Взаимодействие токоприемника и контактной подвески

Контактная сеть и токоприемники э.п.с., постоянно взаимодействующие между собой, должны обеспечивать надежный и экономичный токосъем, т. е. безотказность работы этих устройств в процессе взаимодействия и малое изнашивание контактных проводов.

Качество токосъема на электрифицированных линиях определяется двумя основными факторамиусловиями механического взаимодействия движущегося токоприемника и контактной подвески;

выбором материалов контактирующих частей: контактного провода и токосъемных элементов токоприемника.

В данном параграфе рассматривается первый из двух факторов. Важность его определяется тем, что ухудшение условий механического взаимодействия, в частности нарушение контакта, приводит не только к отказам контактной сети и токоприемников, но и к снижению устойчивости работы электрооборудования э.п.с., повышению уровня помех в устройствах связи, расположенных вблизи железных дорог, а также к увеличению трудовых затрат на содержание и ремонт контактной сети и токоприемников из-за повышенного износа в скользящем контакте.

Взаимодействие токоприемника и контактной подвески представляет собой сложный механический процесс, так как в обоих взаимодействующих устройствах в зависимости от положения точки контакта и условий ее перемещения изменяются жесткое! ь, масса, силы трения.

При движении э.п.с. высота полоза токоприемника над уровнем головок рельсов не остается одинаковой, что объясняется непостоянством высоты подвеса контактово провода, эластичности и .массы контактной подвески в пролете. С другой стороны, при проходе одной и той же точки контактной сети разными токоприемниками подъем контактного провода под их воздействием оказывается неодинаковым; он зависит от статического нажатия токоприемника, его приведенной массы и скорости движения э.п.с., влияющей на аэродинамическую подъемную силу токоприемника.

Основным критерием качества механического взаимодействия токоприемника и контактной подвески является степень постоянства контактного нажатия, т. е. нажатия в контакте между токоприемником и проводом в процессе движения э.п.с.

Пели контактное нажатие близко к постоянному, то это значит, во-первых, что не происходит отрывов полоза токоприемника от контактного провода, т. е. не создаются условия для повышенного электрического износа провода и токосъемных элементов полоза. Отрывы токоприемника от провода и крайне низкие контактные нажатия в эксплуатационных условиях легко определяются по искрению, которое периодически появляется в контакте при движении э.п.с., особенно в то время, когда тяговый ток значителен.

Если контактное нажатие близко к постоянному, то это значит, во-вторых, что не происходит заметных повышений его в жестких точках контактной подвески, т. е. не создаются условия для повышенного механического износа провода и токосъемных элементов. Места с повышенным контактным нажатием можно определить осмотром контактного провода; здесь провод имеет повышенный износ, т. е. меньшую высоту оставшегося сечения, чем на расстоянии 2---5 м от этой точки.

Контактное нажатие складывается из трех составляющих: статического нажатия токоприемника, динамической (инерционной) и аэродинамической подъемной сил.

Статическое нажатие токоприемника представляет собой нажате полоза неподвижного токоприемника на контактный про-вол. Оно создается рабочими (подъемными) пружинами токоприемника. Па его значение влияют силы трения в шарнирах подвижной системы: при движении полоса вниз (при опускании динамометра в процессе измерения) статическое нажатие оказывается больше, чем при движении вверх, на удвоенное значение этой силы. По этой причине статическую характеристику токопЬиемника (графическое изображение зависимости нажа тия Р от подъема Н полоза) изображают двумя линиями (рис. 57): кривая 1, снятая при движении полоза вниз, представляет собой пассивное нажатие, кривая 2, снятая при движении полоза вверх,- активное.

Регулируя начальное натяжение рабочих пружин накручиванием их на прицепы (штанги) или скручиванием, а также изменяя на главных валах токоприемника положение рычагов, к которым крепятся прицепы, можно добиться того, чтобы в рабочем диапазоне высоты полоза наиботьшее активное нажатие и наименьшее пассивное не выходили из заданных пределов статического нажатия.

У токоприемников тяжелого типа (типа Т), предназначенных для грузовых и пассажирских электровозов постоянного тока и двойного питания и рассчитанных при движении на съем с контактного провода длительного тока до 2200 А, статическое нажатие должно находиться в пределах 9-13 кгс. У токоприемников легкого типа (типа Л), предназначенных для грузовых и пассажирских электровозов переменного тока и электропоездов обеих систем тока и рассчитанных при движении на съем тока до 500 диапазон статического нажатия 6-10 кгс.

Динамическая инерционная сила, возникающая в контакте, зависит от значений приведенной массы токоприемника и вертикального ускорения этой массы

Приведенной массой токоприемника называется условная масса, сосредоточенная в точке соприкосновения полоза с контактным проводом и оказывающая в процессе движения э.п.с. такое же воздействие на провод, что и реальный токоприемник. На значение этой массы наибольшее влияние оказывают массы подвижных частей, расположенных ближе к проводу (полоза, кареток, верхних подвижных рам), поскольку при изменении высоты полоза при движении э.п.с. они перемещаются в вертикальном направлении с наибольшими ускорениями.

Вертикальное ускорение приведенной массы токоприемника зависит от скорости движения э.п.с., характера изменения эластичности контактной подвески в пролете, и от стрелы провеса контактного провода. При разработке контактных подвесок для обеспечения хорошего токосъема стремятся к тому, чтобы эластичность подвески во всех точках пролета была как можно более одинаковой. Однако большинство контактных подвесок, смонтированных на электрифицированных дорогах, такому требованию не удовлетворяют. Стрела провеса несущего троса полукомпенсиоованной подвески изменяется пои изменении тем

Рис 57 Статическая характеристика токоприемника Л-13У

1 - пассивное няжагне, 2 - активное на жатие, Н-рабочий диапазон высоты пературы окружающего воздуха и поэтому большей частью времени контактный провод не располагается беспровесно

Оба эIих обстоятельства - неодинаковая эластичность и наличие стрелы провеса контактного провода - являются причинами того, что траектория полоза обычно нелинейна, т. е. токоприемник в каждом пролете движется с вертикальным ускорением

Для снижения инерционной силы, которая вызывает изменения контактного нажатия, конструкторы стараются уменьшать приведенную массу токоприемников. Однако это связано с большими трудностями, поскольку конструкция токоприемника должна быть достаточно прочной, а площади сечения его токопроводящих элементов рассчитаны на протекание нормированного длительного тока. Действующим стандартом приведенная масса токоприемников тяжелой серии ограничивается значением 45 кг, легкой серии - 33 кг.

Аэродинамическая подъемная сила возникает в результате воздействия на токоприемник воздушного потока. Она прямо пропорциональна квадрату скорости обтекающего токоприемник потока и зависит от его направления, а также площадей сечений и конфигурации отдельных элементов токоприемника. Последняя характеризуется для каждого элемента коэффициентом подъемной силы, значения этих коэффициентов определяются экспериментально, при продувках образцов в аэродинамической трубе.

Многочисленные натурные испытания показали, что из всех элементов токоприемника наибольшее влияние на значение его аэродинамической подъемной силы оказывает конструкция полоза обычно подъемная сила рам не превышает 30% подъемной силы полоза.

При отсутствии ветра скорость воздушного потока равна скорости движения э.н с., при встречном ветре она равна сумме скоростей движения подвижного состава и ветра.

