Сведения об их механическом расчете
Конструкции подвесок. Простая подвеска состоит из одного или нескольких параллельных контактных проводов, закрепленных непосредственно на поддерживающих устройствах (рис. 63). Подвешенный провод сохраняет заданные ему натяжение и стрелу провеса лишь при той температуре, при которой выполняется монтаж. Повышение температуры до мах. вызывает удлинение провода, вследствие чего увеличивается стрела провеса и уменьшается натяжение. Понижение температуры до
*min приводит к укорочению провода: стрела провеса уменьшается, а натяжение увеличивается. Увеличение стрелы провеса и натяжения провода происходит также в случае образования гололеда и действия ветра.
При движении электровоза со значительной скоростью токоприемник не успевает следовать за изменением кривизны провода в точках подвеса. В точке а токоприемник отрывается от контактного провода и вновь приходит с ним в соприкосновение в точке б следующего пролета. В случае отрыва токоприемника (в режиме потребления или рекуперации тока) между ним и контактным проводом возникает электрическая дуга. В этом месте происходит подгорание провода, повреждается его поверхность и уменьшается площадь сечения. Повреждаются и контактные пластины токоприемника. В точке б происходит механический удар, вызывающий деформацию провода, в результате части провода, близкие к точкам подвеса, изнашиваются и теряют механическую прочность быстрее, чем остальная часть провода в пролете. Токосъем получается удовлетворительным только при скоростях 35—40 км/ч и длинах пролета, ие превышающих 35—40 м. Недостатками простой подвески являются также неравномерность эластичности и большие стрелы провеса контактного провода.
Рис. 63. Схема провисания провода простой подвески в зависимости от температуры 141
Для поддержания постоянного натяжения провода при простой подвеске применяют сезонную регулировку или компенсирующие устройства. Сезонную регулировку осуществляют с помощью натяжных муфт, включаемых в провод. Регулировку осуществляют 2 раза в год: весной провод подтягивают до положения, при котором натяжение становится наибольшим; осенью провод отпускают, чтобы зимой при t min натяжение в нем не превосходило допустимого значения. Подвески, имеющие компенсаторы, работают лучше вследствие более высокого натяжения, чем при сезонной регулировке.
Существенное улучшение работы простой подвески дает применение оттяжных тросов ОТ (рис. 64). Контактный провод КП крепят к опорам с помощью тросов ОТ длиной до 30—35 м и устанавливают фиксаторы таким образом, чтобы контактный провод у соседних опор смещался в противоположные стороны. Применение такой подвески дает возможность увеличить длину пролета I до 75 м и повысить допускаемую скорость движения до 80 км/ч. Эта подвеска получила название пространственно-ромбической и рекомендована Министерством путей сообщения (МПС) для применения на деповских и станционных второстепенных путях.
Рис. 64. Вид сбоку (а) и сверху (б) простой подвески с продольными оттяжными тросами ОТ
В цепной одинарной подвеске контактный провод может занимать горизонтальное (беспровесное) положение. Это достигается соответствующим подбором длины струи: короткие в средней части пролета и более длинные у опор. Изменение стрелы провеса контактного провода в цепной одинарной подвеске зависит от изменения стрелы провеса несущего троса (а в двойной — промежуточного). В цепной одинарной подвеске стрела провеса контактного провода значительно меньше, чем при простой подвеске.
Расстояние между струнами в цепных подвесках принимают 8—12 м. Подвески разбивают на отдельные анкерные участки длиной 1200—1600 м, механически не связанные между собой.
Некомпенсированной цепной подвеской называют такую, в которой несущий трос НТ и контактный провод КП жестко анкеруют на конечных (анкерных) опорах (рис. 65, а). При некоторой средней температуре контактный провод располагается беспровесно и условия токосъема оказываются хорошими. Эту температуру называют температурой беспровесного состояния контактного провода t0.
