Достоинства и недостатки полукомпенсир. подвески.

Достоинства:

1. Более простыми, по сравнению с компенсированной подвеской, является узлы средней анкеровки и анкеровки подвески на анкерной опоре.

2. Увеличение натяжения некомпенсированного НТ при воздействии гололедной и ветровой нагрузки. Следствием этого является более высокая сопротивляемость к таким нагрузкам полукомпенсированной подвески по сравнению с компенсированной.

Недостатки:

3. Изменение значений практически всех параметров подвески (T , K, H_р, F_к, f_к, b) в зависимости от температуры делает невозможным создание оптимальных условий взаимодействия токоприемников с подвеской при всех значениях температур в заданном интервале. Особенно плохие условия при низких температурах.

4. В условиях эксплуатации практически невозможно отрегулировать значения основных параметров подвески (T , F , H_р, f_к) в соответствии с монтажными таблицами в пролетах а.у. из-за большой трудоемкости этой работы и изменения температуры во время регулировки.

5. Худшие условия взаимодействия токоприемников с контактной подвеской на воздушных стрелках, сопряжениях анкерных участков при температурах близких к экстримальным, возможность аварийных ситуаций.

Полукомпенсированную подвеску рекомендуется применять при скоростях движения не более 120 км/ч, т.е. тогда, когда не требуется достаточно точной регулировки и обеспечения одинаковых условий взаимодействия с токоприемниками при любых значениях температур в заданном интервале ее изменения.

При скоростях до 70 км/ч и на кривых радиусом 800 м и менее применяется полукомпенсированная подвеска без рессорного троса со смещенными струнами. При скоростях от 70 до 120 км/ч применяется полукомпенсированная подвеска с рессорным тросом.

4.2.2. Влияние кривой провисания контактного провода на нагрузку, передающуюся с контактного провода на несущий трос через струны

Рассмотрим несколько характерных гипотетических вариантов подвешивания КП к НТ.

А.Если НТ и КП подвесить только к опорам (КП с помощью опорных струн), без струн в пролете, то и НТ, и КП будет провисать только под действием собственного веса (см. рисунок 63).

Рисунок 63 – НТ и КП подвешенный при помощи только опорных струн

(110)

Б.Соединим теперь НТ и КП бесконечно большим числом струн. Натянем немного струны так, чтобы только часть веса g_к передавалась на НТ. Плотность натяжения струн обозначим g_кн. Нагрузка g_кн передается через струны от КП на НТ (см. рисунок 64).

Рисунок 64 – НТ и КП, соединенные при помощи бесконечно большого числа струн

При этом контактный провод как бы «полегчает» на g_кн, не передающаяся на несущий трос часть веса КП равна . Под действием этой части веса КП по-прежнему будет провисать но со стрелой провеса

(111)

Часть веса КП, не передаваемая через струны на НТ g_l , передается через опорные струны в точки подвеса НТ на опорах. Эта, не передающаяся на НТ через струны часть нагрузки от КП, равна:

(112)

Стрела провеса НТ теперь будет равна:

(113)

В.Натянем теперь струны так, чтобы вес КП g_к полностью передавался через струны в пролете на НТ, т.е. g_кн=g_к. Этот случай приведен на рисунке 65.

Рисунок 65 – Вес КП g_к полностью передается через струны в пролете на НТ

(114)

(115)

Г.Натянем теперь струны еще больше, чтобы КП располагался с отрицательной стрелой провеса, т.е. с плотностью натяжения g_кн превышающей вес КП g_к:

(116)

Схема, иллюстрирующая этот случай приведена на рисунке 66.

Рисунок 66 – Натяжение струн g_кн превышающее вес КП g_к

В рамках данного рассмотрения примем, что точки С и D не могут перемещаться наверх (пусть околоопорные струны являются жесткими распорками, в которых может возникать реакция R, противодействующая подъему КП). Получается, что на НТ действует, кроме g_н и g_к нагрузка g_t , вызванная натяжением и кривизной КП в пролете.

(117)

(118)

Из рассмотрения последних трех схем можно сделать следующие выводы.

