книги из ГПНТБ / Ситковский, И. П. Полимерные материалы на зарубежных железных дорогах

острых, выступающих местах поверхности при последующем нанесе­ нии на пленку бетона обделки. Пленка крепилась к защитному слою клеем после разогрева его горелками или приваривалась токами высо­ кой частоты. Толщина пленки от 0,5 до 2 мм. Прочность клеевого со­ единения составляет — 70% прочности пленки [40].

В Англин при строительстве зданий, расположенных вблизи же­ лезнодорожных линий или над линиями метрополитена, для снижения

вних уровня шума вводят упругие промежуточные слои материала

вместе перехода от фундаментной к верхней части здания. В качестве

материала для упругих прокладок используют резину по аналогии с опорными частями мостов, а также некоторые виды пластмасс. По сравнению со стальными пружинными амортизаторами такие проклад­ ки характеризуются повышенным демпфированием, хотя и обладают существенными нелинейными свойствами при длительном действии нагрузки.

Парк, вблизи которого железнодорожные пути уложены между двумя массивными подпорными каменными стенами и перекрыты мощными железобетонными балками. В данных условиях основные частоты ко­ лебаний, возбуждаемых проходящими поездами, составляли 20 гц, а частотный спектр шумов соответствовал диапазонам свыше 100 гц. Намечавшиеся к применению свинцово-асбестовые прокладки могли бы снизить уровень шума, но не обеспечивали требуемого снижения вибраций, вызываемых проходящими поездами. Поэтому в данном случае использовали типовые блоки, применяемые в опорных частях мостов, выполненные из резины на натуральном каучуке. Они понизили собственные частоты колебаний зданий до 7 гц, что оказалось вполне достаточным для снижения колебаний здания практически до незамет­ ных величин. Статическая осадка этих резиновых элементов под действием веса здания составила 8,4 мм вместо 5,1, что имело бы место в случае применения стальных пружинных элементов той же жесткости. Такое различие в данном случае объясняется нелинейными свойствами резины.

Всего было применено 13 резиновых упругих элементов, что составило 50% стоимости зданий, и соответствует примерно стоимости лифта в этом здании. Кроме вертикальных упругих элементов, одно­ временно были установлены и горизонтальные, снизившие собствен­ ную частоту горизонтальных колебаний здания до 2,5 гц. На аналогич­ ных упругих прокладках построено здание кинотеатра «Одеон» над двумя линиями метрополитена в Марбл-Арч.

Большое служебное здание в Лейтонстоне предстояло построить на расстоянии всего 4,35 м от действующей железнодорожной линии. В связи с этим было проведено тщательное исследование характера шума и вибраций, вызываемых при проходе поездов на месте построй­ ки здания, с тем, чтобы найти меры, снижающие шум в служебных помещениях до 55 дб. В результате такое решение было найдено путем постройки здания на сваях с упругими прокладками на опорах •и под колоннами.,

гo

/ — контактное давление на по­ верхности скольжения (фунты/ кв.дюйм); 2 — коэффициент тре­ ния; 3 — по смазанной стальной поверхности; 4 — по несмазанной

поверхности

В Англии была исследована возможность применения политетра­ фторэтилена (ПТФЭ) для покрытия несущей конструкции опорных частей пролетных строений мостов [14]. Этот материал отличается чрезвычайно низким коэффициентом трения и высокой устойчивостью к воздействию различных реагентов химического и атмосферного про­ исхождения.

Для исследования механических характеристик ПТФЭ были про­ ведены испытания его образцов при различном характере приложения нагрузки. Полученные данные для случая контакта слоя ПТФЭ с не­ ржавеющей сталью, имеющей поверхности с неровностью до 51 мк, приведены на рис. 137.

Значения коэффициентов трения ПТФЭ по алюминию и стали с не­ ровностью поверхности 150 мк находились при тех же нагрузках в диапазоне 0,110—0,070. Испытания на знакопеременный сдвиг про­ водили на специальной установке (рис. 138).

Контактное давление во времени этих испытаний составляло 246 кГ/см2 при полной вертикальной нагрузке 100 Т. Плиту сдвигали на 51 мм примерно в обоих направлениях с помощью двух малых гид­ родомкратов со скоростью 152 мм!мин, фиксируя периодически силу статического трения. По окончании опыта было проведено 51 300 цик­ лов подвижек, что заняло 30 суток. Средняя толщина плиты в резуль-

Рис. 138. Схема установки для определения коэффициента трения при многократно повторном сдвиге:

/ — вертикальная нагрузка; 2 — гидравлический домкрат; 3 — 200-т опорная часть

211

тате опытов уменьшилась на 1—0,68 мм. Изменение коэффициента тре­ ния в процессе испытаний характеризуется следующими данными:

Снижение коэффициента трения со временем объясняется постепен­ ным переносом частиц ПТФЭ на сталь, вследствие чего трение проис­ ходит фактически не между ПТФЭ и сталью, а между двумя слоями ПТФЭ. Однако образование пыли на контактных поверхностях не имело места вследствие внедрения ее в ПТФЭ.

Следующая группа опытов была проведена для исследования дви­ жений поворота опорных частей, покрытых слоем ПТФЭ по контакт­ ным поверхностям. По существу этот процесс соответствует сдвигу, однако поскольку обработка криволинейных поверхностей до такой же частоты, как и прямолинейных, затруднена, то опыты имели само­ стоятельное значение.

Знакопеременный поворот опорных частей осуществляли на уста­ новке с помощью двух гидродомкратов, действующих на плече 510 мм (рис. 139).

Контактные поверхности балансиров и катков были предвари­ тельно покрыты слоем ПТФЭ. При вертикальной нагрузке от 100 до 150 Г и углах поворота в пределах ± 0,05—0,10 рад значения коэф­ фициентов трения составляли 0,019—0,007, причем коэффициенты трения были меньшими при больших нагрузках. Аналогичные данные

212

ски целесообразно в связи с резким сокращением эксплуатационных расходов, повышением надежности и долговечности строений.

В Родезии в 1964 г. были успешно применены эпоксидные смолы для антикоррозионной защитной покраски моста Виктория-Фюлле. Мост, имеющий пролетное строение 15 м с высотой над ущельем ПО м, находится в неблагоприятных условиях тропического климата, ускоряющих разрушения краски резкими температурными колеба­ ниями и высокой влажностью.

После очистки конструкции от старой обычной краски и грунтовки она была покрыта двумя слоями эпоксидно-дегтевой, затем одним слоем зпоксидно-дегтево-алюминиевой краски. Нанесение слоев про­ изводилось обычными малярными кистями после 16-часового отверж­ дения каждого слоя. Считается, что такая окраска сохранится в те­ чение 10 лет [42].

На железных дорогах Швейцарии успешно применено для гидро­ изоляции тоннелёй пленочное однослойное толщиной 1— 1,1—1,2 мм

идвухслойное толщиной 3 мм покрытие из стекловолокна на тер­ мопластичной смоле [43]. При устройстве покрытия сначала на стены

исводы тоннеля наносили с помощью распылителя сухой бетон, на ко­ торый затем наклеивалась пленка. Она сматывалась с барабана само­ ходной тележки и прикатывалась к покрываемой поверхности вали­ ком, перед которым двигалась газовая горелка, разогревавшая клей

итонкий слой пленки. На образовавшееся монолитное покрытие на­ носилась бетонная обделка.

ВЯпонии проведен опыт прикрепления рельсов на мостах непо­ средственно к продольным балкам пролетного строения без мостовых брусьев. При разработке конструкции особое внимание было уделено возможности регулировки рельсов по уровню. Обеспечение этого было достигнуто помещением между резиновой прокладкой и полкой швел­ лера пролетного строения второй резиновой прокладки. А специаль­ ные прокладки позволяют осуществлять регулировку рельсов отно­ сительно положения балок по вертикали в диапазоне ± 6 мм [44].

7.«Public Works», 1970, 101, № 8, p. 55.

8.«J. Railway Eng. Res.», 1970, 27, № 9, 429.

9.«Przegl. kolejowy—Drog», 1969, 16, № 3, 1—4.

10.«Bull. Amer. Ry Eng. Assoc.», 1969, № 619. «Proceedings», 70, p. 659—667.

11.«Eisenbahningenieur», 1968, № 11, c. 319—323.

p.14—35.

14.«Ry Gaz», V. 125, № 7, p. 260—262.

15.«Quart Repts Railway Techn. Res. Ynst.», 1969, 10, № 2, 62—70.

16.«Wirtschaftliche und Technische Transport.», 1968, 37, № 178, 241—243.

213

Г л а в а 6

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В УСТРОЙСТВЕ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

Используемые до последнего времени в контактной сети большинства зарубежных железных дорог секционные изоляторы изготовляют­ ся из электротехнического фарфора. Низкий предел прочности фар­ фора при растяжении привел к необходимости применения в конст­ рукции таких изоляторов многих деталей из цветных и черных метал­ лов, что, однако, незначительно повышает прочность изоляторов. Изоляторы этого типа весят около 65 кг и из-за недостаточной проч­ ности не допускают прохождения под ними токосъемных устройств электроподвнжного состава со скоростью, превышающей 40 км/ч. Несовместимость подобного ограничения скоростей движения поездов с повсеместным ростом их до 100 км/ч и более вызвала на многих до­ рогах поиск путей увеличения прочности изоляторов. Общая тенден­ ция и направления решения этой задачи на большинстве зарубежных железных дорог идут по пути замены существующих конструкций сек­ ционных изоляторов такими, в которых механическая нагрузка, ис­ пытываемая изолятором, воспринималась бы деталями из пластмасс, имеющими значительно больший, чем фарфор, предел прочности при растяжении. Применение пластмасс позволяет одновременно снизить вес изоляторов и повысить их электроизоляционные свойства. Однако такое решение требует существенных изменений всей конструкции изоляторов.

В этой области применения пластмасс, особенно для изготовления секционных изоляторов контактной сети электрифицированных желез­ ных дорог постоянного и переменного тока, на зарубежных дорогах большинства стран прослеживаются несколько направлений.

К пластмассам, пригодным для использования в конструкции изо­ ляторов, предъявляются в основном следующие требования:

высокие искро-и дугостойкость; высокая термостойкость;

стабильность всех свойств в условиях переменных температур; высокие влагостойкость и атмосферостойкость; стабильность свойств в условиях воздействия промышленных газов

II влажной загрязненной атмосферы;

высокие пределы прочности при растяжении, статическом и дина­ мическом изгибе.

Разработки и исследования по созданию изоляторов контактной сети с применением пластмасс интенсивно проводятся во многих стра­ нах. Значительные достижения получены в Англии, где работы по ис­ пользованию фенолоформальдегидных, эпоксидных и полиэфирных

215

смол для создания изоляторов в технике высоких напряжений были начаты еще в 1952 г. Они проводились в направлении использования стеклопластиков на основе указанных смол. Изоляторы с наполните­ лем из стеклянного волокна в 1956 г. начали применять в устройствах контактной сети постоянного и, начиная с 1959 г., в контактной сети переменного тока. Опыт использования таких изоляторов показал, что они обладают достаточной механической прочностью. Однако диэлек­ трические свойства их не удовлетворяли требованиям эксплуатации, главным образом, из-за недостаточной трекннгостойкости, особенно ярко проявляющейся при эксплуатации в атмосфере, содержащей пыль и пары растворов минеральных солей. Это привело к созданию стекло­ пластиковых изоляторов, снабженных поверхностной защитной рубаш­ кой из керамики или иных электроизоляционных, стойких к образо­ ванию на поверхности материала изолятора треков—токопроводящих «следов-дорожек». Преимуществом подобных изоляторов по сравнению с обычными фарфоровыми, помимо несравненно большей прочности, были значительно меньшие габариты и намного меньший вес (близкий к весу контактного провода). Это открывало эффективную возможность прямой «врезки» подобного изолятора в контактный провод без созда­ ния «воздушных пролетов» и обеспечивало возможность движения электроподвижного состава со скоростью до 160 км!я. Положительные результаты эксплуатации в течение нескольких лет позволили при­ ступить к серийному изготовлению и использованию пластмассовых элементов секционных изоляторов в контактной сети постоянного и пе­ ременного тока. Конструкция таких усовершенствованных секцион­ ных изоляторов позволяет скользить по ним лыжам токосъемников без возникновения электрической дуги. Они выполняются из прутка или трубы стеклопластика на основе эпоксидных или полиэфирных смол холодного или горячего отверждения. При изготовлении изоля­ тора из прутка стеклопластика стеклянные волокна в нем распола­ гаются по всей длине прутка равномерно и параллельно друг другу. При изготовлении в виде трубы часть волокон располагается по ее периметру или по спирали вдоль оси трубы [1].

Секционные изоляторы, предназначенные для работы в контакт­ ной сети высокого напряжения, должны быть снабжены защитной рубашкой из материала, обладающего высокой износостойкостью и термостойкостью. Для этих целей используют кольцевые втулки из политетрафторэтилена или политрифторэтилена, надеваемые сплошь по всей длине прутка или трубы — несущего элемента изолятора, попе­ ременно с кольцевыми втулками из специальных керамических сплавов.

