на опорах. Рассмотрим три возможных случая: все пролеты меньше критического; все пролеты больше критического; величина критического пролета заключена между значениями наибольшего и наименьшего пролетов.

Если все пролеты меньше критического, то исходным будет режим минимальной температуры. При этом расчет надо вести по наименьшему пролету, так как, дав при монтаже для всех пролетов равное натяжение, получим при минимальной температуре наибольшее натяжение в наименьшем пролете.

Если все пролеты больше критического, то за исходный режим надо взять режим гололеда. Выбор расчетного пролета будет зависеть от температуры, при которой производится монтаж. Действительно, если монтаж ведется при относительно высоких температурах, то при переходе к режиму гололеда натяжение растет вследствие увеличения нагрузки и понижения температуры. При этом за счет первой причины больше возрастает натяжение в больших пролетах, а за счет второй — в меньших. Из этого следует, что при некоторой достаточно высокой температуре монтажа можно получить при гололеде равные натяжения в максимальном и минимальном пролетах, а при дальнейшем повышении температуры монтажа натяжение при гололеде в минимальном пролете станет более высоким, чем в максимальном.

Нетрудно показать, что натяжение при гололеде будет одинаковым во всех пролетах, если температура монтажа равна критической температуре действительно, при критической температуре для любого пролета

где Н_г – натяжение провода при гололеде; Н_k — натяжение про вода при критической температуре.

Из последнего равенства найдем

Следовательно, если при критической температуре t_к создать во всех пролетах одинаковое натяжение то при режиме гололеда натяжение также будет одинаковым для всех пролетов. Это видно из того, что в последнее выражение не входит длина пролета.

Изменения натяжения в зависимости от температуры для минимального и максимального пролетов удобно рассматривать в виде графиков (рис. 3.27). Таким образом, если все пролеты выше критического, то, приняв за исходный режим гололеда, надо исходить из максимального пролета, а для более высоких температур — исходить из минимального.

В третьем случае, когда наибольший пролет больше критического, а наименьший — меньше, необходимо вести расчет (для темпера тур, меньших критической) как для того, так и для другого пролета и при составлении монтажных таблиц выбрать для одной и той же температуры наименьшее из полученных значений. При температурах выше критической надо также рассчитать натяжения для пролета, превышающего критический на наименьшую величину.

Рис. 3.27. Кривые изменения натяжения провода при изменении температуры для разных длин пролетов

Для случая, когда точки подвеса про вода имеют возможность перемещаться, применяется другой метод расчета, так как натяжение по всей длине анкерного участка будет одинаковым (для каждого режима). Изменение натяжения будет в общем случае отлично от того, как оно менялось бы в каждом пролете при закрепленных точках подвеса. Нетрудно доказать, что для каждого анкерного участка с любым сочетанием расстояний между точками подвеса можно подобрать такой пролет, при котором изменение натяжения будет происходить таким же образом, как и в этом анкерном участке. Введение в расчет такого пролета позволяет вместо анкерного участка, в котором имеются различные расстояния между точками подвеса провода, рассматривать один «эквивалентный пролет» и тем самым значительно упростить задачу.

Обозначим l₁, l₂, l₃ …, l_n — длины пролетов анкерного участка (рис. 3.28) и l_э величину эквивалентного пролета. Воспользовавшись уравнением (3.22) можно представить длину провода анкерного участка при первоначальном режиме с нагрузкой q₁, температурой t₁ и натяжением Н₁ в следующем виде:

Рис. 3.28. Анкерный участок провода с различными длинами пролетов

Точно так же для режима «х» длина провода может быть представлена выражением

Приращение длины провода в анкерном участке при переходе от первоначального режима к режиму «х», таким образом, может быть представлено в виде:

С другой стороны, как и при выводе уравнения состояния для одного пролета, это удлинение можно представить как сумму удлинений, в результате изменений температуры и натяжения, т.е. в виде