При изменении температуры в интервале изменяются длины НТ и КП, а в результате и их натяжение. Стрела провеса НТ будет изменяться, что повлечет за собой изменение стрелы провеса КП. Условия токосъема при этом ухудшаются. Прогиб контактного провода вниз называют положительным провесом, вверх — отрицательным. Стрела провеса контактного провода при любой температуре определяется разностью провесов НТ при рассматриваемом режиме и режиме беспровесного положения КП.
Эластичность в различных точках пролета различна. Меньше она в точках А и В под опорами вследствие сосредоточенной массы фиксаторов и неизменного положения по высоте этих точек при всех температурах.
Рис. 65. Некомпенсированная (а) и полукомпенсированная (б) цепные подвески
Для улучшения работы подвески применяют сезонную регулировку натяжения контактного провода. Кроме того, заменяют опорную струну двумя сдвинутыми на 2 м в обе стороны от оси опоры. Этим обеспечивается смещение точек подвеса контактного провода А и В по высоте при изменении температуры и несколько распределяется сосредоточенная масса фиксатора.
Некомпенсированная подвеска допускает скорости движения до 60 км/ч при длинах пролета до 55 м и на электрифицированных линиях СССР ее не применяют.
В полукомпенсированной цепной подвеске НТ закрепляется жестко на анкерных опорах, а КП имеет грузовые компенсаторы К (рис. 65, б), поэтому в нем поддерживается примерно постоянное натяжение при различных температурах.
Изменение температуры вызывает изменение натяжения и стрел провеса несущего троса. Контактный провод получает положительные и отрицательные стрелы провеса. Если контактный провод занимал беспровесное положение при температуре средней между
то положительная и отрицательная стрелы провеса будут примерно одинаковыми. Но токоприемник при движении дополнительно поднимает провод, поэтому условия токосъема при будут хуже. Чтобы иметь одинаковые условия токосъема в зимний и летний периоды, температуру беспровесного состояния t0 принимают на 10—15°С ниже средней, т. е.
(18)
При этом отрицательная стрела провеса контактного провода меньше положительной.
Анкерные участки подвески имеют двустороннюю компенсацию контактного провода. Для предотвращения угона или перетягивания его под действием разности массы грузов компенсаторов контактный провод в середине анкерного участка и в средней части пролета прочно соединен с несущим тросом отрезком вспомогательного троса длиной 15—20 м. Это устройство называют средней анкеровкой (рис. 66, а). Она позволяет уменьшить зону разрушения контактной сети при обрыве контактного провода в любой части анкерного участка.
Благодаря наличию средней анкеровки и компенсаторов К при изменениях температуры контактный провод получает продольное перемещение вдоль пути от средней анкеровки. Несущий же трос перемещений таких не имеет. Поэтому струны в этой подвеске при температуре, не соответствующей беспровесному положению, имеют наклон — перекос (на рис. 65, в при t max струны показаны штриховыми линиями). Наибольший перекос получают короткие струны, расположенные в середине последних пролетов от средней анкеровки.
Угол наклона не должен превышать 30°С, так как при большем перекосе ухудшаются условия токосъема. Помимо этого, перекос струи при температурах приводит к изменению натяжения в контактном проводе в средних частях анкерного участка и вблизи компенсаторов. При токе натяжение контактного провода в средних частях анкерного участка меньше, чем вблизи компенсаторов. Допускается отклонение натяжения компенсированного контактного провода на ±15% номинального.
Рис. 66. Схема средней анкеровки полукомпенсированной (а) и компенсированной (б) подвесок (LA — анкерный участок подвески)
Для уменьшения влияния перекоса струн и улучшения токосъема устанавливают вместо коротких струн в последних от средней анкеровки пролетах скользящие (см. рис. 80). Они допускают продольные перемещения контактного провода относительно несущего троса.
Недостатком полукомпенсированной подвески является значительное изменение стрел провеса контактного провода и ухудшение эластичности подвески вблизи опор. Эта подвеска применяется на железных дорогах СССР, так как проста по конструкции и обеспечивает бесперебойный токосъем при скоростях до 100 км/ч. Длина пролетов между опорами составляет 60—70 м.