Секционные изоляторы в Англии в основном собраны из стекло­ пластиковых стержней, защищенных от истирания лыжами токосъем­ ников электроподвижного состава при помощи керамических втулок. Чтобы избежать появления вдоль стержня токопроводящего пути из графитовых частиц, который может образоваться вследствие истира­ ния графитовых накладок лыж токосъемников керамические втулки имеют на концах небольшую конусность и отделены друг от друга рас­ порными гильзами, имеющими меньший наружный диаметр. Новые секционные изоляторы можно врезать в контактную сеть без ухудше-

216

ния ее динамических характеристик в диапазоне скоростей движения1 поездов до 160 км/ч. Такие изоляторы в основном используются для разделения участков контактной сети переменного тока напряжением 25 кв, питающихся от различных фаз или разных подстанций.

Используемые для этой цели нейтральные вставки образуются дву­ мя новыми секционными изоляторами, расположенными на расстоянии около 4,6 м друг от друга. Отрезок контактной сети между ними зазем­ ляется. Нейтральную вставку можно монтировать на стандартной консольной опоре без дополнительного ее усиления.

Нейтральная вставка старого типа длиной 36 м имеет сложнуюконструкцию. Она требовала устройства дорогих фидерных перемычек и мачтовых выключателей для подачи на нее напряжения в том случае,, когда под ней оказывается токосъемник локомотива. В результате применения нейтральных вставок с новыми секционными изоляторами Британские железные дороги, например, получили на южной части магистрали переменного тока Лондон — Манчестер — Ливерпуль, зна­ чительную экономию капиталовложений. Длительные испытания опыт­ ных образцов секционных изоляторов в неблагоприятных климати­ ческих условиях на участках с высокими скоростями движения и ин­ тенсивной смешанной тягой (электровозы, паровозы, тепловозы) по­ казали их долговечность.

Стеклопластиковые изоляторы впервые были применены в 1955 г. на электрифицированных участках постоянного тока с напряжением 1500 в в Австралии. Испытания таких изоляторов в Англии на контакт­ ной сети с напряжением 25 кв в условиях влажной и загрязненной ат­ мосферы показали, что из-за возникновения поверхностной утечки тока, они быстро снижают электроизоляционные свойства. В связи с этим для защиты стержней из стеклопластика на них были установлены втулки из политетрафторэтилена с уплотнением по концам. Чтобы внутрь не проникла влага, кольцеобразные пространства между стержнем и втулками заполнялись густой силиконовой пастой. Вес таких изоляторов из стеклопластика составил 0,9 кг, тогда как вес эквивалентного фарфорового изолятора равен 15,9 кг. Использованиеболее легких изоляторов из стеклопластика значительно улучшило условия взаимодействия лыж токосъемников электроподвижного соста­ ва и контактной сети, особенно при высоких скоростях движения. Эти изоляторы были применены для подвески проводов контактной сети, а также временно в качестве изолирующих элементов секционных изоляторов и в нейтральных вставках.

Однако втулки из политетрафторэтилена быстро изнашивались под воздействием лыж токосъемников, поэтому в секционных изолято­ рах и в изоляторах нейтральных вставок их приходилось защищать полозами тоже из стеклопластика. Дальнейшее усовершенствование изоляторов заключалось в установке на стеклопластиковых стержнях керамических втулок. Такие секционные изоляторы не нуждались в по­ лозах в связи с высокой износостойкостью керамических втулок, не истирающихся от непосредственного контакта с лыжами токосъемни­ ков. В этих секционных изоляторах цилиндрические керамические втулки размещаются симметрично на стержне из стеклопластика по

2і т

всей его длине и закрепляются при помощи промежуточных гильз из фторопласта. Последние одновременно предотвращают образование непрерывного угольного следа от трения лыж токосъемника, по которо­ му стекает ток. Втулки и гильзы подвергаются предварительному про­ дольному сжатию, чтобы стержень из стеклопластика, врезанный в контактный провод, испытывал небольшое усилие на растяжение.

Зазоры между втулками, стержнем и гильзами в процессе изготов­ ления изолятора заполняются под вакуумом кремниево-резиновой пастой, которая защищает стеклопластиковый стержень и внутреннюю поверхность втулок и гильз от влаги и образует эластичную прокладку, обеспечивающую равномерное распределение механических напряже­ ний в стержне при проходе пантографа. Специальные, предварительно сжатые концевые зажимы служат для того, чтобы натяжение контакт­ ного провода передавалось в осевом направлении. Кроме того, в кон­ струкцию секционного изолятора введены элементы, противодейст­ вующие скручиванию стеклопластикового стержня.

В местах соединения секционного изолятора с контактным про­ водом для плавного перехода лыж токосъемников с одного провода на другой и защиты концевых зажимов от износа предусмотрены регули­ руемые направляющие. Они являются одновременно частью дугоза­ щитного устройства, предохраняющего контактный провод от под­ горания в случае возникновения мощной дуги. В условиях нор­ мальной эксплуатации возникновение такой дуги исключено благо­ даря автоматическому отключению электровоза до прохода вставки.

На Британских железных дорогах участки контактной сети пере­ менного тока с напряжением 25 кв и частотой 50 гц, подсоединенные к различным фазам питающей энергосистемы, имеют длину 30—50 км. На границах участков располагают нейтральные вставки и посты сек­ ционирования, позволяющие при необходимости соединить контакт­ ную сеть обоих участков. Первоначально на контактной сети перемен­ ного тока нейтральные вставки составлялись из трех нейтральных •секций контактной сети общей длиной 36 м. Для этого требовалось четыре секционных изолятора. Значительный вес фарфоровых сек­ ционных изоляторов вынуждал ограничить скорость прохождения ло­ комотивом такой нейтральной вставки. Для получения динамических характеристик контактной подвески, обеспечивающих реализацию ■скоростей до 160 км/ч, были выполнены нейтральные вставки с пере­ ходными пролетами общей длиной 82 ж. Нейтральные вставки такой длины для исключения возможной остановки под ними поезда требовали тщательного выбора места их размещения с учетом подъ­ емов и расположения сигналов. Использование же легких секционных изоляторов из пластмасс с керамическими втулками позволило уменьшить длину нейтральной вставки до 4,6 ж ]2].

Подобные изоляторы из стержней стеклопластика, защищенных керамическими втулками, используются на Британских железных дорогах и для подвески контактного провода. Их широко применяют для натяжения подвески контактного провода на мостах и в тоннелях.

На электрифицированной линии в районе Глазго, проходящей, по морскому побережью, в течение ряда лет успешно эксплуатируются

218

стеклопластиковые изоляторы с фторопластовыми втулками. В этих условиях эксплуатации в атмосфере, насыщенной морскими солями, фарфоровые изоляторы из-за частых перекрытий не обеспечивали нор­ мальную работу линии.

Первая электрифицированная линия Пакистана (Лихар — Кхапеван) протяженностью около 300 км тоже оборудована контактной сетью с секционными изоляторами и нейтральными вставками изпластмасс описанного типа [33.

Значительные работы в области исследования и подбора пластмасс для изоляторов контактной сети, начиная с 1954 г., проводятся воФранции. Результаты изысканий показывают, что для этих целей ря­ дом преимуществ обладают пластики на основе эпоксидных смол. Имен­ но они рассматриваются как перспективные материалы для изолято­ ров, эксплуатирующихся под высоким напряжением в условиях за­ грязненной пылью и парами кислот атмосферы.

Получен положительный опыт использования стеклопластиковых изоляторов в контактной сети на участке Броте — Гравоншон. Опоры контактной сети на этом участке оборудованы консолями, имеющими оттяжки и фиксаторы, выполненные из стеклопластика на основе эпок­ сидной смолы. Некоторые опоры оснащены изоляторами из стекло­ пластика с защитным покрытием из политетрафторэтилена вместо изоляторов из фарфора или стекла [4]. Положительные результаты^ получены и на испытаниях в контактной сети Бельгийских и Нидер­ ландских железных дорог опытных изоляторов из политетрафтор­ этилена вместо фарфора. Установлено, что фторопластовые изоляторы сопротивляются разрушающему действию электрической дуги лучше, чем фарфоровые [5].

Многолетние исследования проведены и железными дорогами Поль­ ской Народной Республики. Цель работы в основном заключалась в поиске для изоляторов оптимальных составов пластиков на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Исследовались также и их моди­ фикации с различными защитными покрытиями изоляторов в целях замедления «старения» материала и повышения электроизоляцион­ ных свойств изоляторов. Основным препятствием для применения пластмассовых изоляторов без защитных покрытий, работающих в ус­ ловиях эксплуатации контактной сети, является склонность боль­ шинства синтетических смол к образованию на поверхности изоля­ торов токопроводящих дорожек вследствие выделения свободного' углерода. Зтого недостатка не лишены и обычные эпоксидные смолы. Наиболее пригодными для этих целей оказались циклоалифатические эпоксидные смолы. Они обладают большей сопротивляемостью воз­ действию высоких температур и ультрафиолетовых лучей. Повыше­ ние электросопротивляемости связующего полимера в составе мате­ риала изолятора достигается добавлением в него реагентов, способ­ ных окислять свободный углерод, который выделяется под влиянием' высокой температуры, или свободных электронов токов утечки вследствие искрения или микроразрядов электрической дуги. Процесс окисления, вызывая образование неэлектропроводных газообразных летучих углеводородов и окиси углерода, исключает возможность

219