Автоколебания и вибрация проводов

Незатухающие вынужденные колебания требуют, как известно, для своего поддержания внешней периодической силы. Однако в некото­рых случаях колебания в системе могут быть незатухающими и без ее воздействия. Такие колебания называют самоподдерживающимися (самовозбуждающимися) колебаниями или автоколебаниями.

В то время как частота вынужденных колебаний совпадает с частотой внешней силы, а амплитуда колебаний зависит от ампли­туды этой силы, частота и амплитуда автоколебаний определяют­ся свойствами системы. Автоколебания отличаются от свободных колебаний тем, что они не затухают с течением времени и их амп­литуда не зависит от начального кратковременного воздействия («толчка»), которое возбуждает колебания.

Автоколебания и вибрация проводов контактной сети происходят при скоростях ветра 5—20 м/с, чаще всего при ветре более 15 м/с на участках с открытой местностью. При сильном ветре (более 20 м/с) автоколебания проводов цепных подвесок не наблюдались. В большинстве случаев автоколебаниям подвергаются провода, имеющие односторонние отложения гололеда или изморози. Частота колебаний проводов при этом 0,6—1 Гц а число полуволн (штриховые линии) в пролете, как правило 1—3 (рис. 4.11, а, 6, в). Возникая при определенной скорости ветра и при какой-либо форме отложе­ний гололеда на проводах, вибрация может существовать на неизменной частоте при значительных колебаниях скорости ветра и из-

Рис. 4.11. Виды автоколебаний цепной контактной подвески с одной (а), двумя (б) и тремя (в) полуволнами в пролете

менении как формы, так и объема атмосферных отложений.

Размах колебаний (амплитуда) проводов цепной подвески при «пляске» может достигать 1 м и более. Между амплитудой вибра­ции проводов и скоростью ветра нет четкой связи из-за происходя­щих срывов колебаний, тогда как при «пляске» отмечается увели­чение амплитуды колебаний при возрастании скорости ветра.

Автоколебания цепных контактных подвесок (одиночных про­водов) происходят с частотами, близкими к частотам собственных колебаний системы, которые для цепной контактной подвески оп­ределяют по формуле

где к — коэффициент, зависящий от конструкции опорного узла кон­тактной подвески: при рессорных струнах в опорном узле к = 0,46; при простых к = 0,5;

l — длина пролета, м;

Z — суммарное натяжение проводов контактной подвески, даН;

q — нагрузка от веса проводов цепной подвески (с гололедом), даН/м.

Профессор И.И. Власов показал, что автоколебания проводов вызываются аэродинамическими силами, возникающими при об­текании воздушным потоком проводов, получивших в результате гололедных отложений или износа неправильную (отличную от круглой) площадь сечения. Если профиль сечения провода близок к круглому, то по знаку подъемная сила и угол атаки ветра совпа­дают (рис. 4.12). В этом случае кривая подъемной силы в завися-

Рис. 4.12. Схема обтекания воздушным потоком цилиндра (я) и тела некруглой формы (б)

мости от угла атаки ά приближается к наклонной прямой, проходя­щей через начало координат. Причем положительным значениям угла а отвечают положительные значения подъемной силы у и наоборот. Иная картина получается у проводов с сечением некруглой фор­мы, например при одностороннем отложении гололеда на прово­де. Рассмотрим обтекание такого провода воздушным потоком, направленным со стороны гололеда (рис. 4.12, б). В нижней части провода воздушный поток тесно прилегает к поверхности прово­да. Линии потока здесь сгущены и скорость потока увеличена, что приводит к понижению давления в этой зоне. К верхней части сече­ния провода прилегает зона, в которой давление примерно равно атмосферному. В результате такого распределения давления по по­верхности провода равнодействующая этих давлений получает вер­тикальную составляющую, направленную сверху вниз.

Рассмотрим зависимость подъемной силы от угла атаки а: в не­котором диапазоне углов атаки положительным значениям а со­ответствуют отрицательные подъемные силы у, и наоборот. В этом случае при движении провода вниз при некоторых положительных углах атаки ά₂ > ά > 0 подъемная сила также получает отрицатель­ное значение (направлена вниз), а при движении провода вверх при отрицательных углах ά₁ <ά < 0 подъемная сила имеет положитель­ные значения (направлена вверх). В результате при колебании про­вода возникает аэродинамическая сила, направленная по движе­нию провода и усиливающая его колебания.

Таким образом, для развития и поддержания колебаний провода необходимо, чтобы аэродинамические подъемные силы, возни­кающие в процессе колебаний, в течение всего периода или на от дельных частях его действовали в направлении перемещения про­вода. В зависимости от формы атмосферных отложений могут быть самые разнообразные аэродинамические характеристики. Однако условием возникновения автоколебаний является нали­чие в этих характеристиках участков с отрицательным наклоном вблизи оси ординат.

После возникновения автоколебаний происходит их дальнейшее развитие до тех пор, пока не наступит энергетическое равновесие системы, т.е. когда приток энергии извне сделается равным энергии, поглощаемой силами сопротивления колеблющегося провода, ко­торая поддерживается до тех пор, пока не изменятся внешние усло­вия, определяющие возможность возникновения автоколебаний. Амплитуда устойчивых колебаний зависит от частоты собственных колебаний цепной подвески (одиночного провода), аэродинамичес­кой характеристики проводов с атмосферными отложениями и ско­рости ветра.