Приравняв одно выражение другому, получим

Упростив это уравнение и разделив обе его части на , получим

(3.57)

Отнеся уравнение (3.40) к эквивалентному пролету lэ будем иметь

(3.58)

Сравнивая уравнения (3.57) и (3.58), можно заметить, что при равных натяжениях, нагрузках и температурах, входящих в формулы для анкерного участка и эквивалентного пролета с одинаковыми индексами, должно иметь место равенство

(3.59)

Заменив этой величиной различные пролеты одного и того же анкерного участка, можно вести расчет по эквивалентному пролету, зная, что в дальнейшем натяжения в различных пролетах будут равны натяжению, полученному в расчете для эквивалентного пролета.

Что касается стрел провеса, то они, конечно, будут в разных пролетах различны. Стрелы провеса могут быть определены для каждого пролета в отдельности по формуле (3.19).

Последовательность расчета свободно подвешенного провода. Основные задачи расчета подвески были изложены выше. Там же были выведены основные формулы для расчета подвески. Расчет подвески следует начинать с определения нагрузок, действующих на провод при всех заданных для расчета режимах.

После расчета нагрузок определяют максимально допустимое для провода натяжение. Оно равно:

(3.60)

где σ_доп – допускаемое напряжение в проводе.

Допускаемое напряжение σ_доп находят путем деления временного сопротивления на запас прочности. При этом надо учитывать, что для многопроволочных проводов временное сопротивление снижается на 10% по сравнению с однопроволочными.

По рассчитанным нагрузкам и натяжению Н_max, по формуле (3.50) находят критический пролет l_k.

Если подвеска выполнена на подвесных изоляторах, то далее расчет ведут в следующем порядке. По плану трассировки линии находят действительные пролеты в анкерном участке и по ним определяют эквивалентный пролет по формуле (3.59). Затем, сравнивая эквивалентный пролет с критическим, находят наиболее тяжелый режим и принимают его за исходный. Приписывая нагрузке, натяжению и температуре при этом режиме индекс «1», определяют по уравнению (3.41) натяжения при других заданных режимах. Натяжение Н₁ при выбранном исходном режиме приравнивают к максимальному, т.е. полагают Н₁ = Н_max.

В случае, когда такой расчет по уравнению (3.41) дает натяжение Н_х выше Н₁ = Н_max, при расчете критического пролета допущена ошибка.

Затем по уравнению (3.41) находят натяжение при других расчетных режимах. Обычно рассчитывают еще только один режим – при ветре максимальной интенсивности.

Кроме этого необходимо произвести расчеты для построения монтажных кривых и составления монтажной таблицы. Эти расчеты так же производят по уравнению (3.41). При этом считают, что при монтаже провода дополнительных нагрузок от ветра и гололеда не будет.

Пользуясь уравнением (3.4 1), можно, задаваясь различными температурами, определять соответствующие им натяжения провода. Однако при этом придется каждый раз решать это уравнение подбором. Можно, наоборот, задаваться натяжениями и определять, каким температурам они соответствуют. При этом упомянутое уравнение (3.41) лучше переписать в следующем виде:

(3.61)

В этом уравнении принято q_x=g₀, где g₀ – масса 1 м провода.

После преобразования уравнения (3.61) через удельную нагрузку

(3.62)

будет легко найти искомые температуры.

Расчет комбинированных проводов. Методы расчета комбинированных проводов могут быть даны в общем виде, т.е. для любого сочетания металлов. Однако в России наибольшее применение получили сталеалюминиевые провода.

Отличия поведения сталеалюминиевого провода от однородно го провода заключаются в следующем:

1) возникающее при подвеске провода напряжение в стали не равно напряжению в алюминии, тогда как в однородном проводе все нити имеют одинаковое напряжение;

2) изменение температуры вызывает перераспределение усилий между стальной и алюминиевой частями, тогда как в однородном проводе все нити всегда нагружены равномерно;

3) допускаемое напряжение, а следовательно, и допускаемое усилие на провод в целом зависит от температуры провода, тогда как у однородного провода допускаемое напряжение или усилие не зависит от температуры.

Рассмотрим причины, вызывающие эти особенности. Очевидно, что если комбинированный провод нагрузить растягивающим усилием, то удлинения стальной и алюминиевой частей будут одинаковыми. Возникающие напряжения согласно закону Гука равны произведению из относительного удлинения на модуль упругости Е, т. е.

(3.63)

Другими словами, отношение напряжений в стали σ_с и алюминии σ_а будут равны отношению их модулей упругости Е_с и Е_а, т. е.

(3.64)

Если умножить числители на площадь сечения стальной части S_c, а знаменатели — на площадь сечения алюминиевой части S_a и заменить произведение σ_сS_c через Н_c (усилие в стальной части), а σ_аS_a через На (усилие в алюминиевой части), то получим

(3.65)

Для того чтобы понять, как влияет изменение температуры на напряжения в комбинированном проводе, представим себе, что провод, изготовленный при температуре t₀, не имеет никаких напряжений ни в стальной, ни в алюминиевой части. Если теперь подвергнуть такой провод воздействию температуры, например нагреванию, то провод удлинится. Если стальная b алюминиевая части провода могли бы удлиняться независимо одна от другой, то они получили бы различное удлинение, так как коэффициент линейного удлинения алюминия α_а больше, чем коэффициент линейного удлинения стали α_с, и поэтому алюминиевая часть удлинилась бы на большую величину, чем стальная.

Но металлы механически между собой связаны и могут иметь только одинаковое удлинение. Следовательно, при повышении температуры стальная часть будет задерживать удлинение алюминиевой, т.е. вызывать в ней усилие сжатия и одновременно сама стальная часть получит такое же по величине растягивающее усилие.

Если провод предварительно был растянут (например, подвешенный), то повышение температуры кроме обычного своего влияния, оказываемого на подвешенный провод (увеличение стрелы провеса и уменьшение общего натяжения), приведет к некоторому увеличению натяжения в стальной части и дополнительному уменьшению натяжения в алюминиевой. Наоборот, при понижении температуры будет дополнительно сжиматься стальная часть и растягиваться алюминиевая другими словами, при любом изменении температуры напряжение в стальной части будет изменяться медленнее, чем в алюминиевой.

Из сказанного ясно, что отношение напряжений в стальной и алюминиевой частях комбинированного провода при всех прочих равных условиях будет зависеть от температуры провода.

Вместе с тем в пределах расчетного диапазона изменений температур напряжение в стали и алюминии не должно выходить за допускаемые пределы. Следовательно, и общее усилие натяжения будет зависеть от температуры провода.

Определение стрелы провеса комбинированного провода по заданному натяжению Н можно вести нотой же формуле (3.19), что и для однородного провода. При изменении температуры приходится учитывать, что комбинированный провод будет вести себя так, как не который эквивалентный однородный провод с модулем упругости Е₀ и коэффициентом линейного удлинения α₀, лежащими в пределах Е_с> Е₀> Еа и α_с <α₀ <α_а. Если определить величину Е₀, то расчет изменения натяжений и стрел провеса комбинированного провода можно вести по формулам (3.41), (3.42), (3.45), выведенным для однородного провода.

Общее натяжение комбинированного провода Н₀ может быть представлено в виде суммы натяжений Н_с и Н_а

(3.66)

или в виде произведения соответствующих напряжений на площадь поперечного сечения

(3.67)

где σ₀ — так называемое фиктивное напряжение, т.е. условное напряжение, взятое по суммарному сечению эквивалентного однородного провода. Воспользовавшись формулой (3.63), выразим напряжение через модули упругости и удлинение, одинаковое для всего провода:

(3.68)

Отсюда

(3.69)

Эквивалентный коэффициент линейного расширения можно вы вести следующим образом.

При переходе от температуры изготовления провода t₀, обычно принимаемой равной 15⁰C, к некоторой другой температуре стальная и алюминиевая части, если бы они не были между собой связаны, получили бы относительное удлинение, соответственно равное

(3.70)

и

(3.71)

Фактическое удлинение комбинированного провода ε₀, равное удлинению некоторого эквивалентного провода с коэффициентом линейного удлинения α₀, можно рассчитать по формуле

(3.72)

Следовательно, под действием возникших сил стальная часть получит дополнительное удлинение, равное

(3.73)

алюминиевая часть получит сокращение длины:

(3.47)

Усилие растяжения в стальной части, вызванное температурным удлинением, будет равно

Так как

то, использовав выражение (3.73), получим:

(3.75)

По аналогии усилие сжатия в алюминиевой части будет равно

(3.76)

но так как ΔН_с =ΔН_а то, приравняв выражения (3.75) и (3.76) и упростив полученное уравнение, найдем

(3.77)

Таким образом, по заданным параметрам комбинированного провода S_c, Е_c, S_а, Е_а и α_а можно найти по формуле (3.69) общий для всего провода модуль упругости Е₀, а по формуле (3.77) — коэффициент линейного удлинения α₀ и рассчитать комбинированный провод, как однородный. При этом под поперечным сечением провода надо понимать суммарное сечение стали и алюминия, а под натяжением —суммарное натяжение провода.

Если расчет ведется не по общему натяжению провода [формулы (3.19), (3.41), (3.45)], а по удельным нагрузкам [ формулы (3.19), (3.42)], то под напряжением σ_х следует понимать фиктивное напряжение σ_0х, где

(3.78)

Допускаемое усилие на комбинированный провод, как уже было показано выше, зависит от температуры провода. В той же степени оно зависит от отношения допустимых напряжений и модулей упругости стали и алюминия. Отношение временных сопротивлений или допускаемых напряжений для стали и алюминия равно примерно 7—8. Отношение же модулей упругости этих материалов равно примерно 3. Следовательно, если провод от механической нагрузки нагружается до предела по алюминию, то его стальная часть всегда будет недогружена. Кроме того, как было показано выше, понижение температуры (ниже t₀) приводит к дополнительной нагрузке алюминия и некоторой разгрузке стали. Поэтому максимально допускаемое усилие на провод в целом следует определять исходя из допускаемого усилия на его алюминиевую часть.

Допускаемое усилие на алюминиевую часть комбинированного провода при температуре t<t₀ равно разности между абсолютным значением максимального усилия, равного σ_{а mах}S_a, и усилием растяжения, возникшим от воздействия температуры на комбинированный провод. Последнее может быть определено из выражения (3.76). Тогда

(3.79)

Зная усилие в алюминиевой части, вызываемое нагрузкой, можно найти усилие в стальной части, вызываемое этой же нагрузкой, воспользовавшись уравнением (3.65).

Тогда усилие в стальной частii, соответствующее Н_{а mах} будет равно

(3.80)

Общее усилие в комбинированном проводе при допускаемом усилии в алюминиевой части будет равно

или, после подстановки значений и упрощений:

(3.81)

Если расчет ведется не по усилиям в проводе и полным нагрузкам, а по напряжениям я удельным нагрузкам, то надлежит обе части уравнения (3.81) разделить на общее сечение провода S₀. В этом случае:

(3.82)

где σ_max называют фиктивным максимальным напряжением комбинированного провода по допускаемому напряжению в алюминии.

Изложенный метод расчета получил наибольшее распространение в практике. Однако, хотя в нем исходят из предположения равномерного распределения усилий по алюминиевой и стальной частям, в действительности в комбинированном проводе усилия между алюминиевой и стальной частями перераспределяются таким образом, что внутренние слои алюминия воспринимают большую часть нагрузки от воздействия температуры, а наружные — меньшую. При этом некоторые слои могут работать за пределами текучести, но, поскольку стальная часть остается сильно недогруженной, это не должно приводить к опасным последствиям.