Контактные сети и ЛЭП

элементами; со стержнями, работающими на изгиб и скручивание, а также листовы-

ми пружинами, снабженными резиновыми прокладками.

По связи кареток, расположенных с разных концов полоза: син-

хронизированные; несинхронизированные.

По связи кареток, несущих разные полозы: связанные; несвязанные.

По наличию встроенного предохранительного устройства, позволяющего поло-

зам упруго отклоняться назад при продольном ударе: с предохранительным устрой-

ством и без него.

По конструкции соединения с системой подвижных рам: с осью верхнего шар-

нира; с верхними рычагами.

К основным характеристикам кареток следует отнести жесткость, свободный ход (прогиб) и предварительный натяг. ГОСТ регламентируется также статическая характеристика верхнего узла (так называемая суммарная характеристика кареток),

которая представляет собой зависимость перемещения полоза (относительно верх-

него шарнира системы подвижных рам) от приложенной к середине полоза силы,

направленной вниз. При приложении силы, равной пассивному статическому нажа-

тию, ход полоза должен составлять 20—40 % полного хода, а угол его поворота 5— 7° в каждую сторону относительно среднего положения.

В качестве критерия для определения жесткости кареток используют расчетное значение первой резонансной критической скорости. При этом накладываемые ограничения в расчете связаны с наличием или отсутствием синхронизации кареток,

которая, в свою очередь, влияет на их свободный ход и геометрию полоза и зависит от параметров контактной подвески. При невозможности решения дифференциаль-

ных уравнений взаимодействия токоприемника с контактной подвеской суммарную жесткость кареток выбирают, исходя из массы полоза, наличия дополнительного обрессоривания контактных элементов, статического нажатия токоприемника,

жесткости контактной подвески и эксплуатационной скорости ЭПС. Кроме того, до-

полнительно проверяют полученные значения жесткости кареток на статическую и динамическую устойчивость полоза.

Величина свободного хода синхронизированных кареток зависит от стрелы

провеса контактного провода. При увеличении их свободного хода более 100—150

мм необходимо выполнить демпфирование системы подвижных рам токоприемни-

ка. Для несинхронизированных кареток увеличение свободного хода свыше 100 мм требует применения полозов с положительной кривизной контактирующей поверх-

ности и измененной геометрией рогов.

Предварительный натяг применяется при наличии дополнительного обрессори-

вания контактных элементов, чрезмерной массе полозов и в принципе не является обязательным, так как жесткость кареток может быть нелинейной.

Функции нажатия кареток Рк = Pк(Hл -Нр) определяют экспериментально сле-

дующим образом. Каждую из двух кареток закрепляют неподвижно. К верхнему ва-

лику каретки крепят тягу, имеющую внизу площадку для гирь, а сбоку устанавли-

вают измерительную шкалу. Характеристика снимается при снятых полозах для каждой каретки отдельно. Для определения функции нажатия кареток с полозами результаты значений сил на каждой высоте (Hл - Hр) суммируют у двух кареток и из этой суммы вычитают силу тяжести полозов.

12.5. Аэродинамические устройства

Аэродинамические устройства предназначены для улучшения аэро-

динамических свойств токоприемников, зависящих от воздействий воздушного по-

тока, скорость которого определяется как сумма скорости движения поезда vT и ско-

рости встречного vBX и бокового v ветра. В результате воздействия воздушного по-

тока возникают дополнительная аэродинамическая составляющая контактного нажатия РВТ и лобовое сопротивление токоприемника РВТХ. Это ухудшает качество токосъема и увеличивает сопротивление движению поезда.

Аэродинамические устройства можно подразделить на три группы: уменьша-

ющие лобовое сопротивление токоприемника, что достигается применением более обтекаемых форм его элементов и узлов; экранирующие — отводящие потоки воз-

духа из рабочей зоны токоприемника (экраны, устанавливаемые на крыше ЭПС) и

компенсирующие аэродинамическую подъемную силу (управляемые или неуправ-

ляемые крылья или экраны, устанавливаемые непосредственно на токоприемнике).

Аэродинамическими устройствами оборудованы все скоростные токоприемни-

ки за рубежом. В России такое нерегулируемое устройство для токоприемника Сп6М, установленного на электровозе ЧС200, выполнено в виде двух экранов, закреп-

ленных на верхней части системы подвижных рам. Экраны работают поочередно, в

зависимости от направления движения ЭПС.

Аэродинамическая характеристика (подъемная сила) представляет собой за-

висимость аэродинамической составляющей контактного нажатия от скорости и угла атаки воздушного потока и от высоты подъема токоприемника.

В соответствии с требованиями стандарта аэродинамическое воздействие на рабочий (для электровоза задний по ходу) токоприемник ЭПС не должно вызывать увеличения нажатия по сравнению со средним статическим более чем в 1,8 раза при скорости обдува 44,5 м/с для токоприемников типа Л и 33,3 м/с типа Т.

Неработающий токоприемник должен надежно удерживаться в опущенном по-

ложении при движении ЭПС со скоростью 160 км/ч (скорость обдува 44,5 м/с); кро-

ме этого должна быть обеспечена возможность подъема и опускания токоприемника при движении ЭПС со скоростью 120 км/ч и встречном или боковом ветре до 10 м/с.

Аэродинамическую характеристику определяют при продувках в аэродинами-

ческой трубе, располагая полоз на высоте, соответствующей середине рабочего диа-

пазона токоприемника, при углах атаки 1° и 3° в диапазоне скоростей обдува от 11,1

до 44,5 м/с (40—160 км/ч) через каждые 5,5 м/с. Построение характеристики для больших расчетных скоростей воздушного потока осуществляют графическим ме-

тодом.

Допускается замена испытаний в аэродинамической трубе линейными испыта-

ниями, для чего токоприемник устанавливают на вагон-лабораторию, приводимую в движение автономным локомотивом (например, тепловозом). При линейных испы-

таниях проверяют подъем и опускание токоприемника во всем диапазоне скоростей до 120 км/ч (через каждые 5,5 м/с), встречном ветре до 10 м/с и высоте контактного провода 6250—6500 мм.

Провести точный расчет аэродинамических характеристик токоприемника как

плохообтекаемой конструкции достаточно сложно из-за турбулентности потоков воздуха, их неоднородности и срывов вихрей. Приближенные расчеты основаны на определении сил Pj, действующих на отдельные элементы токоприемника:

где сi, sj — коэффициенты сопротивлений и миделевые сечения i-x элементов то-

коприемника, а α — угол атаки. Тогда лобовое сопротивление и аэродинамическая

подъемная токоприемника, состоящего из к элементов:

(12.7)

12.6. Коэффициенты вязкого трения систем подвижных рам токоприемников

Демпфирующие устройства применяют для отбора энергии от колеблющейся системы «токоприемник — контактная подвеска», снижения амплитуд перемещений и уменьшения колебаний контактных нажатий до допустимых пределов.

Преимущества демпфирования колебаний токоприемника, а не контактной подвески следующие: 1) требуется значительно меньшее количество амортизаторов,

причем нужны они только на скоростном ЭПС; 2) текущее содержание становится элементом обычных периодических работ, выполняемых в депо; 3) влияние темпе-

ратуры окружающего воздуха на характеристики амортизаторов уменьшается, по-

скольку в системе токоприемника они работают, нагреваясь при этом почти непре-

рывно (на контактной сети они работают только время от времени).

Демпфирующие устройства устанавливают либо в верхнем узле токоприемни-

ка, либо в системе подвижных рам (рис. 12.8).

Гидравлическими амортизаторами, демпфирующими колебания системы по-

движных рам, оборудованы все скоростные токоприемники во Франции, Германии,

Италии и Японии. В России демпфирующие устройства также применяются на то-

коприемниках скоростного ЭПС (ЭР200, ЧС200).

