Исследование взаимодействия пространственных автокомпенсированных контактных подвесок с токоприемниками

Бесперебойность перевозок на электрифицированных железных дорогах во многом определяется уровнем эксплуатационной готовности контактной сети. В России требования высокой надежности обусловлены экстремальными климатическими условиями, большой протяженностью полигона контактных сетей, находящихся на удалении от крупных населенных пунктов, сложным, в ряде районов, рельефом местности, низким уровнем механизации строительства и технического обслуживания.

В условиях интенсивного перевозочного' процесса, когда остановки движения сопряжены со значительными финансовыми потерями, требуется не только значительное повышение надежности контактной сети, но и сокращение объемов и длительности восстановительных работ при ее повреждениях. При выборе оптимальной конструкции контактной подвески важным критерием является продолжительность работ по приведению поврежденного участка контактной сети в пригодное для пропуска поездов состояние. В идеальном случае повреждение контактной сети не должно приводить к остановке движения.

Общеизвестно, что цепные контактные подвески не обладают способностью к поддержанию регулировочных параметров в установленных пределах при изменении условий окружающей среды. Большой объем работ по техническому обслуживанию цепных контактных подвесок во многом определяются широкой номенклатурой устройств, единственной функцией которых является компенсация температурных деформаций этих подвесок. Компенсаторы, обыкновенные (неизолирующие) сопряжения, средние анкеровки — применение этих устройств теряет смысл, если способность к компенсации заложена в конструкции самой контактной подвески. Естественным образом исключаются затраты, связанные с обслуживанием этих устройств. В связи с этим, перспективным решением проблемы интенсификации перевозочного процесса в сложных эксплуатационных условиях следует считать применение контактных подвесок, обладающих компенсирующей способностью. Наиболее широкое распространение среди конструкций данного класса получили пространственные автокомпенсированные контактные подвески, разработанные во Всесоюзном заочном институте инженеров транспорта1 доктором технических наук, профессором А. Т. Демченко [1]. Контактные сети, построенные на основе подвесок данного типа, принято называть пространственными автокомпенсированными контактными сетями (ПрАКС). Оригинальное расположение проводов в пролете ПрАКС позволяет существенно сократить диапазон колебания важных эксплуатационных параметров подвески при изменении температуры и нагрузки. При этом практически полностью исключаются продольные перемещения контактных и несущих проводов. Крепление проводов к анкерным опорам может быть выполнено жестким, а, следовательно, устраняется необходимость применения компенсаторов. Отсутствие продольных перемещений несущего троса позволяет жестко закрепить его в точках подвешивания к несущим конструкциям и тем самым существенно сократить зону повреждения в случае обрыва проводов. Отпадает потребность в средних анкеровках. Существенно, в 5 — 10 раз, увеличивается длина анкерного участка, примерно во столько же раз сокращается число сопряжений.

Помимо положительных качеств, обусловленных автокомпенсирующей способностью, пространственные контактные подвески характеризуются малыми вертикальными габаритами и высокой ветроустойчивостью. ПрАКС получила признание, как в нашей стране, так и за рубежом, она длительное время эксплуатируется на железных дорогах России и стран Содружества Независимых Государств. Конструкция пространственных автокомпенсированных контактных подвесок и. ее элементов защищена патентами России, Германии, Франции, Великобритании, Италии и Японии.

1 Ныне Российский государственный открытый технический университет путей сообщения.

К настоящему времени предложено значительное количество контактных сетей с распределенной компенсацией. В таких конструкциях традиционные компенсаторы заменяются упругими (И.А. Беляев, Р. Г. Рагимов [2−5]), либо термоэлементными компенсирующими устройствами (М.Е. Павличенко, А. Н. Смердин [6]), которые устанавливаются в каждом пролете. Практическая реализация этих предложений требует организации серийного выпуска компенсирующих устройств. Увеличение числа компенсирующих устройств приводит к росту трудозатрат на текущее содержание контактной сети, что обусловлено необходимостью контроля их параметров. Автокомпенсированной системой является вантовая контактная подвеска Н. В. Бокового, где в качестве термокомпенсирующего элемента используется. вспомогательный трос [7]. Вантовая система требует значительно более сложной регулировки, чем ПрАКС. Регулировка подвесок А. Т. Демченко проводится один раз при монтаже, что выгодно отличает их от цепных контактных подвесок. Важно также то, что при сооружении ПрАКС используются стандартные узлы и детали, надежность которых подтверждена опытом длительной эксплуатации.

Принцип автокомпенсации пространственных подвесок научно обоснован трудами проф. А. Т. Демченко, вместе с тем до недавнего времени оставались открытыми вопросы взаимодействия ПрАКС с токоприемниками. В настоящее время ПрАКС является одним из основных типов контактной сети, применяемой на участках со скоростью движения до 120 км/ч [8], однако полигонные испытания и данные длительных наблюдений за ПрАКС на действующих участках свидетельствуют об их высоких скоростных свойствах. В связи с активной работой по подготовке электрифицированных железных дорог к скоростному движению актуальной становится проблема теоретического исследования скоростных свойств ПрАКС. Решить ее можно только на основе анализа процессов, протекающих при взаимодействии контактных подвесок с токоприемниками. Пространственные автокомпенсированные контактные подвески конструктивно отличаются от эксплуатируемых в настоящее время цепных подвесок, и эти отличия нельзя не учитывать при построении расчетных методик.

В настоящей работе предложены методы исследования скоростных свойств пространственных контактных подвесок, на основе как статических, так и динамических параметров дано обоснование скоростных свойств пространственных автокомпенсированных контактных подвесок.

Научная новизна. Предложен метод расчета статических отжатий и эластичности пространственных автокомпенсированных контактных подвесок. Разработана уточненная методика расчета параметров равновесного состояния ПрАКС с учетом геометрических параметров фиксаторов. Определены критерии равноэластичности пространственных автокомпенсированных контактных подвесок. Проведен анализ основных видов ПрАКС на предмет разгрузки фиксаторов под действием нажатия токоприемника. Реализован новый эффективный метод математического моделирования взаимодействия контактных подвесок с токоприемниками.

Методы исследования. При разработке методик определения статических параметров применены аналитические методы, основанные на принципе сложения прогибов, функциях Грина и уравнениях статического равновесия. Методика исследования колебательных процессов в контактных подвесках основана на применении метода прямого математического моделирования (ПММ). Достоверность результатов, полученных по предложенным методикам, оценивалась путем их сопоставления с данными натурных экспериментов, проведенных на опытном полигоне и действующих участках, а также результатами измерений, выполненных автором на физических моделях.

Практическая значимость работы. Показана эффективность выравнивания эластичности за счет выбора оптимальных длин фиксаторов. Определены соотношения между оптимальными горизонтальными проекциями фиксаторов пространственных контактных подвесок с тремя и четырьмя ромбами в пролете. Исследована зависимость стрелы провеса контактных проводов от натяжения несущих тросов в пространственно-ромбовидных контактных подвесках.

Апробация работы. Результаты проведенной работы докладывались на втором международном симпозиуме по проблемам и перспективам развития электрического транспорта в Санкт-Петербурге «Eltrans' 2003», заседаниях кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог» РГОТУПС. Материалы диссертационной работы вошли в курс дисциплины «Перспективные контактные подвески», читаемой в РГОТУПС и получили отражение в дипломном проектировании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе изучения конструктивных особенностей ПрАКС, выполнения теоретической работы, направленной на создание методик исследования их скоростных характеристик, а также проведения модельных экспериментов получены следующие результаты.

1. Разработана методика расчета статической эластичности ПрАКС и отжатий, обусловленных действием сосредоточенной вертикальной нагрузки.

2. Показано, что влияние изгибной жесткости контактных проводов на эластичность ПрАКС существенно лишь при малом (менее 10 метров) расстоянии между фиксаторами.

3. Установлено, что показатели непостоянства эластичности пространственных автокомпенсированных контактных подвесок зависят от соотношения геометрических параметров фиксаторов в пролете. При оптимальных геометрических параметрах фиксаторов достигается равенство значений эластичности в точках подвешивания контактного провода.

4. Получены расчетные соотношения для определения оптимальных (по критерию равноэластичности) сочетаний геометрических параметров фиксаторов пространственно-ромбовидных контактных подвесок.

5. Отмечено, что пространственные автокомпенсированные контактные подвески с одним и двумя ромбами в пролете обеспечивают беспровесное положение контактного провода. Положение контактного провода характеризуется лишь местным провесом между точками фиксации.

6. Предложена методика расчета параметров равновесия подвесок ПрАКС с тремя и четырьмя ромбами в пролете с учетом стрел провеса контактных проводов.

7. Выявлен механизм поддержания беспровесного положения контактного провода с изменением натяжения несущих тросов в подвесках ПрАКС с тремя и четырьмя ромбами. С увеличением стрел провеса несущих тросов увеличиваются вертикальные проекции фиксаторов, при этом наибольшее приращение получают проекции ближних к опорам фиксаторов, а наименьшее — вертикальные проекции фиксаторов в середине пролета. Таким образом, фиксатор ПрАКС, является элементом, компенсирующим провес контактного провода.

8. Пространственное положение фиксатора практически полностью исключает вероятность его разгрузки под действиём нажатия токоприемника.

9. Эффективным методом исследования волновых процессов, протекающих при взаимодействии контактных подвесок с токоприемниками, является прямое математическое моделирование. Разработанные к настоящему времени модели конечных элементов позволяют исследовать динамическое взаимодействие контактных подвесок с токоприемниками с минимальным количеством допущений.

10. Моделирование взаимодействия ПрАКС с токоприемниками позволило оценить предельную скорость движения ЭПС, оснащенных токоприемниками тяжелой и легкой серий. Вычислительные эксперименты, проведенные с использованием параметров ПрАКС, внедренных на Российских железных дорогах, включая ПрАКС Северо-Муйского тоннеля, показывают, что подвески данного типа обладают резервом для повышения скорости свыше 120 км/ч.

В работе наибольшее внимание уделено исследованию эластичности, стрел провеса, и динамических параметров пространственно-ромбовидных автокомпенсированных контактных подвесок. Такой акцент объясняется более широким распространением подвесок данного типа по сравнению с прочими модификациями ПрАКС. Принципы, заложенные в основу расчета статических и динамических характеристик ПрАКС, могут быть беспрепятственно перенесены на прочие виды пространственных подвесок контактной сети, а также традиционные цепные подвески. Исключение составляют простые пространственно-ромбовидные контактные подвески (без несущих тросов). Следует ожидать, что непосредственное крепление гибких фиксаторов к своду тоннеля, опорам или элементам конструкции моста приведет к существенной нелинейности жесткостной характеристики фиксаторов, т. е. к появлению зависимости эластичности подвески от силы нажатия. В этом случае положение о линейности жесткостной характеристики фиксатора должно быть скорректировано.