1. При расположении КП в пролете с положительной стрелой провеса (по кривой с выгибом вниз) на НТ передается через струны с контактного провода нагрузка, меньшая, чем g_к (на ).

2. При беспровесном положении контактного провода на НТ передается через струны полная нагрузка от веса КП, равная нагрузке gк.

3. При расположении контактного провода в пролете с отрицательной стрелой провеса (по кривой с выгибом вверх) на НТ передается через струны нагрузка, большая, чем gк (на ).

В полукомпенсированной подвеске при некоторой температуре t₀ КП монтируют беспровесно f_к0=0. НТ имеет некоторое натяжение T₀ и стрелу провеса F_н0.

t₁ > t₀: T₁ < T₀, F_н1 > F_н0, f_к1 > 0.

t₂ < t₀: T₂ > T₀, F_н2 < F_н0, f_к2 < 0.

При этом распределенная нагрузка, действующая на НТ, зависит не только от распределенного веса НТ и КП, но и от кривой провисания КП. А натяжение НТ зависит от температуры и от нагрузки на НТ.

4.2.3. Выбор температуры беспровесного положения

Обеспечить одинаково хорошее качество токосъема для полукомпенсированных подвесок невозможно. Натяжение НТ и стрелы провеса всех проводов в течение года существенно изменяются. Поэтому логично обеспечить хорошее качество токосъема лишь в течение некоторой части года, когда значения провеса контактного провода близки к оптимальному, обеспечивающему наилучшее качество токосъема и наименьший износ контактно провода. Отклонение провода вверх и вниз от своего оптимального положения под действием температуры приводит к изменению условий токосъема.

Наибольшие отклонения, соответствующие крайним значениям температуры, будут иметь значительно меньшую вероятность, чем отклонения, соответствующие температурам, близким к средней температуре для данного района. Т.е. большую часть времени токосъем будет происходить при температурах, близких с средней. Возникает вопрос: а что лучше – большее время работать в условиях, близких к наивыгоднейшим или при крайних условиях иметь большую надежность?

По условиям износа контактного провода выгоднее больше дней работать в лучших условиях, но тогда ухудшаются условия токосъема при крайних температурах. Если обеспечить наиболее надежные условия для токосъема при крайних температурах, то почти все время придется работать не в самых выгодных по износу контактного провода условиях.

В настоящее время идут на обеспечение большей надежности при экстремальных температурах.

Для того, чтобы улучшить качество токосъема при низких температурах, при которых на отрицательную стрелу провеса накладывается отжатие контактного провода токоприемником, температуру беспровесного положения t₀ принимают для подвесок с одним контактным проводом на 10–15 ⁰C ниже среднегодовой, а для подвесок с двумя контактными проводами – на 5–10 ⁰C ниже среднегодовой.

(119)

На рисунках 67 и 68 приведены соответствующие иллюстрации.

Рисунок 67 –

Рисунок 68 –

4.2.4. Расчет натяжений и стрел провеса несущего троса полукомпенсированной подвески

На рисунке 69 приведена расчетная схема для определения натяжений и стрел провеса несущего троса полукомпенсированной подвески.

Рисунок 69 – Расчетная схема для определения натяжений и стрел провеса несущего троса полукомпенсированной подвески

Параметры в режиме беспровесного положения при температуре t₀ будем обозначать с индексом «0».

Параметры в некотором режиме при t_i — индексом «i». Для наглядности рассуждений примем, пусть t_i > t₀.

Примем допущения: длины струн не меняются при температуре, нагрузки распределены равномерно.

Запишем уравнение равновесия при t_i, приравнивая сумму моментов относительно точки А к нулю:

(120)

(121)

(122)

Т.е. стрела провеса НТ зависит от стрелы провеса КП.

Обозначим отношение f_Ki/(F_i − F₀) через Y_i и назовем его конструктивным коэффициентом цепной подвески, тогда

(123)

Подставим f_Ki в (121)

(124)

(125)

Т.к. при беспровесном положении КП НТ можно рассматривать как свободно подвешенный провод, находящийся под действием распределенной нагрузки g₀ от собственной массы проводов цепной подвески, то значение F₀ можно определить по формуле:

(126)

Подставив это значение для F₀ в уравнение (125), имеем

(127)

откуда

(128)

Обозначим

(129)

Тогда выражение для стрелы провеса НТ цепной подвески примет вид:

(130)

Величину W_i, имеющую размерность Н/м, будем называть приведенной нагрузкой цепной подвески, величину Z_i (Н) — приведенным натяжением. При Y_i = 1 величина Z равна сумме натяжений всех проводов цепной подвески.