Экспериментальное определение сил и коэффициентов вязкого трения систем подвижных рам токоприемника необходимо для улучшения токосъема и может быть

достигнуто только при конкретных оптимальных значениях коэффициента вязкого трения рам г и приведенной к верхнему шарниру демпфирующей силы рам Р Уни-

версальный метод расчета характеристики демпфирующего устройства (независимо от типа демпфера) включает в себя методику академика А. Н. Крылова, несколько усовершенствованную для учета несимметричности демпфирования.

Допустим, что известна виброграмма колебаний массы на пружине с известной жесткостью. Затухание размахов колебаний Аг массы т на измерительной пружине с жесткостью ж происходит одновременно от действия сил сухого трения W и вяз-

кого сопротивления г, пропорциональных любым степеням скорости перемещения.

Тогда уменьшение амплитуды за полупериод (для учета несимметричности демп-

фирования) будет равно

(12.8)

где 2 W/ж — уменьшение амплитуды за счет действия силы сухого трения;

zs — уменьшение амплитуды за счет силы вязкого сопротивления, пропор-

циональной скорости перемещения в степени s.

В общем виде для любой степени скорости перемещения

(12.9)

где ω= (ж/т)0,5 — круговая частота собственных колебаний;

АСР = (z1 + z2)/2 — средняя амплитуда половины периода; rs — параметр демпфирования;

Г (s/2) — Эйлеров интеграл второго рода;

s — показатель степени скорости перемещения.

Уменьшение амплитуды Az необходимо записывать как систему уравнений от-

носительно набора неизвестных параметров rs и W, которая решается обычными ме-

тодами.

Так, например, по виброграммам колебаний токоприемника TJ1-14M, оборудо-

ванного в ОмГУПСе демпферами типа ВАЗ, при движении вверх получено

W = 1,4H; Рдр = -1,64Hр +1,06H2р.

Стандарт не регламентирует характеристики демпфирующих устройств, поэто-

му их расчет необходимо проводить для каждого вновь разрабатываемого токопри-

емника с учетом его параметров и эксплуатационных скоростей.

Рис. 12.8. Классификация демпфирующих узлов токоприемников

ГЛАВА 13

ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТНЫХ ПОДВЕСОК, ИХ ВЗ АИМОДЕЙСТВИЕ С ТОКОПРИЕМНИКАМИ ПРИ ТОКОСЪЕМЕ

13.1. Общие сведения и определения

Токосъем (или токоснимание) — процесс передачи электрической энергии от канализирующих ток устройств (коммуникаций) энергополучателям (токопри-

емникам), электрооборудованию ЭПС. Это понятие распространяется на любой вид неавтономного электротранспорта с любым способом токосъема (контактного, бес-

контактного, квазиконтактного).

Надежность токосъема определяется отсутствием повреждений, связанных с задержками поездов, предотвращением ущерба от них, т.е. с обеспечением безопас-

ности движения. К экономичности токосъема относится минимальный износ кон-

тактирующих элементов (проводов и пластин токоприемников, электродов и т.п.),

т.е. ресурсосбережение дефицитных материалов (меди и т.п.). Энергосбережение при токосъеме — экономия электроэнергии на тягу поездов — осуществляется за счет снижения лобового сопротивления токоприемников. Экологичным токосъем может быть только без больших радио- и телепомех, шумовых воздействий и засо-

рения почвы.

Способы токосъема. При контактном способе токосъема (рис. 13.1) токо-

проводы могут иметь как жесткую (или полужесткую), так и гибкую конструкцию, а

также специфические токосъемные или токоприемные локальные узлы (точки).

Жесткие контактные токопроводы укладывают между рельсами или подвеши-

вают либо к своду тоннеля, либо внизу на стойках сбоку от ходовых рельсов (с

верхней, нижней, боковой контактными поверхностями), а также монтируют в под-

земной траншее под путями или прокладывают в полимерной эластичной трубе. То-

коприемники жестких контактных токопроводов имеют плоские скользящие кон-

такты.

Полужесткие контактные токопроводы представляют собой ненапряженные

балки-модули, имеющие незначительную гибкость и упругие подвесы в опорных точках. Некоторые из модулей (например, трубчатые или штампованные профили) в

нижней части имеют контактные шины или провода. В качестве токоприемников для них используют цилиндры-челноки, плоские скользящие контакты или катящи-

еся ролики (троллеи), валики, вращающиеся щетки.

Рис.13.1. Способы контактного токосъема: контактные токопроводы и элементы токоприемников

ЭПС

Гибкие токопроводы с воздушными проводами включают в себя или трубы с разрезом в нижней части, подвешенные к несущему тросу, или провода круглого,

восьмеричного и грушевидного профиля сечения с продольными крепежными ка-

навками. Профилированные контактные провода с канавками могут быть мономе-

таллическими, биметаллическими, комбинированными из различных металлов. Их используют в различных типах простых и цепных (плоских и объемных) контактных подвесок.

К специфическим способам контактного токосъема можно отнести смонтиро-

ванные между ходовыми рельсами токоприемника точки с верхними контактными

поверхностями, получающими питание от кабеля при срабатывании путевых педа-

лей, а также установленные на прямых консолях токосъемные точки с нижними контактными поверхностями, питающимися от трехфазной ЛЭП, смонтированной на опорах контактной сети. В этих случаях токоприемники выполняются в виде длинных лыж, подвешенных вдоль подвижного состава на подвижных рамах токо-

приемников.

Использование контактных систем при увеличенных скоростях движения до

200—350 км/ч требуют создания и применения новых специальных контактных ма-

териалов, имеющих минимальную массу и способных снимать ток болыпой плотно-

сти, не отжигая при этом провода.

Бесконтактные способы токосъема (рис. 13.2)основаны на емкостном, волно-

вом или индуктивном принципах передачи электроэнергии. Однако они требуют больших капиталовложений для создания питающей сети, источников и преобразо-

вателей энергии. Кроме того, сам процесс передачи энергии сопровождается значи-

тельными потерями. Наиболее целесообразным оказалось внедрение бесконтактного токосъема во взрывоопасных шахтах на высокочастотном транспорте, невзирая на низкий КПД. Возможно использование передачи электроэнергии с помощью лазе-

ров. В этом случае кроме низкого КПД, добавляются сложности, связанные с пово-

ротами прямолинейного луча на кривых участках пути. Индуктивный токосъем мо-

жет применяться для обеспечения электромагнитного подвеса движущегося экипа-

жа в случае использования синхронного линейного двигателя, обмотка которого расположена на эстакаде.

Рис.13.2. Способы бесконтактного токосъема

Квазиконтактные способы токосъема (жидкостной и электродуговой) (рис. 13.3) позволяют использовать существующую систему тягового электро-снабжения без ее коренного переустройства и обладают более высоким КПД токопередачи по сравнению с бесконтактными. При жидкостном способе необходимо располагать электропроводящей жидкостью с заданными свойствами и устройствами для обра-

зования струй и их сбора. Для электродугового способа необходимы поджигающие дуги плазматроны и авторегулирующие устройства, перемещающие дугу по элек-

тродам со скоростью, предотвращающие их износ. Переход на электродуговой токо-

съем целесообразен после достижения ЭПС определенной скорости. Но при этом на столб дуги начинает воздействовать воздушный поток, а также изменение тягового тока и расстояния между электродами. Перспективность применения способа опре-

деляется теоретической возможностью замены медного провода стальным и исклю-

чением необходимости стабилизации нажатия токоприемника на токопровод (доста-

точно стабилизации величины зазора).

Рис.13.3. Способы квазиконтактного токосъема

13.2. Критерии качества токосъема

Актуальность проблемы токосъема на электрифицированном железнодо-

рожном транспорте определяется следующими обстоятельствами:

1) реализацией скоростей до 220 км/ч на скоростных и 350 км/ч на высокоско-