Контактные сети и ЛЭП

ростных магистралях в пассажирском движении и для перевозки контейнеров при

160 км/ч, значительно ухудшающей динамические условия процесса взаимодей-

ствия токопровода и токоприемника. Кинетическая энергия, выделяющаяся на не-

ровностях (спецчастях) контактной подвески зависит от квадрата скорости движе-

ния. По условию критических скоростей электропоезд после 220 км/ч должен рабо-

тать не более, чем на двух токоприемниках, после 300 км/ч — на одном. Это пред-

определяет использование электрической тяги с переменным повышенным напря-

жением 15—27 кВ и уменьшенным током; 2) повышением мощностей электровозов и электропоездов, а также централи-

зованным электроснабжением пассажирских вагонов, что приводит к увеличению силы тока, проходящего через один токоприемник. Особенно это свойственно для трехсекционных грузовых и двухсекционных пассажирских электровозов постоян-

ного тока, работающих на двух поднятых токоприемниках. Пассажирские электро-

поезда для реализации высоких скоростей должны иметь повышенную мощность,

т.е. должны также снимать увеличенный ток при уменьшении числа токоприемни-

ков;

3) ужесточением экологических норм на радиопомехи, шум и продукты токо-

съема;

4) ужесточением требований к надежности перевозок в связи с перспективами увеличения международного евроазиатского транзита, в том числе к надежности то-

косъема.

Проведенными анализами последствий ухудшенного токосъема установлено,

что наиболее рациональным путем решения проблемы увеличения скорости ЭПС до

220 км/ч надо считать усовершенствование токоприемников, а также углубленные исследования процессов токосъема в установившемся и переходном режимах.

При скоростях выше 220 км/ч необходимо принимать меры и по усовершенство-

ванию контактной сети. В пользу этого утверждения говорит рассмотрение техниче-

ских и социологических аспектов.

В установившемся режиме неудовлетворительный токосъем может привести:

а) к катастрофически нарастающему износу контактирующих элементов (при

этом движение поездов может продолжаться некоторое время);

б) повреждениям с задержкой поездов; отрывам, ведущим к отжигу и пережо-

гу провода; к круговому огню по коллекторам тяговых двигателей и перенапряже-

ниям и разборке схем ЭПС; к недопустимому увеличению радио- и телепомех; а

также к отрывам, сопровождаемым ударами, вызывающими раскрепление деталей; к

периодическим увеличениям контактного нажатия, ведущим к поджатиям фиксато-

ров, и т.д.

Таким образом, в установившемся режиме решающим фактором становится экономичный (с малым износом) и надежный (без повреждений) токосъем. Пробле-

мы токосъема в этом случае решаются улучшением характеристик контактных под-

весок и усовершенствованием токоприемников. Каждый путь включает в себя улучшение антифрикционных свойств контактных материалов.

В переходных режимах неудовлетворительный токосъем ведет не только к пе-

режогам проводов, но и поломкам элементов токоприемников и контактных подве-

сок из-за кратковременного появления вертикальных и горизонтальных продольных и поперечных сил, к недопустимому изменению характеристик и параметров узлов во время эксплуатации и т.д. Причинами таких повреждений могут быть попереч-

ные и вертикальные колебания кузова, горизонтальные силы от контактного прово-

да, удары при подъеме и опускании токоприемника, удары о препятствия на кон-

тактном проводе, недостаточные время опускания токоприемника и прочность уз-

лов, боковой ветер, отсутствие должного контроля в эксплуатации. Путь обеспече-

ния надежного токоснимания в переходных режимах один — усовершенствование элементов токоприемников.

К основным критериям процесса токосъема относятся: величины износа контактной пары, отрывы токоприемников от проводов, размах колебаний полоза и контактного нажатия, коэффициенты надежности работы контакта и экономичности токосъема, а также минимум годовых эксплуатационных расходов.

Величина износа контактных динамических пар в эксплуатации является наиболее объективным критерием оценки их работы. Износ может использоваться как сравнительный показатель для материалов контактной пары и величины тока.