Па движущемся электровозе даже в условиях полного безветрия аэродинамическая подъемная сила переднего и заднего токоприемников неодинакова. Это объясняется зависимостью подъемной силы от угла атаки воздушного потока в зоне расположения полоза, т. е. от направления потока относительно горизонтальной плоскости. Как показали испытания, углы атаки в зонах расположения полозов передних поднятых токоприемников электровозов обычно находятся в пределах от +2 до + 2,5°, а в зонах полозов задних поднятых токоприемников - в пределах от +1 до +1,5°. Такая разница в углах атаки, определяющая мшьшие значения подъемной силы на заднем токоприемнике, а следовательно, и меньшие отжатия им контактного провода, является одним из обстоятельств, определивших нормальный режим работы электровоза на этом токоприемнике. (Другая причина выбора заднего токоприемника в качестве ра бочего заключается в том, что при сильном разрушении поднятого переднего токоприемника в аварийной ситуации его оторвавшиеся элементы могут повредить движущийся за ним опущенный резервный токоприемник.)

Углы атаки в зоне полозов поднятых токоприемников электропоезда близки к нулю, т е воздушные потоки на значительном расстоянии от его лобовой стенки на высоте свыше 1 м над крышей становятся практически горизонтальными

Боковые ветровые потоки особенно сильно воздействуют на токоприемник при проходе электроподвижным составом высоких насыпей Обтекая насыпь и находящийся на ней подвижной состав, воздушный поток в приземном слое деформируется и меняет свои параметры скорость воздушного потока в зоне полоза поднятого токоприемника увеличивается но сравнению со скоростью в открытом поле в 1,2-1,3 раза (тем больше, чем выше насыпь), а углы атаки в плоскости, перпенднкутярной оси пути, составляя в среднем +16°, достигают в отдельные моменты т 43°.

Обычно при конструировании токоприемников принимают меры к снижению аэродинамической подъемной силы Это необходимо для того, чтобы уменьшить зависимость подъемной силы, а следовательно, и контактного нажатия от скорости и направления ветра, т е исключить существенное увеличение от-жатип контактного провода токоприемником в условиях сильного ветра Таким образом, малая аэродинамическая подъемная сила токоприс мытка способствует снижению повреждении кон-Іакт НОЙ сети

Однако было бы ошибкой считать, что нулевая аэродинамическая подъемная сила - идеат, к которому следует стремиться Дело в том, что в процессе движения динамическая сила в зависимости от знака вертикального ускорения токоприемника т о/аєт быть или положительной, или отрицательной, т е вызывать увеличение контактного нажатия или уменьшение его При движении эпс с повышенной скоростью по участку, который оборудован неравноэластичной контактной подвеской, или, особенно, по участку с полукомпеиенрованной подвеской, когда стрелы провеса контактного провода велики, контактное нажатие в моменты появления отрицательных инерционных сил становится равным нулю, т е контакт между полозом и проводом нарушается

Такие нарушения контакта можно исключить увеличением двух других составляющих контактного нажатия - статического нажатия и аэродинамической подъемной силы Однако увеличивать статическое нажатие сверх оптимального нецелесообразно, так как это приведет к усилению механического износа контактного провода и токосъемных пластин полоза на всем участке, в том числе и там, где скорость движения эпс невелика и нарушения контакта не возникали.

В противоположность этому, небольшая аэродинамическая подъемная сила, значение которой пропорционально квадрату скорости встречного воздушного потока (инерционная сила пропорциональна квадрату скорости движения эпс), заметно увеличивает контактное нажатие не везде, а именно там, где контакт ухудшается.

Аэродинамическая характеристика рабочего токоприемника, установленного на эпс, считается удовлетворительной, если при скорости обдува 160 км/ч для токоприемников легкого типа и 120 км/ч тяжелого аэро (.инампческая подъемная сила превышает среднее статическое нажатие не более чем в 1,8 раза.

О динамических качествах наиболее распространенных токоприемников можно судить по данным, приведенным в табл. 2.

На условия взаимодействия токоприемника и контактной подвески в жестких точках и на неровностях контактного провода большое влияние оказывает конструктивное выполнение и параметры верхнего узла тотчонриемника - карегок и полоза. Основное назначение кареток - упругих элементов, посредством которых полозы соединяются с подвижными рамами токоприемника,- снизить влияние массы подвижных рам на контактное нажатие в моменты прохода токоприемником указанных неровностей и жестких точек. В двухполозных токоприемниках каретки обеспечивают также равномерное распределение нажатия между полозами.

Лучшими каретками считаются такие, которые имеют достаточно большой ход и малое изменение жесткости при их деформации, а также обеспечивают определенную упругость полоза не только в вертикальном направлении, но и в направлении движения э и с. Последнее обеспечивается, например, в каретках токоприемников П-ЗА и П-1 (рис. 58, а) и не обеспечивается в плунжерных каретках токоприемников 10РР2, 17РР2, 2БЬ5-1 и ЗБІ^-І (рис. 58,6).

Соединение полозов с каретками всегда выполняется шарнирным, что позволяет полозу принимать определенный наклон, если контактный провод расположен негоризонтально. С тем чтобы при движении полоз не мог отрываться от провода одним своим краем из-за сил трения в скользящем контакте, которые стремятся повернуть полоз рогами назад, и из за воздействия встречного воздушного потока, в результате которого полоз имеет тенденцию к повороту рогами вперед, при разработке полоза \величивают насколько возможно ширину полоза, а расстояние между контактной поверхностью полоза и осью свободного вращения принимают таким, чтобы воздействие на него горизонтальных внешних сил (потока воздуха и сил трения в скользящем контакте) было уравновешено. Заклинивание полоза на каретке, которое иногда предлагается, не может сыграть здесь положительной роли в улучшении качества контакта.

На характер взаимодействия не в меньшей мере, чем конструкция и параметры токоприемника, влияют конструктивное выполнение и параметры контактной подвески. Одной из важнейших в этом отношении характеристик контактной подвески, как уже говорилось, является ее эластичность. С тем чтобы сравнивать статические качества разных подвесок, введен коэффициент непостоянства эластичности к_эл, который представляет собой отношение эластичности контактной подвески в середине пролета к эластичности в створе опоры. Наилучшие условия токосъема обеспечивают контактные подвески, у которых этот коэффициент меньше, т. е. ближе к единице.

Равноэластичными подвесками называют подвески, у которых Кэл=1. Однако у нас существует только одна равноэластичная подвеска - рычажная, созданная в последнее время. В остальных же подвесках эластичность в опорной точке меньше, чем в середине пролета; это хорошо видно на эпюре эластичности одинарной рессорной подвески - графике значений эластичности в различных точках пролета (рис. 59).

Чтобы выравнивать эластичность подвески в пролете, нужно знать, какие параметры влияют на нее. С этой целью следует рассмотреть отдельно среднюю часть пролета и опорн>ю зону.

В средней части пролета эластичность прямо пропорциональна длине пролета и обратно пропорциональна натяжению несущего троса и контактного провода, т е., например, укорочение пролета и повышение натяжения проводов приводят к уменьшению эластичности. Поскольку в одинарных подвесках эластичность в середине пролета выше, чем в опорных зонах, то здесь ее целесообразно понижать, г. е. при определенной длине пролета но возможности увеличивать натяжение образующих подвеску проводов.

В опорной зоне одинарной рессорной подвески (а именно она имеет преимущественное распространение) эластичность зависит не только от натяжения основных проводов подвески, но и в значительной степени от параметров рессорной струны - длины и натяжения рессорного провода. Для повышения эластичности подвески в створе опоры, что необходимо для ее выравнивания в пролете, следует увеличивать длину рессорного

Рис. 59 Схема пролета одинарной рессорной контактной подвески (а) и эпюра ее эластичности (б)

1 - несущий трос; 2 - рессорный провод; 3-струна, 4 - контактный провод провода 2 а (см. рис. 59, а) и расстояние с между опорой и ближайшей к ней струной, установленной па несущем тросе.

Соответствующие расчеты и многочисленные экспериментальные .исследования показали, что эластичность подвески на участке от створа опоры до первой струны, установленной на несущем тросе, изменяется несущественно. Поэтому в этой зоне ее можно принимать одинаковой; на эпюре эластичности эта зона представится отрезком горизонтальной прямой (см. рис. 59,6).

В средней части пролета, между ближайшими к опорам простыми струнами закон изменения эластичности может быть принят параболически.

Удовлетворительное качество токосъема при компенсированных подвесках с двумя контактными проводами на линиях постоянного тока, рассчитанных на скорости движения до 160 км/ч, обеспечивается установкой первых простых струн на расстоянии 10 м от опор и применением рессорного провода длиной 11 м; па линиях переменного тока, где компенсированная подвеска имеет один контактный провод, достаточен рессорный провод длиной 12 м.

При изменении температуры окружающего воздуха натяжение контактного провода в любых подвесках и натяжение несущего троса в компенсированных подвесках изменяются; поэтому в некоторой степени меняется и натяжение рессорного провода. В результате происходит сезонное изменение эластичности. Так, увеличение температуры воздуха от -40 до +40° С приводит в иолукомпеысированной рессорной подвеске с двумя контактными проводами к росту эластичности в середине пролета почти в 1,5 раза, а в подвеске с одним проводом - в 1,7 раза.

Кроме характера изменения эластичности в пролете, на качество токосъема при контактных подвесках с большим непостоянством эластичности (к_эл>1,3) существенно влияет стрела провеса контактных проводов /. Многочисленные экспериментальные исследования, в частности при скоростях движения 160-200 км/ч, показали, что наилучшие условия взаимодействия токоприемника и контактной сети имеют место, когда между крайними простыми струнами (на длине I-с) контактный провод располагается со стрелой провеса /, равной 0,001 этой длины. Практически это означает, что, например, в пролетах длиной 70 м при удалении первой простой струны от опоры на 10 м оптимальная стрела провеса контактного провода на участке 60 м равна 60 мм.

По выбранной оптимальной стреле регулируют контактные провода компенсированных подвесок.

Основой вертикальной регулировки контактного провода по-лукомпенсированной подвески является то положение, чтобы оптимальная стрела провеса имела место при температуре воздуха, близкой к среднегодовой для данного района, т. е. чтобы степень ухудшения токосъема при крайне низкой и крайне высокой температурах окружающего воздуха была одинаковой.

Условия механического взаимодействия ухудшаются при увеличении расстояний между соседними струнами, что объясняется значительными стрелами провеса контактного провода в мсжструновых пролетах (между опорами провод располагается пилообразно). Эти стрелы можно было бы уменьшить увеличением натяжения контактного провода, но таких возможностей нет, поскольку натяжения »поводов уже приняты максимальными, в частности по условиям обеспечения наибольшей ветроустойчивости подвески. По этой причине единственным путем снижения межструновых стрел провеса остается сближение струн до экономически целесообразных пределов.

На наших дорогах расстояние между соседними струнами в средней части пролета обычно составляет 7-9 м. В подвесках с двумя контактными проводами при шахматном расположении струн (разные контактные провода подвешиваются к несущему тросу поочередно) расстояние между ними уменьшено до 4- 6 м.

На качество токосъема отрицательно влияют сосредоточенные массы на контактном проводе и жесткие точки. Поэтому устанавливаемые на проводе струновые, стыковые и другие зажимы >и фиксаторы должны быть возможно легкими, а поперечные и продольные электрические соединители - выполненными гибким многопроволочным проводом. По этой же причине крайне нежелательны жесткие распорки между несущим тросом и контактным проводом, а также жесткие отбойники на искусственных сооружениях, с которыми соприкасается контактный провод.

Таким образом, наилучшие условия взаимодействия с токоприемником обеспечивают равноэластичные компенсированные контактные подвески. Важным преимуществом этих подвесок является и то, что контактный провод можно располагать в них беспровесно- в таком положении регулирование гораздо легче, чем при какой-либо стреле провеса, когда проводу следует придать вид параболы.