Улучшить работу подвески можно, заменив одну опорную струну двумя смещенными, расположенными от оси опоры на расстоянии, равном половине струнового пролета. Более значительное улучшение характеристик достигается установкой в подвеске у опор рессорных струн (рис. 67). Струны 2, расположенные у опор, крепят к отрезку вспомогательного троса длиной 12—14 м, укрепленному на несущем тросе на расстоянии а=6-7 м с каждой стороны опоры. Высота контактности провода под опорами при этом не остается постоянной, а изменяется в зависимости от провеса несущего троса в точках крепления к нему рессорного провода и от изменения стрелы провеса этого троса. Стрела провеса контактного провода, например, при max будет определяться выражением
(19)
Следовательно, стрелы провеса контактного провода при изменениях температуры будут небольшими, а эластичность подвески более равномерной по длине пролета. При проходе токоприемника у опоры нажатие его на контактный провод вызывает разгрузку рессорного провода и несущего троса в местах крепления. В таком случае высота подъема токоприемника изменяется незначительно и создаются хорошие условия для токосъема.
За температуру беспровесного состояния контактного провода to принимают среднюю в диапазоне изменения
Рис. 67. Полукомпенсированная подвеска с рессорными струнами (а) и схема рессорных струн (бив)
На рис. 67, б и в показаны другие применяемые схемы рессорных струн. Они обеспечивают лучшую эластичность под опорами. Рессорная подвеска, допускающая скорость до 130 км/ч, получила широкое распространение.
Полукомпеисироваиные подвески выполняют с одним и двумя контактными проводами. Двойные контактные провода улучшают условия токосъема и повышают ветроустойчивость подвески.
Компенсированной цепной подвеской называют такую, в которой несущий трос и контактный провод имеют компенсаторы. Может быть компенсатор на каждый провод (рис. 68, а) или один компенсатор для обоих проводов (рис. 68, б). Стрела провеса несущего троса при всех температурах остается неизменной, а контактный провод сохраняет заданное ему положение. Для получения равномерной эластичности подвески контактный провод располагают с небольшим (8—10 см) положительным провесом. При изменениях температуры струны сохраняют вертикальное положение, смещаясь вправо или влево.
Работа подвески ухудшается при образовании гололеда на проводах, когда нагрузка провода возрастает и стрела провеса контактного провода увеличивается. В этом случае компенсаторы снабжают тормозными устройствами, которые жестко закрепляют временно несущий трос. Подвеска работает как полукомпеисироваиная.
Рис. 68. Компенсированная цепная подвеска:
I — коромысло; 3 — тормозное устройство; 3 — компенсатор
Рис. 69. Двойная цепная подвеска с рессорными струнами
Чтобы обеспечить продольные перемещения проводов подвески при изменениях температуры, несущий трос подвешивают на поворотных консолях и оставляют одну неповоротную в середине анкерного участка. Последнюю закрепляют жестко двумя оттяжками 5 (см. рис. 66, б), укрепленными на неб и заанкероваиными на соседние опоры. Контактный провод 4 в этих пролетах анкеруют к тросу 2 наклонно расположенными струнами 3.
Компенсированная подвеска может быть выполнена с одним и двумя контактными проводами, с опорными и рессорными струнами. Она допускает скорость движения поездов до 160 км/ч. Длина пролетов на прямых участках пути не превышает 70 м. Эту подвеску применяют для скоростного движения.
Двойная цепная подвеска (рис. 69) отличается от одинарной наличием вспомогательного провода 3, расположенного между несущим тросом 1 и контактным проводом 4. Его подвешивают к несущему тросу на струнах 2 нормальной длины, а контактный провод к вспомогательному тросу — на коротких петлевых струнах 5. В качестве вспомогательного применяют медный провод сплошного сечения. Стрелы провеса контактного провода при изменениях температуры малы.
Двойную подвеску выполняют с одним и двумя контактными проводами, опорными, смещенными и рессорными.
Подвеска может быть некомпенсированной, полукомпенсированной с компенсаторами в контактном проводе или контактом и вспомогательном проводах и полностью компенсированной; длина пролета 80—90 м. Используют ее на дорогах с высокими скоростями движения.
Для более высоких скоростей были испытаны: тройная цепная подвеска с одним главным несущим тросом и двумя промежуточными; двойная рессорная со вспомогательным несущим тросом и двойная демпфированная с четырьмя пружинно-масляными амортизаторами между несущим и промежуточным тросами. Испытания показали возможность получения удовлетворительных условий токосъема при скоростях 200 км/ч и выше.
В зависимости от расположения проводов подвесок в плане различают полукосую, косую, ромбовидную и вертикальную подвески. Наибольшее распространение получила полукосая подвеска (рис. 70, а), у которой контактный провод КП расположен зигзагообразно относительно оси пути, а несущий трос НТ — над осью пути. На железных дорогах СССР принято, что зигзаги на смежных опорах направлены в разные стороны от оси пути. Нормальный зигзаг составляет ±300 мм. Полукосая подвеска проста по конструкции, обеспечивает равномерный износ контактных пластин токоприемника.
При косой подвеске (рис. 70, б) контактный провод расположен с зигзагом ±300 мм, а несущий трос у тех же опор с зигзагом 1 м, противоположным зигзагу контактного провода. Перекос струи поперек пути большой, что создает хорошую ветроустойчивость подвески. Недостатком ее является сложность монтажа. Применяют такую подвеску в районах с сильными ветрами.
В ромбовидной подвеске (рис. 70, в) контактные провода располагаются в горизонтальной плоскости у опор с разносторонним зигзагом 300—400 мм.
Рис. 70. Расположение проводов полукосой (а), косой (б) и ромбовидной (в) подвесок в плане на прямых участках пути (Р — рельс)
Ромбовидная подвеска монтируется на участках постоянного тока в районах с сильными ветрами.
Вертикальная (хордовая) подвеска предназначается для кривых участков пути (рис. 71, а). Контактный провод КП и несущий трос НТ располагают в одной вертикальной плоскости и по хорде относительно оси пути. Контактный провод у опор смещают в наружную сторону кривой на расстояние, называемое выносом. Нормальный вынос на кривых равен 400 мм. Хордовая подвеска проста по конструкции и широко применяется. При косой подвеске в кривых (рис. 71, б) контактный провод расположен в вертикальной плоскости оси пути, а несущий трос смещен в наружную сторону кривой. Струны при этом занимают наклонное положение.
Рис. 71. Вертикальная (хордовая) (а) и косая (б) подвески в кривых (Р — рельс)
Косая подвеска позволяет увеличить пролет между опорами по сравнению с хордовой. Она может быть выполнена без фиксаторов, что улучшает качество токосъема.
Краткие сведения о механическом расчете подвесок. Основной задачей расчета контактных сетей является выбор наивыгоднейших параметров (длины пролета, провесов проводов, высоты опор), а также определение запасов прочности отдельных элементов. Наивыгоднейшие геометрические размеры обеспечивают экономичность сооружения и необходимую надежность конструкции при работе.
При расчете подвесок вычисляют допустимые натяжения проводов, наибольшие стрелы провеса и натяжения, которые нужно давать при монтаже подвески. Допускаемое натяжение провода, кН,
(20)
где кс — коэффициент скрутки проводов;
S — фактическая площадь сечения провода или троса, мм2; а— временное сопротивление материала провода, ГПа; i — коэффициент запаса прочности.
Расчетом определяют следующие нагрузки проводов: вертикальные (собственный вес провода и гололеда на нем);
горизонтальные (нагрузки от ветра);
результирующие (совпадающие по времени). Зная эти нагрузки и Наоп, для исходного режима /о по уравнению состояния простой подвески определяют натяжение Нх для других режимов температуры и нагрузок. Результаты расчета представляют в виде монтажных кривых Нх и fx, которые используют при монтаже подвески.
Для цепных подвесок проводят расчет несущего троса, который, помимо своего веса и дополнительных нагрузок от гололеда и ветра, воспринимает нагрузки от всех проводов цепной подвески и дополнительных нагрузок на них. Расчет выполняют, выбрав наиболее тяжелый режим из следующих: режим tmln (при отсутствии гололеда и ветра); режим дополнительных нагрузок t=—5°С с гололедом и ветром; режим +5°С при максимальной скорости ветра.
Выбор длины пролета. От длины пролета зависит общая стоимость контактной сети и надежность ее работы при эксплуатации. Чем больше длина пролета, тем меньше количество опор, кронштейнов, фиксаторов, изоляторов, но одновременно увеличивается мощность опор, их высота и несколько ухудшаются условия токосъема. С экономической точки зрения, выгодно иметь пролеты большой длины (80—90 м), однако в таких пролетах наблюдается большая неравномерность эластичности подвески, увеличиваются стрелы провеса проводов и отклонение контактного провода под действием ветра, что может привести к сходу его с полоза токоприемника. Обычно принимают наибольшую длину пролета при условии обеспечения надежности работы в эксплуатации.
Отклонение контактного провода от оси пути при ветре не должно превышать допускаемого для токоприемника принятого типа. Рабочая длина полоза токоприемников, применяемых на дорогах СССР, составляет 1300 мм. Казалось бы, наибольшее отклонение контактного провода от оси приемника не должно превышать 650 мм. Но следует учесть возможные в эксплуатации отклонения токоприемника от его нормального положения: неодинаковый уровень головок ходовых рельсов на прямых участках пути, неодинаковая просадка рессор локомотива, неправильная установка токоприемника на крыше подвижного состава, боковые колебания токоприемника из-за перемещения в шарнирах и изменения прогиба опор контактной сети, вызываемого нагрузкой от ветра на провода подвески и тело опоры. Вследствие этого наибольшее отклонение контактного провода в пролете (см. рис. 72, а) под действием ветра принимают равным 500 мм на прямых и 450 мм на кривых участках пути.
Зигзаг контактного провода а вызывает уменьшение длины пролета I. Несущий трос в цепных подвесках оказывает влияние на ветровое отклонение контактного провода. В косых подвесках он удерживает контактный провод, уменьшая его отклонение, в полукосых действие его зависит от натяжения и стрелы провеса.
При одинаковых ветровых отклонениях несущего троса и контактного провода в пролете струны располагаются вертикально (см. рис. 72, б) и несущий трос не влияет па отклонение контактного провода.
Рис. 72. Схемы отклонения провода при действии ветра (а) и влияния несущего троса на отклонение контактного провода в пролете при действии ветра (б, в, г)вес контактного провода: N — реакции струны
Если отклонение несущего троса (см. рис. 72, в) меньше, то струны располагаются наклонно, в результате чего появляются горизонтальные составляющие их натяжения Р3, которые сдерживают отклонения контактного провода. При отклонениях несущего троса (рис. 72, г) больших, чем контактного провода, составляющие Рэ увеличивают отклонение контактного провода.
Длина гирлянды подвесных изоляторов оказывает влияние на ветровое отклонение несущего троса. На дорогах постоянного тока длина гирлянды меньше и, следовательно, она меньше влияет на отклонение несущего троса.
Длину пролета уменьшают, если несущий трос увеличивает ветровое отклонение контактного провода, и наоборот. На участках, защищенных от ветра, длину пролета принимают близкой к экономически выгодной, что снижает стоимость контактной сети. При проектировании эту длину определяют, рассчитывая ветровое отклонение проводов при наибольших скоростях ветра. На практике на прямых участках пути длину пролета принимают до 70 м, а на кривых уменьшают в соответствии с радиусом кривой.
