Оптимальные параметры подвески.

Напомним, η_сп=l/(4(K+T)). Выравнить эластичность мы можем за счет уменьшения эластичности в середине пролета и увеличения ее у опор.

Уменьшить эластичность в середине пролета мы можем только до определенных значений. Натяжения НТ и КП ограничиваются физико-механическими характеристиками применяемых проводов. Мы можем принять натяжения проводов не более максимально допускаемых с учетом коэффициентов запаса по прочности. Для повышения натяжения можно применить провода большего сечения или легированные, но это не всегда экономически целесообразно.

Максимальная длина пролета при скоростях движения до 160 км/ч устанавливается с учетом обеспечения необходимой ветроустойчивости и соблюдения допускаемых габаритов. Длину пролета стремятся сделать как можно больше, т.к. с увеличением длины пролета уменьшается число опорных и поддерживающих конструкций, и, следовательно, уменьшается стоимость сооружения контактной сети.

У нас остается способ повлиять на качество токосъема путем выравнивания траектории точки контакта токоприемника с контактной подвеской, изменяя значения 2a, c и f_к. Значения этих параметров, которые при заданных максимальной скорости и типе токоприемника на ЭПС, обеспечат наилучшее качество токосъема, называются оптимальными.

Разработан графоаналитический метод определения оптимальных параметров компенсированной подвески, основанный на обеспечении равенства

(167)

При этом оптимальная длина рессорного троса 2a и расстояние c определяется для пролета максимальной длины и задается такими же для всех остальных пролетов. Оптимальную стрелу провеса контактного провода устанавливают отдельно для каждого пролета.

Оптимальные значения указанных параметров при скоростях движения до 120 км/ч для одинарных компенсированных подвесок, полученные аналитическими и экспериментальными исследованиями, приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Оптимальные значения параметров одинарных компенсированных подвесок при скоростях движения до 120 км/ч

В метрах

Параметры	2аопт	сопт	fкопт
Подвески с одним КП	12(10)	10(12)
Подвески с двойным КП	14(12)

Примечание: Значения параметров в скобках – для полукомпенсированных подвесок; η_сп – эластичность подвески в середине пролета, м/Н; η₀ – среднее значение эластичности в точках 0 и 1, м/Н; P_c – постоянная составляющая контактного нажатия, Н.

В отличие от компенсированной подвески оптимальные параметры полукомпенсированной подвески следует выбирать для условий, сохраняющихся наиболее продолжительное время в течение года.

Температуру, при которой определенные параметры полукомпенсированной подвески должны иметь оптимальные значения, назовем температурой оптимальных параметров t_опт. В качестве t_опт допускается принимать среднегодовую температуру.

Для каждой t_опт значения параметров 2a, c и f_к определяется также, как и для компенсированной подвески.

Например, для климатических условий Санкт- Петербурга, можно принять t_опт=+5 ⁰C. При отклонении температуры от t_опт на ±15...20 ⁰C качество токосъема будет хорошим в течение около 300 суток в году.

При расчетах оптимальных параметров полукомпенсированных подвесок необходимо проверить качество токосъема при экстремальных температурах, считая его приемлемым, если не происходит отрыва токоприемника от контактного провода. В противном случае, если отрывы происходят при t_min, то t_опт необходимо уменьшить, если при t_max – увеличить.

5.2. Токосъем и оценка его качества

5.2.1. Процесс токосъема и основные факторы, влияющие на характер взаимодействия токоприемника с контактной подвеской

При движении ЭПС токоприемники скользят по КП, и через этот скользящий контакт происходит передача электрической энергии от тяговой подстанции к ЭПС. Для того, чтобы этот скользящий контакт был плотным и не прерывался, токоприемник прижимается к КП с некоторой силой (силой нажатия). Контактная подвеска, будучи эластичной конструкцией, упруго реагирует на воздействие этой силы, изменяя свою геометрию и положение в пространстве. Происходит процесс механического взаимодействия токоприемника с контактной подвеской, влияющий на плотность контакта (на контактное нажатие). От того, как происходит этот процесс, зависит качество контакта токоприемника с КП и качество токосъема. От качества токосъема зависит интенсивность изнашивания КП и токосъемных пластин токоприемника.

Удовлетворительным токосъемом называется такой токосъем, при котором обеспечивается высокая надежность контактной сети и токоприемников, а также длительный срок службы контактного провода.

Взаимодействие токоприемника с контактной подвеской представляет собой очень сложный колебательный процесс. В этом процессе участвуют две колебательные системы с распределенными параметрами – железнодорожный путь и контактная подвеска. Локомотивы и токоприемники представляют собой системы с условно сосредоточенными параметрами.

Упрощенная схема, поясняющая процесс взаимодействия токоприемника с контактной подвеской, приведена на рисунке 92.

Рисунок 92 – Взаимодействие токоприемника с контактной подвеской

(168)

(169)

где η_x – эластичность подвески на расстоянии x от опоры;

m_к(x) – приведенная масса подвески на расстоянии x от опоры;

P_к – усилие в контакте или контактное нажатие;

m_т – приведенная масса токоприемника;

P_ст – статическое нажатие токоприемника;

P_аэ – аэродинамическая подъемная сила токоприемника;

P_дин – динамическая составляющая контактного нажатия;

z(x) – расстояние от УГР до КП при отсутствии токоприемника на расстоянии x от опоры;

y(x) – расстояние от УГР до КП при нажатии токоприемника на расстоянии x от опоры.

Приведенная масса токоприемника m_т – условная масса, сосредоточенная в точке контакта полоза с КП и оказывающая такое же воздействие на подвеску, как и реальный токоприемник. m_т определяется, в основном, массой полоза и незначительно изменяется при изменении высоты токоприемника, но значительно отличается у разных типов токоприемников.

P_ст – статическое нажатие токоприемника, т.е. нажатие полоза неподвижного токоприемника на КП, которое создается подъемными пружинами. Оно неодинаково при разных высотах полоза и, кроме того, за счет трения в шарнирах при подъеме уменьшается (активное нажатие), а при опускании увеличивается (пассивное нажатие). P_ст для токоприемников типа Л 70-90 Н, для типа Т – 90-110 Н.

m_к(x) – приведенная масса контактной подвески – условная масса, сосредоточенная в точке контакта КП с полозом токоприемника, оказывающая на токоприемник такое же воздействие, что и реальная контактная подвеска в данном месте пролета. m_к(x) неодинакова в разных точках пролета и зависит от подъема КП, т.е. от эластичности подвески и ее изменения вдоль пролета.

При движении ЭПС точка контакта токоприемника с КП совершает колебания, которые обусловлены периодическим изменением параметров подвески (например, эластичности в пролете), а также колебанием локомотива из-за неровности пути в плане и профиле. Кроме того, вдоль контактной подвески в обе стороны от точки контакта каждого токоприемника с КП распространяются волны колебаний, влияющие на взаимодействие других токоприемников с контактной подвеской.

Поэтому процесс взаимодействия токоприемника с контактной подвеской очень сложен и носит вероятностный характер.

Этот процесс характеризуется главным образом траекторией точки контакта токоприемника с КП и изменением контактного нажатия относительно оптимального значения. В идеальном случае эта траектория должна представлять собой прямую линию, а контактное нажатие должно быть постоянным и равным оптимальному значению, при котором износ КП и токосъемных пластин токоприемника минимально возможный. В реальных условиях траектория точки контакта криволинейна и контактное нажатие непостоянно.

5.2.2. Оценка качества токосъема

Критерием оптимального качества токосъема являются минимальные суммарные приведенные затраты на контактную сеть и токоприемники, позволяющие обеспечить при их взаимодействии заданные режимы работы всех устройств электрической тяги.

Приведенные затраты на контактную сеть и токоприемники П, руб/год, определяются по формуле

(170)

где k_э – коэффициент эффективности капитальных затрат, 1/год;

К_к, К_т – капитальные затраты на контактную сеть и токоприемники, руб;

Э_к, Э_т – годовые эксплуатационные расходы на контактную сеть и токоприемники (включая амортизационные отчисления), руб/год.

При проведении экспериментальных и аналитических исследований, имеющих целью определить лучшие из нескольких конструктивных решений в отношении контактной подвески или токоприемника, часто используются технические показатели качества токосъема.