Относящаяся к равноэластичным разработанная в СССР рычажная подвеска обеспечивает особенно высокое качество токосъема также потому, что общий уровень эластичности се выше, чем других подвесок, и, кроме того, взаимное влияние рычагов обеспечивает нормальное положение контактного провода даже в случае некоторой неточности установки рычагов при монтаже (провод не приобретает вида ломаной линии). В этой подвеске не происходит разгрузки струн при проходе токоприемников, как-в других подвесках, поскольку подъем провода сопровождается повертыванием рычагов; в результате износ звеньевых струн в местах соединения звеньев сводится к минимуму.

Здесь следует отметить, что увеличение эластичности подвесок в опорных узлах всегда приводит к росту отжатий контактного провода. Это определяет повышенные требования к фиксаторам, которые должны быть рассчитаны на увеличенные перемещения.

Условия взаимодействия с контактной подвеской одного токоприемника отличаются от условий взаимодействия нескольких токоприемников. При этом существенное влияние оказывает расстояние между соседними токоприемниками э.н.с.

Если токоприемники расположены близко один к другому, например на двухсекционном электровозе или на двух одно-секнионных электровозах в голове поезда, их воздействие на контактную подвеску можно считать аналогичным воздействию одного фиктивного токоприемника с увеличенным статическим нажатием, аэродинамической подъемной силой и приведенной массой, которые характеризуют один из двух действительных токоприемников. С достаточной для практических целей точностью воздействие на контактную подвеску двух отстоящих друг от друга на расстоянии не более 40 м токоприемников можно заменить воздействием одного фиктивного токоприемника, результирующее нажатие которого

где Рт - нажатие одного из двух токоприемников электровоза, кгс,

I, - расстояние между токоприемниками, м.

Взаимодействие с подвеской нескольких токоприемников, удаленных на значительное расстояние один от другого (например, как на электропоезде), гораздо сложнее, поскольку при любых скоростях движения каждый токоприемник, начиная со второго, перемещается но контактной подвеске, колебъо-щейся в результате воздействия предыдущих токоприемн¹ тов. Иными словами, здесь происходит сложение колебаний. При этом результат (в частности, размах колебаний контактного провода) зависит от параметров контактной подвески и токоприемников, расстояния между токоприемниками и их числа, а также от скорости движения э.н.с.

При нескольких рабочих токоприемниках электропоезда при определенных условиях может возникать резонанс; он представляет большую опасность, поскольку из-за больших разма-хов колебаний подвески не только серьезно ухудшается токосъем, но и возможны удары полозов токоприемника по фиксаторам.

С целью уменьшения размаха колебаний, возникающих при взаимодействии токоприемника и контактной подвески, принимают специальные меры. На токоприемниках устанавливают гидравлические демпферы, сопротивление которых возрастает с увеличением скорости перемещения подвижных рам, что характерно для работы токоприемника в условиях резонанса.

Пружинно-воздушные демпферы устанавливали и в струнах контактной подвески. Но стоимость изготовления и содержания большого числа демпферов оказалась слишком высокой и поэтому от них отказались. Значительно проще для снижения размаха колебаний рессорной компенсированной подвески устанавливать в опорных узлах простые (ограничительные) струны (рис. 60). При таком выполнении опорного узла эластичность подвески определяется наличием рессорной струны, а простая струна, ненагруженная в свободном состоянии, не позволяет контактному проводу в процессе колебаний занимать положение ниже его спокойного положения. Размах колебаний подвески ограничивается здесь не только при проходе токоприемников, но и при автоколебаниях, которые рассмотрены ниже.

Снижению размаха колебаний способствует правильный выбор расстояния между соседними рабочими токоприемниками электропоезда. Возникшие резонансные колебания можно прекратить, изменив скорость движения э.п.с.

Рис. 60. Опорный узел рессорной контактной подпески с ограничительной струной.

1 - несущий трос, 2 -- рессорный провод, 3 - ограничительная струна; 4 -фиксатор; 5 - контактный провод