Введение этих подстановок позволяет значительно упростить расчетные формулы цепной подвески и привести их к виду уравнений для свободно подвешенного провода. Аналогично тому, как это делается для свободно подвешенного провода, для цепной подвески выводится уравнение состояния:

(131)

В применявшейся до последнего времени методике расчета цепных подвесок значение конструктивного коэффициента Y_i принималось постоянным и равным

(132)

где c – расстояние от опор до ближайших к ним простых (нерессорных) струн, м.

В действительности, как показал Ю.В. Флинк, значение конструктивного коэффициента непостоянно и изменяется в определенных пределах в зависимости от натяжения несущего троса. При этом для конструктивного коэффициента можно вывести следующее уравнение:

(133)

Введение переменного значения конструктивного коэффициента значительно усложняет расчеты натяжений и стрел провеса, но не вносит больших корректив в их значения. Поэтому при расчетах натяжений и стрел провеса несущего троса обычно принимают конструктивный коэффициент постоянным, соответствующим среднему значению T_i. Для полукомпенсированной подвески обычно принимают T_i = 0.7T_max.

Рассмотренная методика расчета не позволяет учесть возможную разгрузку околоопорных струн при низких температурах, детально рассчитать положение проводов в различных режимах, подойти к выбору оптимальных параметров опорных узлов.

Поэтому в настоящее время разработаны и другие, более точные методики расчета полукомпенсированной подвески без использования конструктивных коэффициентов (но и существенно более сложные) [1].

4.2.5. Последовательность расчета полукомпенсированной подвески

1. Для заданного географического района устанавливают расчетные климатические факторы по нормативным документам и по данным наблюдений метеостанций повторяемостью 1 раз в 10 лет с учетом местных условий (t_min, t_max, V_max, b_max, V_г).

2. Определяют распределенные вертикальные, горизонтальные и результирующие нагрузки на провода для расчетных режимов Рtmin, Рtmax, РГВ, РВmax.

3. Задают (на основании нормативных документов) максимально допускаемое натяжение НТ. Это натяжение не может быть превышено ни при каких условиях. Задают номинальное натяжение КП.

4. Определяют максимально допустимые длины пролетов.

5. Осуществляют трассировку а.у. и разбивку длин пролетов в пределах каждого а.у..

6. Вычисляют длины критических пролетов.

7. Выбирают расчетный пролет (пролеты).

8. Определяют наиболее тяжелый (исходный) режим, в котором НТ будет иметь принятое ранее максимально допускаемое натяжение путем сравнения расчетного пролета с критическими.

9. Определяют натяжения НТ в режиме беспровесного положения КП и в основных расчетных режимах, зависимость натяжения от температуры. А также, зависимость натяжения ненагруженного НТ от температуры – для монтажа.

10. Определяют стрелы провеса НТ, КП, ∆h в различных расчетных режимах, зависимости от температуры (в том числе стрелы провеса ненагруженного НТ).

4.3. Расчет одинарной компенсированной цепной подвески

4.3.1. Общая характеристика подвески и условия ее применения

На рисунке 70 приведена схема компенсированной цепной контактной подвески.

Рисунок 70 – Схема компенсированной цепной контактной подвески

Компенсированная одинарная цепная подвеска состоит из НТ и подвешенного к нему на струнах КП.

На главных путях станций и на перегонах (при скоростях движения более 70 км/ч) в опорных узлах монтируется рессорный трос, в остальных случаях рессорный трос не монтируется, а применяются смещенные опорные струны.

Подвеска называется компенсированной,потому что на анкерных опорах и КП, и НТ имеют компенсаторы температурных удлинений, с помощью которых их натяжения поддерживается примерно одинаковыми при изменении температуры и нагрузки.

В основном применяется вариант «а» со средней анкеровкой, которая располагается, как правило, в середине а.у. Средняя анкеровка более сложная, чем у полукомпенсированной подвески и монтируется в двух пролетах, длина которых не должна превышать 0, 9l_max (по ветроустойчивости). Средняя анкеровка состоит из:

1. троса средней анкеровки НТ (обычно ПБСМ1-95 или ПБСМ1-70 с Tmax = 10000 Н), жестко соединенного на консоли средней опоры с НТ подвески и жестко заанкерованного на соседних опорах;

2. двух тросов средней анкеровки контактного провода, соединяющих КП с НТ (обычно ПБСМ1-70).

Назначение средней анкеровки компенсированной подвески такое же как и у полукомпенсированной (возможность увеличить длину а.у. в 2 раза по сравнению вариантом без средней анкеровки «б» и локализация зоны повреждения подвески).

При длине а.у. 800 м и менее (значение для прямых) средняя анкеровка не монтируется, а на одной из опор применяется жесткая анкеровка цепной подвески – вар. «б».

Достоинства и недостатки компенсированной подвески.

Достоинства:

1. Сохранение положения всех проводов почти неизменным при изменении температуры, следствием чего является обеспечение близкого к оптимальному качества токосъема при всех температурах в заданном интервале, что невозможно при полукомпенсированной подвеске.

2. Лучшие надежность и качество работы контактной сети (в том числе таких узлов как сопряжения и воздушные стрелки), чем при полукомпенсированной подвеске, т.к. обеспечивается высокая точность регулировки подвески и всех ее узлов и стабильность положений проводов при изменениях температуры.

3. Увеличение срока службы КП и уменьшение расходов на техническое обслуживание.

Эти достоинства и определяют применение компенсированной подвески в основном при скоростях движения более 120 км/ч, т.к. в этом случае для обеспечения удовлетворительного качества токосъема как раз и необходимы высокая точность регулировки и стабильность значений параметров подвески во всем интервале температур.

Компенсированную подвеску применяют и при скоростях движения 120 км/ч и менее т.к. незначительные дополнительные капитальные затраты с лихвой окупаются большей надежностью работы и снижением затрат на эксплуатацию.

Недостатки:

1. Большие, чем при полукомпенсированной подвеске, сложность и стоимость сооружения. Особенно это относится к станциям, где на второстепенных путях, пересекающихся с главными, также необходимо применять компенсированную подвеску, т.к. пересечение полукомпенсированной и компенсированной подвесок на воздушных стрелках недопустимо из-за снижения надежности работы.

2. Повышенная склонность к колебаниям.

3. Большее понижение высоты КП при гололедной нагрузке, по сравнению с полукомпенсированной подвеской. Учет этого обстоятельства в некоторых случаях приводит к уменьшению максимально допускаемых длин пролетов, по сравнению с максимально допускаемыми по ветроустойчивости, что приводит к увеличению числа опорных и поддерживающих конструкций и стоимости сооружения.

Длина а.у. компенсированной контактной подвески определяется исходя из:

1. Изменения натяжения НТ и КП за счет влияния консолей и фиксаторов, струн (струн – только если разные материалы НТ и КП) в пределах от средней анкеровки до компенсаторов. Оно должно быть не более ±0.1T_ном для НТ и ±0.15K_ном для КП.

2. Диапазона перемещения грузов на анкерных опорах.

3. Изменения зигзагов КП при изменении температуры.

Влияние фиксаторов на изменение натяжения КП при изменениях температуры (а также на изменения зигзага КП), значительно меньше, чем в полукомпенсированной подвеске т.к. в компенсированной подвеске фиксаторы перемещаются вместе с консолями относительно узлов крепления консолей на опорах, а в полукомпенсированной перемещаются более короткие дополнительные фиксаторы относительно их креплений.

Кроме того, на прямых участках при изменении температуры, изменения натяжения КП на соседних опорах взаимно компенсируют друг друга, а не складываются, как при полукомпенсированной подвеске, т.к. вращение консолей происходит относительно узлов крепления на опорах, которые расположены с одной стороны от пути.

4.3.2. Уравнение равновесия компенсированной подвески

На рисунке 71 рассмотрена половина пролета компенсированной контактной подвески с рессорным тросом.

Рисунок 71 – Расчетная схема для определения уравнения равновесия компенсированной контактной подвески

Компенсированная контактная подвеска обычно монтируется с некоторой положительной стрелой провеса КП f_к (обычно 35–50 мм), которая способствует выравниванию траектории точки контакта токоприемника и контактного провода, а также позволяет избежать отрицательных стрел провеса при износе контактного провода в процессе эксплуатации. Однако, регулировать подвеску проще всего при беспровесном положении КП, поэтому при монтаже иногда увеличивают натяжение несущего троса относительно номинального, монтируют беспровесно КП, а потом снижают натяжение НТ до номинального, при этом образуется положительная стрела провеса.

Примем допущение: нагрузки распределены равномерно по длине пролета.

Запишем уравнение равновесия, приравнивая сумму моментов относительно точки А к нулю:

(134)

(135)

4.3.3. Предупреждение недопустимого понижения высоты контактного провода при гололеде

При воздействии гололедной нагрузки на провода компенсированной подвески натяжение как КП, так и НТ почти не изменяется.

Понижение уровня КП при гололеде в середине пролета, в соответствии с (135), составит

(136)

где g_гп – суммарный вес гололеда на всех проводах контактной подвески, Н/м.

Понижение уровня КП может быть весьма значительно. Например, для расчетных условий II гололедного района, максимальная толщина на стенки гололеда равна 10 мм. Для типовой контактной подвески М-120+2МФ-100 вес гололеда на проводах составит около 14,4 Н/м. При типовой длине пролета 70 м и натяжении несущего троса 18000 Н снижение уровня КП провода составит 0,4 м.

Для более тяжелых расчетных условий (гололедные районы III-V, и даже во II-м районе на насыпях) ситуация значительно усугубляется.

Напомним, минимально допускаемый вертикальный габарит КП составляет h_min=5, 75 м от УГР. (В исключительных случаях, с разрешения МПС России, это расстояние может быть уменьшено до 5,675 м на переменном токе и до 5,55 м на постоянном токе).

Номинальную высоту контактного провода h₀ и длины пролетов необходимо выбирать так, чтобы при гололеде этот габарит не нарушался.

Напомним, максимальная длина пролета ограничивается тремя факторами:

1. По условию обеспечения ветроустойчивости контактной подвески.

2. По условию обеспечения надежного токосъема (для скоростей до 160 км/ч обычно принимается ограничение 70 м, для скоростных подвесок – 65 м и менее);

3. По условию обеспечения вертикального габарита контактного провода. Для компенсированной подвески, из (136):

(137)

где ∆h_доп – допускаемый диапазон изменения высотного положения КП в середине пролета, м.

(138)

где h₀ – это номинальная высота подвешивания КП от УГР у опор (если точно – под первой нерессорной струной). Обычно она принимается равной 6,5, 6,25 или 6,0 м (последнее, как правило, для скоростных подвесок), мм.

Например, если принято h₀=6, 25 м, а стрела провеса КП f_к=50 мм, то допускаемый диапазон изменения высоты КП в середине пролета составит 0,45 м.

Для повышения надежности работы контактной сети при гололеде принимаются также специальные меры – плавка гололеда и профилактический подогрев электрическим током (как правило, на главных путях), а также механические способы (чаще на второстепенных путях). Плотность тока плавки составляет 6,5–8 А/мм2, тока профилактического подогрева 2,5–3 А/мм2.

Заметим, что полукомпенсированная контактная подвеска обычно более устойчива к воздействию гололедных нагрузок, по сравнению с компенсированной, т.к. при дополнительной нагрузке происходит увеличение натяжения некомпенсированного НТ.

4.4. Длина анкерного участка контактной подвески

Максимальная длина а.у. контактной подвески ограничивается несколькими факторами:

1. изменением натяжения НТ и КП в пределах а.у.;

2. диапазоном перемещения грузов на анкерных опорах;

3. изменением зигзагов КП при изменении температуры, а иногда и некоторыми другими факторами.