Он характеризует работу динамической системы. Однако процесс износа контактно-

го провода протекает медленно, несколько лет, в течение которьк будут неодно-

кратно изменяться метеоусловия, а также типы ЭПС и токоприемников с разными характеристиками, токами, скоростями движения. Будут также влиять и другие фак-

торы, например, высота получившегося износа сечений проводов. Поэтому резуль-

таты анализа износов контактного провода можно получить только по истечении значительного отрезка времени.

Изнашивание пластин токоприемника проходит значительно быстрее. Срок их службы — это пробег до замены. Но конкретный токоприемник будет изнашиваться при езде по тяговому плечу (или плечам) с конкретными профилями при меняю-

щихся за несколько суток метеоусловиями, при разных манерах ведения поездов машинистами и поездных ситуациях (ток, скорость), истощением смазок и т.д. Тем не менее важнейшими для эксплуатации являются статистические данные по сред-

нему удельному износу проводов и расходу пластин, соотнесенные к пробегу ЭПС.

Отрывы токоприемников от проводов являются критерием, который можно использовать во время инспекционных и опытных поездок. Они дают мгновенную оценку надежности токосъема, хотя и не учитывают возможность поджатия прово-

дов. При визуальной оценке (по вольтметру) учитывается количество отрывов, при их регистрации осциллографом или другими приборами — их продолжительность.

Вариантом такой оценки является коэффициент отрывов К' , представляющий про-

центное отношение суммы времени отрывов к периоду наблюдения Т(рис. 13.4, а)

Размах колебаний полоза (рис. 13.4, б) относительно уровня головки рельса

(или отжатия проводов токоприемником) определяются динамической составляю-

щей контактного нажатия токоприемника и рассчитываются по формуле

Наиболее объективным критерием токосъема является контактное нажатие,

которое также характеризуется размахом его колебаний в пролете (рис. 13.4, в):

Рис. 13.4. К определению критериев токосъема: коэффициента отрывов (а), колебаний полоза (б), контактного нажатия, коэффициента ненадежности (в), упрощенного коэффициента экономичности (г): Uкс — напряжение сети; Hл — траектория полоза; l — длина пролета; x — координата пути; Ркт — контактное нажатие; j— износ проводов и вставок

Малый размах колебаний означает, что динамическая составляющая контакт-

ного нажатия оказывает незначительное влияние на нажатие. Однако для измерения контактного нажатия необходима специальная аппаратура и, кроме того, при авто-

матическом сканировании кривой нажатия могут быть пропущены экстремальные

значения.

Коэффициент ненадежности работы контакта характеризует его склонность к возникновению повреждений (поджатий или пережогов). Для его определения необходимо установить значения допускаемых минимальных и максимальных нажатий. Сумма числа случаев выхода контактного нажатия в пролете за допускае-

мые значения дает коэффициент ненадежности:

Превышение допустимых значений Ркт mах и Ркт min может быть учтено коэффи-

циентом опасности kоп, определяемым по нелинейной зависимости от нажатия или по формуле

Экономичность токосъема — обеспечение минимальной величины износа проводов и пластин токоприемников. Для ее оценки необходимо располагать U-

образной зависимостью износа взаимодействующей пары от контактного нажатия и тока.

Упрощенный коэффициент экономичности можно найти, если использовать одну точку U -образной кривой — оптимальное нажатие, при котором будет мини-

мальный износ. Можно допустить, что это нажатие равно статическому нажатию,

принятому для данного типа токоприемника. Коэффициент можно найти, анализи-

руя отклонения значений максимального и минимального нажатий в пролете от оп-

тимального (рис. 13.4 г):

Это среднее в пролете отклонение пропорционально превышению износа над оп-

тимальным, если принять, что U -образная кривая имеет две прямые, расположен-

ные под углом 45° к оси ординат. Потеря меди в пролете будет пропорциональна сумме оптимального износа с его превышением.

Коэффициент экономичности, учитывающий гистограмму нажатий в пролете

иконфигурации реальных U -образных кривых, будет рассмотрен ниже.

Вкачестве обобщающего критерия для оптимизации характеристик и пара-

метров контактных подвесок и токоприемников можно применять принцип мини-

мума годовых приведенных расходов:

где Сси, Сти — эксплуатационные расходы, связанные с износом контактных про-

водов и пластин токоприемников соответственно; Стп, Ссп — эксплуатационные рас-

ходы, определяемые ущербом от повреждений токоприемников и контактной сети соответственно; Кт Кс — капитальные затраты на токоприемники и контактную сеть с учетом устройств диагностики и ремонтного оборудования соответственно; Тт Тс

— нормативные сроки окупаемости соответственно.

Минимизацию этих расходов можно производить по критериям экономично-

сти и ненадежности, выраженными коэффициентами Кэ и Кн. Определение послед-

них связано с необходимостью иметь кривые контактного нажатия, которые явля-

ются универсальными и объективными оценками процесса токосъема.

Весовой коэффициент экономичности Кэ характеризующий потерю контакти-

рующих материалов, приведенную к 1 км подвески и пробегу 1000 токоприемников,

км,

где n — количество рассматриваемых интервалов определенного нажатия в кон-

такте ji (Рkт, Iэ) — интенсивность износа (в функции нажатия и тока) на i-м интерва-

ле; ni — количество случаев данного нажатия на 1-м интервале; v — количество рас-

сматриваемых разрядов контактного нажатия. Умножение Кэ на специальный коэф-

фициент Кэкс позволяет учесть дополнительные эксплуата-ционные факторы.

Критерий ненадежности Кн базируется на определении допускаемых мини-

мальных и максимальных нажатий, случаи выхода за которые условно считаются

отказами. Величина выхода за допускаемые значения (серьезность отказа) задается шкалой опасности с коэффициентами ψ mах i иψ min i.

Определение оптимального значения какой-либо одной характеристики токо-

приемника или подвески для установившегося режима при неизменности всех остальных сводится к нахождению дополнительных капиталовложений и величины снижения эксплуатационных расходов от износа контактирующих элементов (с по-

мощью коэффициента экономичности). Анализ следует проводить для заданных скоростей движения, длин пролетов и стрел провеса на тяговых плечах. Параметры токоприемников и контактных подвесок пока принимаются детерминированными,

т.е. не учитываются возможные допуски, получающиеся при изготовлении и монта-

же, а также условия эксплуатации (скорости и нагрузочные токи поездов).

13.3. Обобщенные расчетные схемы токоприемников и контактных подвесок

Теоретическое определение траекторий элементов токоприемника и контакт-

ного нажатия связано с решением задач динамики (теории колебаний) о движении тел переменной массы под действием разного рода сил. В связи этим первым этапом расчетов является определение в рассматриваемой системе «токоприемник— контактная подвеска» масс, жестокостей, сил сухого и вязкого трения, моментов инерции и установление числа степеней свободы и обоснованный выбор координат.

Обобщенные расчетные схемы токоприемников и контактных подвесок, мак-

симально полно отражающие процесс токосъема и позволяющие получить уравне-

ния, результаты решения которых будут совпадать с результатами экспериментов,

составлены на основании рассмотрения конструкции всех узлов современных токо-

приемников и контактных подвесок как механических систем.

Обобщенная расчетная схема токоприемника была составлена в ОмГУПСе в связи с тем, что известные упрощенные схемы были пригодны для конструкций, со-

зданных в первые годы электрификации.

На обобщенной схеме (рис. 13.5) представлен токоприемник с двух каркасным

(двойным) полозом положительной кривизны с вторичным подрессориванием, рам-

ного типа, а также с рогами, установленными на раме, не синхронизированными ка-

реткам рычажного типа с нелинейной характеристикой и элементами с сухим и вяз-

ким трением, препятствующими повороту полоза вокруг продольной оси.

Рис. 13.5. Обобщенная расчетная схема токоприемника: 7 — контактный провод; 2— подрессоренный контактный элемент; 3— полоз с рогами и каретками; 4— авторегулятор основания; 5 — авторегулятор высоты подвижного основания; 6 — подвижное основание; 7— основание на ЭПС; 8 — неровности пути

Система подвижных рам токоприемника, имеющая силы сухого трения, установ-

лена на авто регулируемом основании и снабжена гидравлическим демпфером

(амортизатором). Статическое нажатие рам зависит от высоты. Крыша кузова со-

вершает вертикальные перемещения. Учтены силы воздействия воздушных потоков на различные элементы токоприемника и силы трения о контактные провода.

Для проведения расчетов вводятся следующие обозначения:

Hпод, Нкас — высота подвеса контактных проводов при отсутствии токоприем-

ника, отсчитываемая от верхней поверхности полозов опущенного токоприемника соответственно под опорой и в любой точке пролета;

Hс, Hэ, Hп, Нp — высота соответственно контактных проводов, верхней по-

верхности контактных элементов, каркасов полозов, верхнего шарнира системы по-

движных рам токоприемника (высоту отсчитывают от верхней поверхности полозов

опущенного токоприемника);

Hкуз 0, Нкуз — высота верхней поверхности полоза опущенного токоприемника над уровнем головок рельсов соответственно на стоянке (т.е. прп отсутствии коле-

баний кузова) и при движении;

H0 — расстояние от верхней поверхности полозов авторегулируемого токо-

приемника при опущенной верхней системе рам (в любом положении подвижного основания) до этой поверхности при полностью сложенном токоприемнике;

mэ, m э пp — масса одного контактного элемента соответственно полная и при-

веденная;

Wэ — сила сухого трения кареток вторичного подрессоривания;

rэ, Ркэ — соответственно коэффициент и сила вязкого трения кареток вторич-

ного подрессоривания;

жэ, Ркэ — соответственно жесткость и функция нажатия вторичного подрессо-

ривания;

Руэ — вертикальная сила от воздушного потока, действующая на один токо-

съемный элемент;

mп, m п пp — полная и приведенная массы полозов;

Рyп — аэродинамическая подъемная сила полозов;

z— приращение высоты полоза (элемента) за счет кривизны;

mкп, mkp — массы частей кареток, скрепленных соответственно с полозом и рамой;

жк, Рк — жесткость пружин и функция нажатия кареток; rк, Pдк — коэффициент и сила вязкого трения кареток; WК — сила сухого трения кареток;

rпо, wпо — соответственно коэффициент вязкого трения и сила сухого трения при повороте полоза вокруг поперечной оси;

mp — приведенная масса рам токоприемника;

жp — приведенная к верхнему шарниру жесткость подъемных пружин токо-

приемника;

Рp — статическое нажатие рам токоприемника с учетом весовой характери-

стики;

rp, Рдр — коэффициент и сила вязкого трения подвижных рам; Wp — сила сухого трения в шарнирах рам;

Рyp — аэродинамическая подъемная сила рам; m0 — приведенная масса подвижного основания;

W0 — приведенная сила сухого трения в механизме подвижного основания; r0, RдО — приведенный коэффициент и сила вязкого трения в системе подвиж-

ного основания;

ж0, T0 — приведенная жесткость возвратной пружины и опускающая сила ос-

нования;

Рy0— аэродинамическая подъемная сила основания;

Ркэ ,Ркт — контактное нажатие соответственно в отдельных точках контакта полозов токоприемника с контактным проводом и полное.

Обобщенная расчетная схема контактной подвески (рис. 13.6) учитывает в общем виде взаимодействие рассмотренных выше элементов для совершенство-

вания существующих методов расчета с целью повышения достоверности их ре-

зультатов. На схеме представлена распределенными параметрами цепная контактная подвеска, состоящая из несущего троса и контактных проводов, имеющих массы,

собственные жесткости и внутреннее вязкое трение. Струны приняты нелинейно-

эластичными как под опорой, так и в средней части пролета с элементами, создаю-

щими силы сухого и вязкого трения (демпферами). Подопорный узел (крепление не-

сущего троса к поддерживающему устройству) принят пружинным. Учтены сосре-

доточенные массы на проводе под опорой. Подвеска объемная, расположение ее контактных проводов в плане задается около опор фиксирующими устройствами.

Для проведения расчетов вводятся следующие обозначения: