V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Повышение скоростей движения − один из основных путей увеличения пропускной и провозной способности железных дорог. Поэтому расширение полигона высокоскоростного движения пассажирских поездов является актуальной задачей. Но при переходе на высокоскоростное движение необходимо качественно решить проблему улучшения качества системы токосъема.

Контактная подвеска − один из элементов системы токосъема. Основной параметр контактной подвески − эластичность, под которой понимается значение подъема контактного провода в какой-либо точке пролета под действием приложенной к нему в этой же точке направленной вверх единичной вертикальной силы, например равной 1 Н. Для хорошего токосъема необходимо определенное натяжение провода, которое не будет изменяться в зависимости от температуры окружающей среды и других климатических факторов.

На сегодняшний день существуют два способа улучшения натяжения контактного провода – это уменьшение длин пролетов и применение компенсирующих устройств. Уменьшение длин пролетов ведет к значительному удорожанию стоимости контактной сети, в отличие от компенсирующих устройств, которые дают необходимое качество натяжения и относительно недороги в эксплуатации.

Для натяжения контактной подвески целесообразно использовать компенсирующие устройства не только на контактном проводе, но и на несущем тросе. Вследствие чего стрела провеса несущего троса остается постоянной, и высота контактного провода во всех точках пролета не зависит от колебаний температуры. В этом случае существенно улучшается контакт между контактным проводом и полозом токоприемника, что особенно важно при больших скоростях движения. Поэтому при высокоскоростном движении необходимо использование компенсированной анкеровки.

Основное требование к контактным подвескам, рассчитанным на высокие скорости движения электроподвижного состава (ЭПС) − большее постоянство ее эластичности в пролете [1]. Идеальная ситуация − эластичность во всех точках пролета одинакова, то есть коэффициент непостоянства эластичности, представляющий собой отношение значения эластичности в середине пролета η_с к значению у опоры η_оп, равен единице:

k_эл =η_с /η_оп=1.

Эластичность одинарной контактной подвески в середине пролета пропорциональна длине пролета l и обратно пропорциональна сумме натяжений всех проводов, образующих контактную подвеску [2].

На рис. 1 представлена зависимость эластичности в пролете с рессорным и без рессорного троса.

Рис. 1. Зависимость эластичности в пролете:

1 − без рессорного троса; 2 − с рессорным тросом

Эластичность с использованием рессорного троса у опоры (подрессорной струной) зависит главным образом от натяжений несущего троса и контактного провода, а также от длины 2а рессорного провода, длины пролета l и расстояния s между опорой и ближайшей к ней простой струной (рис. 2).

а б

Рис. 2. Зависимости коэффициента непостоянства эластичности k_эл для контактных подвесок переменного тока 1 и постоянного тока 2

а − от длины 2а рессорного провода

б − от расстояния s между опорой и ближайшей к ней простой струной

У подавляющего большинства контактных подвесок, спроектированных для невысоких скоростей движения, эластичность в середине пролета намного выше, чем у опор. Поэтому при разработке подвесок для более высоких скоростей задача по выравниванию эластичности в пролете сводится к понижению ее в средней части пролета или к повышению у опор.

Возможности первого способа меньше, чем второго, поскольку уменьшение длины пролета неэкономично, а резерв повышения натяжения тросов и проводов, из которых выполнены контактные подвески, невелик. Лишь применение низколегированных и бронзовых контактных проводов позволяет несколько повысить суммарное натяжение подвески. Однако последующее уменьшение натяжения контактных проводов, которое осуществляется эксплуатационным персоналом по мере износа контактного провода, приводит к обратному эффекту − повышению эластичности в середине пролета.

Выравнивание эластичности в пролете повышением ее в опорной зоне − более правильный путь, чем снижение ее в средней части пролета потому, что высокая эластичность подвески позволяет легче обеспечить необходимое качество токосъема при эксплуатационных отклонениях от оптимального режима, чем низкое ее значение.

Наиболее эффективный и экономичный способ повышения эластичности в зонах опор − увеличение длины рессорного провода 2а и расстояния s между опорой и ближайшей к ней простой струной (рис. 2).

Сокращение длины пролета l, полезное для уменьшения эластичности в середине пролета, отрицательно проявляется в опорной зоне, так как тоже несколько понижает здесь и без того низкую эластичность.

Изменение эластичности контактных подвесок в опорной зоне в зависимости от конструктивных параметров подвески может принимать самый разнообразный характер. Иногда эластичность сильно изменяется на малой длине, что отрицательно сказывается на качестве токосъема (в примененной в виде опыта двойной подвеске, оборудованной в средней части пролета жесткими струнами между контактным проводом и вспомогательным тросом). Поэтому для каждой новой скоростной подвески должен быть рассчитан дополнительно показатель максимального изменения эластичности, представляющий разность между максимальным и минимальным значениями эластичности на участке длиной 10 м, на котором эта разность является наибольшей в пролете.

Необходимо сказать, что при изменении температуры окружающего воздуха натяжение несущего троса в полукомпенсированных подвесках изменяется, не остается постоянным и натяжение рессорного провода. В результате происходит сезонное изменение эластичности. Так, в полукомпенсированной рессорной подвеске с двумя контактными проводами перепад температуры воздуха в диапазоне от − 40 до + 40 °С приводит к росту эластичности в середине пролета почти в 1,5 раза, а в подвеске с одним проводом − в 1,7 раза.

Проведенные испытания и опыт эксплуатации показали, что хороший токосъем при скоростях движения ЭПС 200 и 250 км/ч обеспечивается, когда коэффициент непостоянства эластичности k_эл в пролетах до 70 м не превышает соответственно 1,35 и 1,2 [3]. Примером подвески, имеющей одинаковую эластичность во всех частях пролета, то есть k_эл = 1, является созданная в СССР рычажная компенсированная контактная подвеска, эксплуатация которой на ряде дорог началась в 1973 г.

На качество токосъема при рессорных контактных подвесках с неодинаковой в различных частях пролета эластичностью, кроме характера изменения эластичности, существенно влияет стрела провеса контактного провода f. Многочисленные исследования показали, что наилучшие условия взаимодействия токоприемника и контактной подвески постоянного тока при скоростях движения ЭПС 180−200 км/ч при коэффициенте непостоянства эластичности k_эл = 1,1−1,15 имеют место при стреле провеса 20−30 мм в пролетах длиной 60−70 м. При коэффициенте k_эл = 1,2−1,35 оптимальная стрела провеса составляет 0,001 от длины средней части пролета, ограниченная ближайшими к опорам простыми струнами, то есть, равна (в указанных пролетах) 40−50 мм.

Расчет эластичности так же можно проводить по следующим формулам:

где ∆h_к− величина отжатия КП токоприемником, м; η− эластичность подвески, м/Н; Р − величина нажатия токоприемника, Н; l − длина пролета, м; X − расстояние от опоры до точки измерения, м; F − натяжение КП, Н; T− величина натяжения НТ, Н; a – расстояние между струнами, м; R_c – реакция струны; g_к – погонный вес несущего троса, Н/м.

Эластичность в середине межструнового пролета [4]:

,

Автоматизация расчетов эластичности подвески осуществляется при помощи различных программных продуктов. Так, например, в УрГУПС разработана программа «Автоматизированное рабочее место проектировщика контактной сети» (АРМ КС) (Патент 2172978 РФ МПК6 G 06 F 17/50,D 60 B 1/28).

Назначение АРМ КС – повышение точности расчетов, улучшение качества проектно-сметной документации, избавление проектировщика от рутинных процедур [5]. Указанная цель достигается за счет автоматизации процедур проектирования.

АРМ КС предназначено для разработки проектов капитального ремонта контактной сети перегонов и станций, а также формирования комплекта проектно-сметной документации. Главное окно работы с проектом представлено на рис. 3.

Рис.3. Главное окно работы с проектом

В процессе проектирования контактной сети участвуют проектировщик и АРМ КС. При переоборудовании и ремонте вводятся данные старого и нового проектов. При проектировании нового участка вводятся данные только для нового проекта.

Для расчета задаются начальные условия (марка токоприемника, активное нажатие токоприемника, скорость движения и т. п.). Расчет проекта производится поэтапно. Фрагменты работы с программой представлены на рис. 4 и 5.

Рис.4. Настройка расчетов взаимодействия

Рис 5. Выбор автоколебаний

После окончания каждого этапа расчета можно просмотреть результаты расчета, внести коррективы в исходные данные и произвести перерасчет, или же внести коррективы в результаты и продолжить расчет.

Внедрение автоматизированного проектирования контактной сети с помощью АРМ КС важный этап, на котором необходимо выполнить технические мероприятия и решить организационные задачи. Технические мероприятия должны предусматривать оснащение рабочих мест проектировщиков необходимой оргтехникой. Организационные мероприятия включают в себя обучение проектировщиков работе с АРМ, корректировку технологии проектирования, в основе которой ранее лежали ручные методы. Особое внимание следует уделить подготовке формы и содержания исходных данных, необходимых для проектирования. При ручном проектировании существует практика применения номограмм, упрощенных расчетов и т. д., которые не требуют полного объема исходных данных.

Литература

1. Беляев И.А. Устройство и обслуживание контактной сети при высокоскоростном движении. М.: Транспорт, 1989. – 24 с.

2. Боровикова М.С., Ширяев А.В., Ваганова О.И. Организация высокоскоростного движения на железных дорогах Российской Федерации. М.: Транспорт, 2003 – 30 с.

3. Иванов В.А, Галкин А.Г., Ковалев А.А., Кудряшов Е.В. Разработка контактной сети для ВСМ России /Инновационный транспорт. – 2011. – № 1(1). – С. 16-22

4. Ефимов А.В., Галкин А.Г., Ковалев А.А.. Контактные сети и линии электропередачи // Руководство к лабораторным работам. Екатеринбург: УрГУПС, 2006. – 27 с.

5. Лаборатория САПР КС. http://www.sapr-ks.usurt.ru (дата обращения 1.11.2012).

Код для цитирования: Скопировать