Контактные подвески
Контактные подвески (КП) — совокупность проводов и тросов, подвешенных в системе и образующих контактную линию. В свою очередь, контактная линия — эго провода и тросы одного направления движения. Контактная линия может выполняться воздушными контактными подвесками (ВКП) и жесткими токопроводами, шинами, контактным рельсом у метрополитена.
Определение контактной подвески в ГОСТ Р 53685 [116] следующее: «Система проводов контактной сети железной дороги и конструкций, обеспечивающая токосъем токоприемниками железнодорожного электро- подвижного состава».
Контактные подвески как токопроводящий и контактирующий элемент получили большое разнообразие и их можно классифицировать по ряду признаков, указанных в табл. 6.3.
Показанная классификация характеризует конструкции КП с точки зрения их взаимодейст вия с токоприемниками, электрические параметры при этом не рассматриваются. Виды контакт ных подвесок в пролетах показаны на рис. 6.8.
Выбор контактных подвесок (КП) определяется двумя факторами: максимальными ходовыми скоростями движения поездов и условиями прохождения трассы контактных линий. Для трамвая и троллейбуса при скоростях движения до 60 км/ч на пассажирских линиях применяют цепные контактные подвески (ЦКП) нолукомненсированные. Для троллейбуса основной является ЦКП с двумя струнами в пролете с изолированным от контактного провода и поддерживающего устройства несущим тросом.
Применение таких КП обусловлено особенностями устройств токосъема троллейбуса, где используются штанговые токоприемники с контактной головкой. В ряде случаев для троллейбуса применяют КП на наклонных струнах с частичной самокомпенсацией (маят никовая КП, рис. 6.8, в).
Классификация контактных полвесок
Общее обозначение признака
Верхнее — воздушная КП Нижнее — контактный рельс Боковой — шинопровод
Число функциональных проводов, образующих контактную линию
- 1 — Простая КП
- 2 — Одинарная цепная KI1
- 3 — Двойная ценная KI 1
Способ компенсации температурных удлинений проводов
Самокомиенсация Частичная компенсация Нолу компенсированная Компенсированная
Способ подвешивания контактных проводов, вид и число струн в пролете
Жест кая, полужесткая, эластичная КП. Число струн — малое 1-2, больше двух — нодопорные струны, эластичные со смещением от опоры
Простые контактные подвески иногда называют трамвайными, но для трамвая в настоящее время их применяют только в депо и второстепенных грузовых линиях. Основной КП для трамвая является ЦКГ1, полукомпенсиро- ванная с большим числом струн и смещенными от опоры первыми струнами. В некоторых случаях применяются КП на петлевых струнах.
В СТЭ железных дорог основное распространение получили ЦКП с рессорными струнами, полукомпенсированные для скоростей движения до 120 км/ч. При скоростях движения более 140 км/ч применяют компенсированные одиночные КП для постоянного тока, как правило, с двумя контактными проводами. В связи со скоростями движения разработаны проекты КС, в которых изложены основные технические требования к КП. Гаковы, например, проекты с индексами КС-120, КС-140, КС-160, КС-200. На участках высокоскоростною движения (Fx> 200 км/ч) используют КП пространственно- ромбовидные — ветроустойчивые, рычажные равноэластичные, компенсированные (рис. 6.9).
Рис. 6.8. Пиды контактных подвесок:
а — простая; б — петлевая; в — маятниковая на наклонных струнах; г — цепная с двумя струнами в пролете; д — цепная со смешенными от опоры струнами; е — цепная с рессорными струнами; / -длина пролета петли, рессорной струны;/ F— стрелы провеса; 11Т — несущий трос; КП — контактный провод
Рис. 6.9. Схема пространственно-ромбовидной и рычажной контактных подвесок на прямом участке пути:
а — подвес на консоли; б — на ригиле; в — вид в плане: 1 — контактный провод; 2 — несущий трос; 3 — стяжка; 4 — фиксатор; 5 — изолятор; г — цепная равноэластичная рычажная контактная подвеска: I — несущий трос; 2 — контактный провод; 3 — струна; 4 — клемма; 5 — рычаг;
Геометрические параметры контактных подвесок в пролете показаны па рис. 6.10, а в габл. 6.4 приведены их значения для К11 постоянного тока с составом приводов М-120+2МФ-100.
Рис. 6.10. Геометрические параметры КП в пролете:
L — длина пролета; / — длина рессорной струны; Ср — расстояние между струнами под рессорной струной; И — конструктивная высота подвески; F — стрела провеса несущего троса; / — стрела провеса контактного провода; и Нтт — максимальная и минимальная высота подвешивания контактною провода над уровнем головки рельса (УТР); Т — натяжение несущего троса; К — натяжение контактных проводов
Простая контактная подвеска
Простая (однопроводная) контактная подвеска представляет собой контактный провод, закрепленный непосредственно на поддерживающих конструкциях. Такая подвеска получила широкое применение на городском электрическом транспорте (особенно для трамваев, поэтому ее часто называют трамвайной), а также на электрифицированных путях промышленного транспорта. На магистральных железных дорогах простую контактную подвеску допускается применять только на станционных путях (включая приемоотправочные) и подъездных путях, где скорость движения поездов не превышает 50 км/ч.
Контактный провод в точках подвеса получает дополнительные напряжения от изгиба, которые уже при пролетах 40 м составляют 120— 130 МПа и в сумме с основным напряжением растяжения провода, равным для медных контактных проводов 100—120 МПа, достигают предела текучести материала провода. Поэтому по значениям местных максимальных напряжений простые контактные подвески с однократным подхватом провода у опор (рис. 1, а) не могут быть выполнены с пролетами более 40—45 м.
Уменьшить перегиб контактного провода в опорном узле, а следовательно, выполнить простую подвеску с большими пролетами можно при двукратном или многократном подхвате (подвеске) контактного провода у опор, который легко выполнить с помощью отрезка продольного троса, смонтированного в виде петли. Такую подвеску называют простой петлевой контактной подвеской.
Рис. 5.1. Схемы простых контактных подвесок:
(1-е однократным креплением (подхватом) контактного провода у опор; б —петлевая (с двукратным подхватом); 1—контактный провод; 2— трос петлевой струны
Существует несколько разновидностей простой петлевой контактной подвески: со струной у опоры со смещенными от опоры двумя (рис. 5.2) или четырьмя струнами, с рессорной струной, с рессорной струной и двумя простыми струнами.
Рассмотрим простую петлевую контактную подвеску. На рис. 5.1 обозначено: А, В — опоры; l — длина пролета контактного провода; lП —длина троса петлевой струны; hп — конструктивная высота (расстояние по вертикали от контактного провода до узла подвеса троса петлевой струны на поддерживающей конструкции); f0 — стрела провеса контактного провода в пролете l0; lп — стрела провеса контактного провода в пролете lп; К — натяжение контактного провода в пролете l0; Кп — натяжение контактного провода под петлевой струной (в пролете lп); П — натяжение троса петлевой струны.
Одним из главных параметров простой петлевой контактной подвески является длина троса петлевой струны lп. От нее зависит конструктивная высота подвески hп, с учетом которой выбирают высоту опор. Чем короче lп, тем меньше hn. Однако при очень коротких lп (1—2 м), как показывают расчеты, эффект от применения петлевой струны как по уменьшению перегиба контактного провода в опорном узле, так и по уменьшению напряжений в проводе от изгиба получается незначительным. Поэтому длину петлевой струны рекомендуют принимать не менее 3—4 м.
В случае выполнения подвески по схеме рис. 5.1б,длина lп будет большей и контактный провод, имеющий под петлевой струной ослабленное натяжение Кп = К—-П, получит в пролете lп большую стрелу провеса fп. Это может отрицательно сказаться на параметрах подвески, определяющих качество токосъема. Следовательно, при lпболее 4—5 м в простых подвесках целесообразно использовать многократный подхват контактного провода. Для обеспечения более плавного перегиба контактного провода в зоне опорного узла ему в таких подвесках обычно дают небольшой (порядка 0,04—0,06 м) отрицательный прогиб fп.