При рассмотрении явления автоколебаний условно было при­нято, что провод колеблется строго в вертикальной плоскости, пер­пендикулярной направлению воздушного потока. В действитель­ности, как показывают наблюдения, такое допущение не всегда справедливо, так как часто наряду с вертикальными наблюдаются также горизонтальные колебания и периодические закручивания проводов относительно продольной их оси. Изучение таких явле­ний показало, что в этих случаях возникновение как горизонталь­ных колебаний, так и кручение провода может быть объяснено по­являющимися в процессе колебаний аэродинамическими силами.

Горизонтальные колебания проводов, вызываемые изменениями скоростного напора (порывистостью ветра), также могут явиться при­чиной развития автоколебаний. Действительно, поскольку горизон­тальные смещения провода при порывах ветра сопровождаются в сред­них частях пролета некоторым подъемом и затем опусканием провода, то этим и могут создаваться начальные изменения углов атаки, доста­точные для того, чтобы начались вертикальные колебания.

Длительные устойчивые автоколебания проводов наблюдают­ся в местах, где нет каких-либо значительных препятствий движе­нию воздушных масс. Поэтому наиболее эффективным мероприя­тием в этих случаях является создание лесных защитных полос вдоль электрифицированных линий, проходящих по открытой, незащи­щенной местности. Лесные полосы одновременно уменьшают гололедо-изморозевые отложения на проводах.

Образование на проводе даже небольшого (2—3 мм) односторон­него гололеда придает проводу аэродинамически неустойчивую фор­му сечения, что и приводит к автоколебаниям. В связи с этим на элек­трифицированных участках, расположенных в гололедных районах, заранее подготавливают схемы и конкретные указания по профи­лактическому подогреву проводов или плавке гололеда, а также по организации работ установки МОГ для механического удаления го­лоледа с контактного провода (см. п. 13.6). Когда автоколебания цепных подвесок с двумя контактными проводами происходят и без гололеда, аэродинамически неустойчивое сечение контактных про­водов изменяют перемонтажом контактной подвески в ромбовид­ную. При этом контактные провода располагают один от другого на расстоянии 120—150 мм, тогда практически исчезает их взаимное экранирующее влияние. На кривых участках малых радиусов избе­жать автоколебаний можно устройством косой подвески. При этом чем больше будет наклонена подвеска к горизонтальной плоскости, тем она будет устойчивее против автоколебаний.

Эффективным может оказаться также аэродинамический способ уменьшения автоколебаний одиночных проводов и контактных под­весок, заключающийся в том, что на проводах устанавливают аэро­динамические стабилизаторы, изменяющие характер обтекания про­вода воздушным потоком и придающие ему аэродинамически устойчивое сечение при средних отложениях гололеда.

Развитие и усиление колебаний проводов в соседних пролетах происходит из-за перемещения подвесных гирлянд изоляторов вдоль пути и периодической передачи усилий через рессорные стру­ны. При этом чем ближе собственные частоты колебаний соседних пролетов, тем интенсивнее будет проходить процесс распростра­нения колебаний вдоль анкерного участка, охватывая один пролет за другим. Поэтому с целью локализации колебаний соседние про­леты контактной сети должны иметь разную длину. Опыт эксплуа­тации электрифицированных участков, на которых осуществлено чередование пролетов различной длины, показал, что это ме­роприятие является эффективным только при значительном (на 20—25 %) отличии длин соседних пролетов.

Не является эффективным и мероприятие, заключающееся в уве­личении веса цепной подвески при закреплении на несущем тросе каких-либо тяжелых грузов. Грузы только увеличивают инерцион­ные силы и никак не влияют на процесс автоколебаний. В таких условиях затрудняется затухание колебаний вследствие накопления колеблющейся системой большой энергии.

Проволочные или металлические полосы как аэродинамические гасители автоколебаний проводов имеют простую и надежную конструкцию. Гаситель представляет собой проволочную скрут­ку, которая наматывается на несущий трос контактной подвески. Проволоки предварительно деформируются, изгибаются для об­разования острых углов и при скручивании создают пространствен­ную структуру с острыми кромками.

Гасители устанавливают на несущий трос подвески по всей дли­не пролета, не доходя до опор на 5 м. При установке гасителя на несущий трос последний приобретает случайную форму, а острые углы проволок создают точки отрыва воздушного потока. Голо­ледные отложения на тросе также будут иметь случайную форму с острыми углами.

Проволочные гасители изготавливают на дистанциях электро­снабжения. В качестве материала для гасителей используют про­волоки, из которых свит несущий трос, диаметром 2—3 мм. Ме­таллические полоски (шириной 45 мм, длиной 1,2 м) устанавливают на несущем тросе (через пролет) на расстоянии 2—2,5 м от подвес­ных точек и закрепляют струновыми зажимами.

Провода ДПР подвешивают в седлах (через пролет) на рессорах из провода длиной 1,6 м. На усиливающий и экранирующий про­вод с двух сторон от седла на расстоянии 3 м подвешивают типо­вые балансиры (через пролет).

Контрольные вопросы

1. Как достигается ветроустойчивость контактных подвесок?

2. Как определяют длину пролета по номограммам?

3. Как взаимодействуют несущий трос и контактный провод цепной подвески при воздействии на нее ветровой нагрузки?

4. Как можно повысить ветроустойчивость контактных подве­сок в эксплуатационных условиях?

5. Что такое автоколебания проводов контактной сети?

6. Какие имеются меры для уменьшения автоколебаний прово­дов?

7. Какие длины пролетов должны быть на ветровых участках;

4.7. Практические занятия № 2 по теме: