Глава 4. Ветроустойчивость контактной сети

4.1. Основные положения

Нормальное взаимодействие токоприемников с контактными подвесками при ветре (особенно при порывистом) может быть на­рушено вследствие больших горизонтальных отклонений кон­тактного провода от оси полоза токоприемника, длительных ус­тойчивых вертикальных колебаний проводов подвесок в пролетах, больших отжатий контактных проводов токоприемниками у фик­саторов. При сильном ветре также может произойти обрыв или пережог проводов вследствие касания заземленных конструкций.

Чтобы обеспечить ветроустойчивость подвески, необходимо правильно выбрать длину пролетов (расстояния между опорами), от которой в значительной степени зависит и стоимость контакт­ной сети. Чем больше длина пролета, тем дешевле контактная сеть, поскольку на ее сооружение требуется меньше опорных и поддер­живающих устройств. Поэтому при проектировании контактной сети длины ее пролетов устанавливают всегда по возможности боль­шими, но с учетом ограничений, вызываемых условиями обеспече­ния надежной работы, обеспечения безопасности движения поез­дов. Длины пролета сокращают дифференцированно.

Основными ограничениями являются: допустимое отклонение контактного провода от оси токоприемника в пролете под действи­ем максимального ветра или ветра при гололеде на проводах, обес­печение необходимых вертикальных габаритных расстояний кон­тактных проводов при гололеде или большом нагреве их тяговыми токами, а в некоторых случаях — также и свободно подвешенных проводов на опорах контактной сети. На участках со скоростями

движения более 160 км/ч длина пролета ограничивается по усло­вию надежного токосъема как в нормальных условиях, так и при сильном ветре, гололеде и определяются проектом.

Надежность токосъема при ветре во многом зависит от длины и очертания полозов токоприемников. На всех отечественных токоп­риемниках длина полоза 2260 мм, горизонтальная часть 1270 мм, углы наклона скосов полоза 30° и 42 .

Для таких полозов с учетом порывистости ветра, а также упруго­го прогиба опор на уровне контактного провода γ_к наибольшее до­пустимое отклонение контактного провода от оси токоприемника ветром Ь_к при расчетах длин пролетов принимают 500 мм на прямых и 450 мм на кривых участках пути. При двух контактных проводах в цепной подвеске указанные значения Ь_к относятся к наружному от оси токоприемника проводу.

Опыт эксплуатации показывает, что при качественном изготов­лении и содержании полозы токоприемников могут обеспечивать взаимодействие с контактным проводом при большем, чем норма­тивное отклонении последнего ветром от оси полоза. Отсюда сле­дует, что при определении длин пролетов имеется запас по допус­тимому значению отклонения ветром контактного провода от оси полоза. Однако в эксплуатации этот запас может быть исчерпан такими не учитываемыми при расчетах длин пролетов факторами, как смещение оси токоприемника от оси пути, поперечное колеба­ние токоприемника, боковое смещение кузова электровоза, изме­нение со временем положения пути на выходах и входах в кривые, возвышение одного рельса над другим на прямых и кривых участ­ках пути и др. Поэтому значение Ь_{к доп} при расчете длин пролетов обычно принимают 450—500 мм. Экспериментальные исследова­ния ветровой нагрузки, действующей на провод, показывают, что она меняется во времени и вдоль пролета. Под действием горизон­тальной составляющей ветровой нагрузки провода совершают вы­нужденные колебания, характер которых определяется пульсация­ми скорости ветра и параметрами колебательной системы (одиночный контактный провод, цепная контактная подвеска). Постоянная составляющая ветровой нагрузки, обусловленная сред­ней скоростью ветра, вызывает статическое отклонение провода. Реакцией провода на действие пульсирующей составляющей ветровой нагрузки являются его вынужденные колебания (динамичес­кое отклонение) около положения статического отклонения про­вода. Значение динамической составляющей отклонения провода зависит от пульсации скорости ветра как во времени в какой-либо точке пролета, так и вдоль пролета. Пульсации скорости ветра в свою очередь зависят от средней скорости ветра, длины пролета и веса проводов (амплитудно-частотной характеристики колебатель­ной системы), шероховатости поверхности земли и высоты прово­дов над ней.

Метод статического расчета длин пролетов контактных под­весок имеет следующие недостатки: ветровая нагрузка считается во времени и по длине пролета постоянной, соответствующей сред­ней расчетной скорости ветра; не учитывается изменение натяже­ния проводов, образующих контактную подвеску, при воздействии на них пульсирующей ветровой нагрузки.

Метод динамического расчета ветровых отклонений проводов контактной сети и максимально допустимых длин пролетов кон­тактных подвесок основан на решении уравнения колебаний про­водов при действии случайной пространственно-временной ветро­вой нагрузки. Расчетная схема этого метода с большой точностью отражает действительный динамический процесс колебаний про­водов при воздействии на них ветровой нагрузки.

При динамическом расчете ветровых отклонений учитывают: возможные пульсации скорости ветра как во времени, так и по длине пролета; изменения натяжения компенсированных контакт­ных проводов и несущих тросов при воздействии на них ветровой нагрузки. Динамический расчет позволяет определять ветровые отклонения проводов контактной сети с заданной надежностью (до 98,5 %). Однако он требует применения сложных математи­ческих формул и поэтому в учебнике не рассматривается. Расче­ты длин пролетов по этому методу осуществляют на ЭВМ по спе­циально разработанной программе. На рис. 4.1 приведены результаты таких расчетов в виде графиков допустимых длин пролетов (кривые 1—12) цепных контактных подвесок с одним (Мф-ЮО) и с двумя (2МФ-100) контактными проводами. Номера кривых для расчетной скорости ветра показаны в табл. 4.1.

Рис. 4.1. Графики допустимых длин пролетов цепной подвески: а —

компенсированной (ПБСМ-70+МФ-100) на изолированных консолях при

К = 10 кН, С_х=1,25: б — полукомпенсированной (М-120+2МФ-100) на

гирляндах из двух изоляторов при 2К = 20 кН, С_х = 1,55

Таблица 4.1

Расчетная толщина стенки гололеда, мм	Номера кривых (см. рис. 4.1) для расчетной скорости ветра v, м/с
	10	15	20	25	30	35	40	45	50
До 10 15 20	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	10				11
	12

Наибольшие допустимые длины пролетов между опорами оп­ределяют с учетом типа подвески; марок, сечений и натяжения проводов; радиуса кривых; расчетных климатических и эксплу­атационных условий для двух расчетных режимов — максималь­ного ветра и ветра с гололедом. Принимается к проектирова­нию меньшее из двух значений. Наибольшие допустимые длины пролета для различных типов подвесок приведены на номог­раммах (рис. 4.2, а, 6) проектирования контактной сети.

Для пользования номограммами необходимо знание расчетных климатичес­ких условий для данной местности: v — максимальной скорости ветра без голо­леда и при гололеде, м/с, В — толщины стенки гололеда, мм, а также плана пути (прямая или кривая радиусом R, м). По расчетным скоростям ветра и толщине стенки гололеда на левой части номограммы для данной подвески на кривой отмечают ветровую нагрузку при максимальном ветре без гололеда и расчетном ветре при гололеде. После чего, проведя горизонтальные линии, на правой части находят соответствующую этим нагрузкам длину пролета в метрах. Принимает­ся к проектированию меньшее из двух значений. Порядок определения на схеме рис. 4.2 показан стрелками.

Длину пролета для промежуточных значений: скорость ветра v, толщина стенки гололеда В и радиус кривой R на номограммах определяют линейной интерполяцией.

Для определения длины пролетов и отклонений проводов под действием ветра и при сочетании гололеда с ветром скорость ветра и толщину стенки гололеда берут по данным многолетних наблюде­ний о максимальных скоростях ветра и толщине стенки гололеда с повторяемостью один раз в 10 лет. При этом учитывают характер подстилающей поверхности и высоту насыпи на отдельных участ­ках в соответствии с Нормами проектирования контактной сети.

Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог (ПУТЕКС) установ­лены предельные длины пролета контактной сети независимо от результатов расчета.

Наибольшая длина пролета контактной подвески не должна превышать:

на прямых участках пути 70 м, а при скорости движения поез­дов более 160 км/ч — 65 м;

в незащищенных от ветра местах и на насыпях высотой от 5 до 10 м в лесистой местности — 60 м;

на насыпях высотой от 5 до 10 м открытой местности, в поймах рек и над оврагами — 50 м;

на насыпях, эстакадах и мостах при высоте более 10 м над откры­той местностью или над деревьями в лесистой местности — 40 м.

Наибольшая длина пролета контактной подвески в кривых уча­стках пути, не защищенных от ветра, не должна превышать: при радиусе кривой 1500 м — 60 м; 1200 — 50; 1000 — 45; 800 — 40; 300 м — 30 м.

Рис. 4.2. Наибольшие допустимые длины пролетов при компенсирован­ных подвесках: а — переменного тока на изолированных консолях ПБСМ-70(95)+МФ-100 и ПБСА-50/70+МФ-100; б — постоянного тока на гирлянде из двух изоляторов ПБСМ-95+2МФ-100, М-120+2МФ-100

Длину переходных пролетов контактной подвески на изолиру­ющих сопряжениях сокращают на прямых и кривых участках пути радиусом более 1500 м на 25 %; на кривых участках пути радиу­сом более 1000—1500 м на 20 %; то же более 500—1000 м на 15 %; то же менее 500 м на 10 %. Длину пролета со средней анкеровкой контактного провода сокращают на 10 % по сравнению с расчет­ной. Отклонение фактической длины от расчетной допускается от +1 до -2 м, а на участках со скоростями движения поездов бо­лее 160 км/ч — не более ±0,5 м.