Таким образом, применение простой петлевой подвески с многократным подхватом контактного провода позволяет снять ограничение в отношении длины пролета, которое свойственно трамвайной подвеске.
Рис. 5.2. Опорный узел простой петлевой контактной подвески с двумя струнами:
1 — контактный провод; 2— петлевая струна; 3— трос петлевых струн
Оптимальной при натяжении контактного провода 15—18 кН представляется простая подвеска, выполненная со смещенными от опоры двумя струнами, длиной троса lп = 8÷15 м и конструктивной высотой lп = 0,3 ÷ 0,6 м.
Наибольшие длины пролетов простых подвесок принимают также с учетом обеспечения необходимой ветроустойчивости и расстояния от уровня верха головки рельса до контактного провода при гололеде.
Горизонтальное отклонение контактного провода от оси токоприемника в пролете под действием ветра наибольшей интенсивности с учетом порывистости и упругого прогиба опор не должно превышать 500 мм на прямых и 450 мм на кривых участках пути.
Для простых подвесок, в которых натяжение контактного провода регулируется автоматически (например, с помощью блочного компенсатора), в гололедных районах при выборе пролетов учитывают понижение уровня контактного провода в середине пролета, вызванное увеличением стрелы провеса при гололеде. На станционных путях контактный провод при гололеде может иметь стрелу провеса не более 0,35 м, на перегоне — не более 0,5 м.
Контактная подвеска
Контактная подвеска — система проводов контактной сети, взаимное расположение которых, способ механического соединения, материал и сечение обеспечивают необходимое качество токосъёма. Конструкция контактной подвески определяется экономической целесообразностью, эксплуатационными условиями (максимальной скоростью движения электроподвижного состава, наибольшей силой тока, снимаемого одним токоприёмником), климатическими условиями. Необходимость обеспечения надёжного токосъёма при возрастающих скоростях движения и мощности электроподвижного состава определила изменение конструкций контактной подвески: сначала простые, затем одинарные цепные с простыми струнами и более сложные — рессорные, одинарные, двойные и специальные.
При скоростях движения до 50 км/ч удовлетворительное качество токосъёма обеспечивает простая (иногда называемая трамвайной) контактная подвеска, состоящая только из контактного провода, подвешенного к опорам А и В контактной сети (рис.1, а) или к поперечным тросам, закреплённым на искусственных сооружениях (на городском электротранспорте — также к зданиям). Качество токосъём во многом определяется стрелой провеса f провода, зависящей от результирующей нагрузки на провод, складывающейся из собственного веса провода (при гололёде вместе со льдом) и ветровой нагрузки, длины пролёта l и натяжения провода. На качество токосъёма большое влияние оказывает угол α: чем он меньше, тем ниже качество токосъёма, так как сильнее удары при проходе токоприёмником опорной зоны, а также больше износ контактного провода и контактных вставок токоприёмника. Некоторое улучшение токосъёма в опорной зоне обеспечивается двукратным подвешиванием контактного провода (рис.1, б).
При более высоких скоростях движения для обеспечения удовлетворительного токосъёма при простой контактной подвеске потребовалось бы существенное уменьшение пролётов, что неэкономично, или увеличение натяжения провода до практически не осуществимых значений. В этих условиях применяют цепные контактные подвески (рис.2), в которых контактный провод подвешен к несущему тросу с помощью струн. Название «цепная» связано с тем, что несущий трос располагается в вертикальной плоскости в соответствии с уравнением цепной линии. Контактная подвеска, состоящая из несущего троса и контактного провода, называется одинарной. При достаточно частом расположении струн контактному проводу можно придать любое положение в вертикальной плоскости, в частности, практически без провеса. Кроме одинарных, применяют двойные цепные контактные подвески, в которых к несущему тросу на струнах подвешивается вспомогательный провод, а к нему (при помощи коротких струн) — контактный провод.
В цепных контактных подвесках несущий трос и вспомогательный провод нередко участвуют в передаче тягового тока. В этом случае их соединяют с контактным проводом электрическими соединителями.
Основной механической характеристикой контактной подвески является её эластичность — отношение подъёма контактного провода к приложенной к нему и направленной вертикально вверх силе. Качество токосъёма зависит от характера изменения эластичности в пролёте: чем она стабильнее, тем лучше токосъём. В простых и обычных цепных контактных подвесках эластичность в середине пролёта выше, чем у опор. Выравнивание эластичности в пролёте одинарной цепной контактной подвески достигается установкой рессорных тросов длиной 10—20 м, на которых крепят вертикальные струны для подвески контактного провода. Более постоянной эластичностью характеризуются двойные контактные подвески, но они сложнее в монтаже и эксплуатации. Для выравнивания эластичности в пролёте предложены специальные контактные подвески, к которым относится, например, рычажная контактная подвеска (рис.3). Принципиальное отличие этой контактной подвески от других в том, что несущий трос работает не только на изгиб, но и на кручение. Последнее достигается тем, что три струны, поддерживающие контактный провод в концевых частях каждого пролёта, присоединены к несущему тросу через рычаги A, B и C, жёстко закреплённые на тросе и повёрнутые при монтаже поочерёдно в разные стороны (в плане). Такую подвеску монтируют на участках со скоростями движения 200—250 км/ч.
Простые и цепные контактные подвески состоят из отдельных анкерных участков. Анкеровки (закрепления) проводов контактной подвески по концам анкерных участков могут быть жёсткими или компенсированными (см. Компенсация натяжения проводов). На магистральных железных дорогах широко применяют цепные компенсированные и полукомпенсированные контактные подвески.
В компенсированных контактных подвесках компенсаторы имеются в контактном проводе и в несущем тросе. При изменении температуры проводов (вследствие изменения протекающих по ним токов и температуры окружающего воздуха) стрелы провеса несущего троса, а следовательно, и подвешенных к нему контактных проводов, остаются постоянными. Для лучшего токосъёма стрелу провеса контактного провода компенсированной контактной подвески принимают около 0,001 длины пролёта.
В полукомпенсированных контактных подвесках компенсаторы устанавливаются только в контактном проводе, который регулируют так, чтобы стрела провеса имела место при среднегодовой для данного района температуре окружающего воздуха. Конструктивную высоту подвески — расстояние между несущим тросом и контактным проводом в точках подвеса — стремятся увеличить до экономически целесообразных пределов. Это обеспечивает меньший наклон струн при экстремальных значениях температуры окружающего воздуха и большее постоянство натяжения контактного провода во всём анкерном участке, что необходимо для удовлетворительного токосъёма.
Для увеличения срока службы контактных вставок токоприёмников контактный провод располагают в плане с зигзагом. Возможны различные варианты подвески несущего троса: в тех же вертикальных плоскостях, что и контактный провод (вертикальная подвеска), по оси пути (полукосая), с зигзагами, противоположными зигзагам контактного провода (косая подвеска). Вертикальная контактная подвеска обладает наименьшей ветроустойчивостью, косая — наибольшей, но сложнее в монтаже и обслуживании. На прямых участках пути в основном применяется полукосая контактная подвеска, на криволинейных — вертикальная. На участках с особенно сильными ветрами используют ромбовидную контактную подвеску, в которой два контактных провода, подвешенных к общему несущему тросу, располагаются у опор с противоположными зигзагами. В средних частях пролёта провода притянуты один к другому жёсткими планками. За рубежом в основном применяют одинарные подвески, на главных путях — с рессорными тросами. В некоторых странах (Великобритания, Франция, Япония) кроме одинарных контактных подвесок используют также двойные.