Пространственно-ромбовидная автокомпенсированная контактная сеть русскийenglish

ПРОСТРАНСТВЕННО-РОМБОВИДНАЯ АВТОКОМПЕНСИРОВАННАЯ КОНТАКТНАЯ СЕТЬ

Специалистам известно, что надежная и экономичная контактная сеть в значительной степени определяет эффективность системы тягового электроснабжения железных дорог и железнодорожного транспорта в целом.

Сегодня, когда скорость движения на электрифицированных железных дорогах намного превысила 200 км/ч, вопросы конструкции контактной сети, казалось бы, уже решены. С этим отчасти можно было бы согласиться применительно к железным дорогам в странах, для которых характерны мягкий климат с достаточно небольшими перепадами температуры, малые ветровые нагрузки и практически отсутствуют гололедные явления. План и профиль железных дорог здесь, как правило, не создают сложностей при устройстве контактных сетей, а тоннели не имеют большой протяженности. Исключением является тоннель под Ла-Маншем, но при его электрификации были осуществлены далеко не типовые решения. Контактная сеть в этом тоннеле, как и другие устройства, уникальна; на реализацию их потребовались соответствующие финансовые затраты.

Отличительной особенностью в развитых странах является высокий технологический уровень работ на контактной сети. Но и для таких условий важными факторами остаются стоимость сооружения и особенно — эксплуатации контактной сети, увеличение межремонтных сроков обслуживания, сокращение эксплуатационного персонала.

При электрификации железнодорожных линий большой протяженности, работающих в сложных климатических и географических условиях, стоимость контактной сети имеет важное значение. Такая контактная сеть должна быть рассчитана на экстремальное воздействие перепадов температуры (иногда в течение короткого времени), ветровых и гололедных нагрузок. Особенности электрификации протяженных линий на востоке России, в странах Юго-Восточной Азии, Индии определяются не только климатическими условиями, но и более низким уровнем технического обслуживания, технологией эксплуатации устройств тягового электроснабжения, большими и часто труднодоступными участками обслуживания.

Недостатки вертикальной контактной подвески

Традиционная контактная подвеска, если не учитывать зигзаги контактного провода, выполнена в вертикальной плоскости, отсюда и ее название — вертикальная. Для устранения температурных изменений длины входящих в нее несущих тросов, контактных проводов, рессорных тросов применяются устройства продольной компенсации. Все провода подвески перемещаются вдоль оси пути. Правда, если такая возможность в конструкции контактной подвески не заложена (например, для несущего троса полукомпенсированной подвески), изменяется вертикальное положение провода, т. е. его стрела провеса. Это общеизвестно. Известно и то, что для обеспечения работоспособности такой контактной сети необходимы сложные сопряжения анкерных участков, компенсирующие устройства, средние ан-керовки, поворотные консоли и фиксаторы, ряд подвижных сочленений в других узлах сети.

Все эти устройства, обеспечивая компенсацию температурных изменений длины проводов, в случае обрыва последних играют негативную роль. Так, при обрыве контактного провода подвеска выходит из строя на протяжении нескольких пролетов; чтобы предотвратить это, на компенсаторах делают тормозные устройства. Если же обрывается несущий трос, сложность и объем повреждений могут быть значительно больше.

Вертикальным контактным подвескам присущи и другие недостатки: сложность прохода токоприемником сопряжений, неравномерность жесткости подвески по длине пролета, влияние перепадов температуры" окружающего воздуха на жесткость, необходимость принятия технических мер по увеличению ветроустойчивости подвески, большой объем работ по регулировке и поддержанию заданных параметров в процессе эксплуатации и многое другое.

Стоит отметить и сложность эксплуатации. Существующая контактная сеть, нуждающаяся в частых осмотрах, регулировочных работах, подчас очень сложных, не позволяет создать технологию комплексного обслуживания и ремонта электрифи-цированного участка, ориентированную на единые межремонтные сроки всех устройств участка, начиная от пути. Контактная сеть, требующая в течение года частых регулировок, вынуждает иметь значительный эксплуатационный персонал, набрать и обучить который в настоящее время по ряду причин сложно.

Все это заставляет искать новые технические решения для устройства контактной сети. Представляется, что перечисленные недостатки удалось устранить в пространственно-ромбовидной авто-компенсированной контактной сети (ПРАКС), разработанной в Российском государственном техническом университете путей сообщения (РГОТУПС).

Конструкция пространственно-ромбовидной сети

Основной особенностью построения пространственно-ромбовидных подвесок является новое взаимное расположение контактных проводов и несущих тросов. Существует целый ряд модификаций таких подвесок. Базовая конструкция ПРАКС имеет два несущих троса и два контактных провода. Несущие тросы расположены по обеим сторонам от оси пути и в точках подвеса жестко закреплены через изоляторы на горизонтальной консоли одиночной опоры или на жесткой поперечине.

Контактные провода образуют в плане ромбовидные фигуры, симметричные относительно оси пути.

Два провода соединены в пролете шарнирной планкой, а в середине участка между двумя соседними планками каждый провод крепится к соответствующему несущему тросу фиксирующим элементом. Такие элементы являются точками подвешивания контактных проводов и одновременно фиксируют их относительно оси пути.

Длину пролета выбирают в зависимости от условий эксплуатации. На магистральных линиях длины пролетов равны принятым в настоящее время, а в искусственных сооружениях их уменьшают по габаритным условиям тоннеля. На магистральных линиях в пролете создают несколько ромбов контактных проводов; их количество определяется расчетами.

Особые свойства ПРАКС
Способность к автоматической компенсации изменений длины провода

В ПРАКС осуществлен новый принцип компенсации температурных изменений длины проводов подвески. При изменении под воздействием температуры длины несущих тросов и контактных проводов изменяется не только положение несущих тросов по высоте, но и расстояние от них до оси пути, т. е. происходит пространственное изменение положения проводов без продольной сдвижки, которая свойственна компенсированным цепным подвескам. Изменение высоты несущих тросов в пролетах длиной от 50 до 70 м при перепадах температуры воздуха 80 °С вызывает изменение высоты подвеса контактных проводов относительно уровня головок рельсов до 100 мм. Но, что очень важно, высота контактного провода изменяется одинаково во всех точках пролета, поэтому траектория движения полоза токоприемника остается горизонтальной. Высота контактного провода при колебаниях температуры в полукомпенсированной вертикальной подвеске изменяется в еще большей степени: при той же длине пролетов, что и в ПРАКС, более чем на 50 %. Для сохранения постоянной высоты контактного провода по длине пролета полукомпенсированную подвеску конструктивно усложняют в зоне опоры. Это исключено в компенсированной подвеске благодаря применению компенсаторов, но такая подвеска практически теряет ветроустойчивость.

Расчеты ПРАКС показали, что изменение жесткости подвески по длине пролета в среднем составили 5 — 7 % в зависимости от его длины. Следовательно, по этому показателю ПРАКС отвечает современным требованиям к контактным сетям высокоскоростных линий.

Таким образом, ПРАКС, автоматически компенсируя температурные изменения длины проводов подвески в каждом пролете отдельно, не ухудшает своих динамических характеристик.

Длина анкерных участков

Вследствие того что процесс компенсации температурных удлинений проводов ПРАКС происходит в каждом пролете отдельно и нет необходимости в компенсаторах, исключается понятие анкерных участков. Подвеска может быть смонтирована на перегоне любой длины одним анкерным участком. С учетом схемы питания и секционирования в местах разделения секций контактной сети можно монтировать либо изолирующие сопряжения, либо, что, на наш взгляд, перспективнее, изолирующие вставки.

Вертикальную контактную подвеску разделяют на анкерные участки еще и для того, чтобы ограничить зоны повреждения при обрывах проводов. Протяженность зоны повреждения ПРАКС при обрывах контактных и несущих тросов в несколько раз меньше.

Простота конструкции

В связи с отсутствием продольных перемещений проводов в ПРАКС полностью исключаются все устройства, обеспечивающие эти сдвижки в вертикальных контактных подвесках, а их немало: поворотные консоли и фиксаторы, включая все шарнирные соединения, средние анкеровки, компенсаторы с роликами, барабанами, тормозными устройствами, грузами и всевозможными деталями крепления, скользящие струны. Исчезают и все проблемы, связанные с их обслуживанием — смазкой, проверкой хода роликов, прокачкой грузов, обходами и осмотрами.

Отдельно о струнах. В ПРАКС вообще отсутствуют струны, которым столько внимания уделяется в вертикальных подвесках. Сколько уже изобретено различных конструкций струновых зажимов! Сколько цветных металлов и высококачественных сталей потрачено на их изготовление! Сколько неприятностей они доставили и сколько времени потрачено на регулировку вертикальных подвесок! Во всяком случае, на отечественных железных дорогах масса времени и сил тратится на откручивание заржавевших болтов и гаек струновых зажимов.

На железных дорогах Европы практически никогда в контактной сети не применялись болтовые соединения из черных металлов, но объем регулировочных работ от этого не уменьшался. В ряде стран болтовые соединения из черных металлов используются на десятках тысяч километров контактных сетей.

Всего этого нет в ПРАКС. Здесь фиксирующий элемент содержит фиксаторный зажим, короткую планку и регулировочное звено, обеспечивающее точное расположение контактных проводов относительно оси пути. Регулировка производится один раз при монтаже, дополнительных регулировок в процессе эксплуатации не требуется, что подтверждается результатами эксплуатационных наблюдений за работой ПРАКС в течение 20 лет.

Реакция ПРАКС на ветровые нагрузки

Немало усилий потрачено на создание ветроустойчивых вертикальных контактных подвесок. Имеется целый ряд конструктивных решений, хорошо известных специалистам. Однако они обеспечивают положительные результаты только при средних скоростях ветра. Вертикальные подвески совершенно не работоспособны при скорости ветра более 25 м/с, а участки, где скорость ветра такова, есть, и их немало.

Как единственно приемлемая конструкция ПРАКС смонтирована в районе Новороссийска, где скорость ветра достигает 40 м/с. Под Новороссийском бывают не только сильные ветры, но и ураганы. Во время одного из них, когда выбрасывало на берег суда, разрушались дома в городе и, естественно, вышли из строя все воздушные линии различного назначения, ПРАКС сохранила свою работоспособность. В чем же дело? Высокая ветроустойчивость заложена в принципе расположения проводов ПРАКС— не в вертикальной плоскости, как во всех известных контактных сетях, а практически почти в горизонтальной.

Перспективная область применения ПРАКС — искусственные сооружения

Модификация ПРАКС для искусственных сооружений имеет небольшой вертикальный габарит (от точки крепления до свода), который при необходимости (вместе с изоляцией) может составлять до 200 мм. Подвеска обеспечивает динамические характеристики для достаточно высоких скоростей движения. В стесненных условиях тоннеля, когда от проводов до сводов тоннеля сохранялось минимальное допустимое расстояние, было проверено отжатие подвески под действием нескольких токоприемников. Для этого были созданы наиболее сложные эксплуатационные условия: в сплотке из двух электровозов подняты все четыре токоприемника и установлено максимальное нажатие каждого из них. При этом провода подвески не вышли из допустимых габаритов.

Зона повреждения

Речь идет о протяженности поврежденного участка контактной подвески в случаях обрыва контактных проводов или несущих тросов в различных сочетаниях. В вертикальных подвесках при обрыве контактных проводов (при их пережогах или изломе токоприемника) зона повреждения представляет собой половину анкерного участка: от средней анке-ровки до компенсаторов. Наибольшие разрушения происходят в нескольких пролетах, но при восстановлении, как правило, необходимо выполнить регулировку подвески на протяжении нескольких сотен метров.

В случае обрыва несущего троса объемы повреждения подвески несоизмеримо больше, правда, это происходит нечасто, только при значительных авариях.

В ПРАКС, поскольку несущие тросы жестко закреплены на каждой опоре, а контактные провода крепятся к несущим тросам в нескольких точках в пролете через достаточно надежные фиксирующие зажимы, протяженность зоны повреждения в несколько раз меньше.

Специальными разрушающими испытаниями выявлено следующее. При обрыве одного контактного провода зона повреждения ограничивается длиной одного ромба, созданного контактными проводами в пролете. Она составляет 15— 18 м. После стыковки контактного провода никакой дополнительной регулировки не требуется. Такой же объем восстановительных работ необходим при обрыве двух контактных проводов. Даже в случае обрыва несущего троса зона повреждения не превышает одного пролета.

Об опыте эксплуатации

Недаром в вертикальных подвесках поддерживающие связи между несущими тросами и контактными проводами называют струнами. Как и в музыкальных инструментах, в контактных сетях струны требуют постоянной регулировки. В ПРАКС их нет.

Нет и шарнирных соединений. Фиксирующие элементы устанавливают и регулируют при монтаже и в дальнейшем в течение многих лет, что подтверждает опыт эксплуатации, никаких работ по регулировке на подвеске не производят.

Во время осмотров в основном контролируют состояние изоляторов. Отдельно ведется контроль за износом контактного провода, так же, как в любой другой подвеске. Установлено, что после нескольких лет эксплуатации контактные провода имели равномерный износ на участке с интенсивным движением (до 130 пар поездов в сутки и более в пригородном движении) при нескольких рабочих токоприемниках на каждом электропоезде.

За 20 лет эксплуатации ПРАКС накоплен опыт по се применению в различных климатических и эксплуатационных условиях. В частности, подтверждена работоспособность и надежность этой подвески не просто на ветровых участках, а на таком участке, расположенном в горах на железнодорожной линии с малыми радиусами кривых (400 м). Подвеска устойчиво работала и в кривых меньших радиусов.

Первый участок ПРАКС смонтирован на Московской железной дороге в 1982 г. Никаких регулировочных работ за весь период эксплуатации на контактной подвеске этого участка не производилось, несмотря на высокую интенсивность движения. При электрификации большого полигона с использованием ПРАКС эксплуатационные расходы будут значительно меньше, чем при традиционной подвеске. Технология обслуживания включает в себя только осмотры и капитальные ремонты.

Накоплен значительный опыт внедрения и многолетней эксплуатации ПРАКС в тоннелях. Здесь, несомненно, эта подвеска превосходит другие по надежности, необходимым габаритам, отсутствию сопряжений. Последнее позволяет в случае применения ПРАКС значительно уменьшить объемы строительных работ по сооружению тоннеля. При любой другой контактной подвеске требуется устраивать ниши, достаточно большие, для размещения компенсирующих устройств. Как уже отмечалось, тоннель любой длины ПРАКС проходит одним анкерным участком. Это, с одной стороны, дает экономию средств на строительство тоннеля, с другой, исключает сложные для прохода токоприемника сопряжения анкерных участков. Первым с использованием ПРАКС был электрифицирован в 1986 г. Меградзорский тоннель в За-кавказьс длиной более 6 км расположенный на перевале и имеющий значительные уклоны пути. Движение по нему до этого осуществлялось с применением двойной тяги. В течение ряда лет после монтажа ПРАКС не было получено ни одной рекламации.

В некоторых тоннелях в зимний период на своде в местах крепления изоляторов образуется лед в виде сосулек. Это происходит в ряде районов России и за рубежом. В случае применения вертикальных подвесок сосульки над осью пути в местах крепления несущих тросов создают большие трудности для эксплуатационников. Расположение изоляторов в ПРАКС сбоку от оси пути исключает образование сосулек в зоне действия токоприемника.

Особо необходимо остановиться на электрификации тоннелей через Северомуйский хребет на Бай-кало-Амурской магистрали (БАМ). Проекты контактной сети выполнялись совместно специалистами РГОТУПС и Сибгипротранса.

В 1989 г. был электрифицирован первый обходной тоннель. Он имеет кривые радиусом 300 м и уклоны 18 %о, находится в сейсмически опасной зоне, его постоянно «трясет». Все это выдвигает дополнительные требования к устройству контактной подвески. Трудно представить подвеску другого типа, кроме ПРАКС, которая смогла бы обеспечить надежный токосъем в этом тоннеле. Возможно, для него пришлось бы разрабатывать специальную контактную сеть с жесткими шинопроводами, но вряд ли они обеспечили бы надежный токосъем в зоне сейсмичности. В этих у-словиях была применена специальная модификация ПРАКС, обеспечивающая расположение проводов в кривых малых радиусов, минимальный вертикальный габарит с учетом возвышения рельсов в кривых. До сих пор ПРАКС работает в этом тоннеле в сложнейших климатических условиях без сбоев.

Второй тоннель, в котором использована ПРАКС, — это Северомуйский, самый протяженный в России.

Длина его составляет 15 км. Он расположен на прямом участке в той же сложной сейсмической зоне. Тоннель пройден одним анкерным участком. Характерно, что ни сам монтаж, ни регулировка ПРАКС не вызвали каких-либо особых трудностей. В этом тоннеле только из-за отсутствия ниш, которые были бы необходимы для анкеровок проводов вертикальной контактной подвески, объем скальной выработки уменьшен на несколько сотен кубометров.

ПРАКС обеспечила высокую надежность тягового электроснабжения на этом участке. Практически исключены работы по регулировке, осмотрам и ревизиям контактной сети, которые в тоннеле можно вести только с закрытием движения, причем в условиях искусственного освещения, что непросто. Опыт эксплуатации ПРАКС позволяет утверждать, что работы по ее техническому обслуживанию будут связаны только с износом контактных проводов.

В настоящее время, кроме перечисленных участков, ПРАКС смонтирована на перегонах ряда железных дорог, а также на станции на жестких поперечинах. Она хорошо размещается на жестких поперечинах, которые часто за рубежом используются и на перегонах.

Разработаны все устройства для стыкования ПРАКС с существующими вертикальными цепными подвесками, токоприемник работает в этих зонах, как на обычном сопряжении.

Различные модификации ПРАКС учитывают многие эксплуатационные особенности: вертикальные и горизонтальные габариты, длины пролетов, различные поддерживающие и опорные конструкции.

Успешно были проведены проектные подготовительные работы по использованию ПРАКС на сложных горных участках на юге Китая, но эти работы остановлены в связи с прекращением финансирования.

Таким образом, накопленный опыт по проектированию и эксплуатации ПРАКС позволяет сделать вывод: подвеска готова к использованию в любых условиях.


профессор

Российский государственный открытый технический университет путей сообщения
кафедра "Энергоснабжение электрических железных дорог"
адрес: 125808, Москва, Часовая ул., д. 22/2

Демченко Анатолий Тимофеевич
Наиболее востребованный строителями дробилки мощные и производительные модели Яндекс.Метрика